ESD防护器件测试系统性能研究

王振兴，武占成，张希军，高永生

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

ESD防护器件测试系统性能研究

王振兴，武占成，张希军，高永生

（军械工程学院静电与电磁防护研究所，河北石家庄 050003）

静电放电（ESD）的测试方法主要为人体模型（HBM）、人体－金属模型（BMM）和机器模型（MM）等，近年来传输线脉冲（TLP）测试方法得到广泛使用。基于TLP测试理论建立了ESD防护器件测试系统，并对测试系统的性能进行了测试研究。测试发现不同脉宽的测试方波对器件的峰值电流、峰值电流时间和箝位时间影响不大，但脉冲结束电流和箝位电压随着脉宽增大而减小，同时较长的传输线会产生较宽的延迟脉宽，对测试结果并未产生影响。

ESD；TLP；脉宽；传输线线长

静电放电（ESD）严重影响电子器件和集成电路的可靠性。ESD测试模型使用较多的是人体模型（HBM）、人体－金属模型（BMM）和机器模型（MM）等［1］。近年来传输线脉冲（TLP）测试方法被Intel等大公司发明，由于TLP测试方法可以描绘出器件在ESD作用下的电流、电压特性，因此得到广泛使用［2］，但当前TLP测试方法并没有制定出统一的标准。瞬态电压抑制管等保护器件是现在电子线路中必不可少的组成部分，而器件的箝位电压和响应时间等参数是反映其性能的重要参数。

1 ESD防护器件测试系统

当前主要的TLP测试方法有以下几类［3］。

1）时域反射TDR TLP：直接使用示波器测量被测器件的入射波和反射波。

2）时域传输和反射TDRT TLP：利用传输和反射波混合的测量方式。

3）时域传输TDT TLP：在示波器上直接测量传输波形的TLP测试方式。

4）电流源（Current Source）TLP：在DUT上串联500Ω的电阻，然后测量DUT的电压和电流。

笔者根据时域传输TDT TLP测试方法建立了ESD防护器件性能测试系统，图1为建立的ESD防护器件测试系统示意图。

ESD防护器件测试系统主要由高频噪声发生器、同轴线、测试夹具、脉冲衰减器和示波器组成。由高频噪声发生器产生脉宽和幅值可调的方波，经过同轴线传输施加在固定在测试夹具上的器件上。同时器件两端的电压值（即夹具两端的电压值）经衰减器后在示波器上显示。由于采样电阻与器件串联在一起，测量采样电阻两端的电压，即可计算出流经器件上的电流值。为了满足测试系统的输入阻抗和特性阻抗的匹配，系统采用的高频噪声发生器、同轴线、测试夹具和示波器的特性阻抗都是50Ω。

系统中使用的方波源为日本Noiseken公司生产的ISN-4040高频噪声模拟发生器，使用的示波器为Tektronix公司生产的7154B型示波器。系统将2个MS2-4000型30 dB脉冲衰减器串联使用，以达到60 dB衰减。采样电阻选择阻值1Ω、最大功率为10 W的无感电阻。

图1 ESD防护器件测试系统示意图

2 ESD防护器件测试系统性能研究

2.1 方波源波形分析

ESD在时域上具有较快的上升沿（ns甚至ps级），HBM放电波形的上升沿为2～10 ns，而BMM放电波形的上升时间为0.7～1 ns；在频域上，则覆盖较宽的频带，达到GHz的特点。为了使测试结果更加精确，TLP测试采用的方波波形的上升时间也应当为ns级，且频域覆盖范围也必须较宽。

图2是ISN-4040型高频噪声模拟发生器产生的方波波形，图3是日本Noiseken公司生产的ESS－200AX静电放电枪产生的人体金属模型的静电电压（BMM）波形。

图2 ISN-4040型高频噪声模拟发生器产生的方波波形

图3 ESS-200AX静电放电枪产生的BMM波形

从时域波形可以看出，方波波形和BMM波形的上升时间均小于1 ns，同时由于方波的电压波形更加规整，电压值较为稳定，因此可以更好地看出器件在一定电压下的行为。

分别对方波波形和静电放电BMM波形进行频域分析［4］，比较两者的频域范围，其结果如图4和图5所示。

图4 方波波形频域范围

图5 BMM波形频域范围

通过比较方波波形和BMM放电波形的频域范围可以看出：方波和BMM波形都具有较宽的频带，方波的频率达到1.25 GHz，而BMM波形的频率可达到1.5 GHz；但同时方波和BMM的能量都集中在低频频段，主要在0～500 MHz之间。

2.2 方波脉宽对测试结果影响

对ESD保护器件注入不同脉宽的方波，测试器件的电压、电流和开启时间等参数，通过比较各个参数在不同注入电压下的变化，以确定脉宽对测试结果的影响。

图6和图7分别是对PESD5V0U1BA注入电压为100 V、脉宽为100 ns方波时器件两端的电流、电压波形。可以看出，当在器件两端施加方波电压时，器件内流过的电流迅速增大，当电流增大到峰值电流后又开始减小。当注入电压脉冲结束，器件中流过的电流值被称为脉冲结束电流；器件中流过的电流达到峰值电流的时间称为峰值电流时间。同时器件中的电压并不能很快被箝位到较低的电压，会出现一个较大的过冲电压。器件最终将高压箝位到较低稳定值，定义这个稳定值为箝位电压。当器件两端的电压达到器件箝位电压的1.1倍时的时间定义为箝位时间。

图6 PESD5V0U1BA电流波形

图7 PESD5V0U1BA电压波形

对双极性TVS器件PESD5V0U1BA分别注入电压为100 V和200 V，脉宽为50，100，150，200 ns的方波，测试其箝位时间、峰值电流和峰值电流时间，测试结果如表1所示。

表1 箝位时间、峰值电流、峰值电流时间测试结果

从表1可以看出，在相同的注入电压下，不同脉宽的测试方波对器件的峰值电流、峰值电流时间和箝位时间影响不大。

对PESD5V0U1BA分别注入电压为100 V和200 V，脉宽为50，100，150，200 ns的方波，测试其脉冲结束电流和箝位电压，测试结果见图8和图9。

图8 脉冲结束电流测试结果

图9 箝位电压测试结果

从图8和图9中可以看出：不同的脉宽下，脉冲结束电流和箝位电压均随着脉宽的增大而减小。可以看出100 ns脉宽下的脉冲结束电流和箝位电压较50 ns脉宽下的脉冲结束电流和箝位电压有较大的减小，而当脉宽从100 ns增大到150 ns和200 ns时，器件的脉冲结束电流和箝位电压的减小量较小。

2.3 同轴线长度测试结果影响

利用传输线传播方波脉冲时，必须考虑传输线的长度、传输线的阻抗匹配、传输线的反射等问题。通过改变方波源与测试夹具之间的同轴线的长度，观察测试结果的变化，从而可以确定同轴线长度对测试结果的影响。

图10是方波源和测试夹具之间同轴线为2.42 m时，对器件注入电压100 V、脉宽100 ns时得到的器件两端电压波形。从图10中可以看出器件两端的电压在注入脉宽100 ns结束后，出现了一个约31 ns宽的电压基本为0的延迟脉宽，然后会出现100 ns脉宽的反射电压。延迟脉宽和反射电压交叉出现直至衰减至0。

图10 电压100 V、脉宽100 ns时电压全波形

分别在方波源和测试夹具之间用传播介质聚四氟乙烯，长度分别为0.33，1.34，2.42，6.46 m长的同轴线，对PESD5V0U1BA器件注入电压100 V和200 V、脉宽100 ns方波进行测试，测试结果如表2所示。通过测试发现，不同的传输线长度仅影响了延迟脉宽的宽度，对测试结果的其他因素没有影响。

3 结 语

根据TLP测试方法，建立了ESD防护器件性能测试系统，该系统主要由高频噪声发生器、同轴线、测试夹具、脉冲衰减器和示波器组成。通过对系统性能的测试，可以看出方波源产生的方波完全可以描述出ESD的时域及频域特性。随着测试脉宽的增大，脉冲结束电流和箝位电压会减小，且减小的趋势随脉宽变化。同时器件的峰值电流、峰值电流时间和箝位时间受到的影响不大。测试系统中较长的传输线会产生较宽的延迟脉宽，但对测试结果并未产生影响。

［1］ 刘尚合，武占成.静电放电及危害防护［M］.北京：北京邮电大学出版社，2004.

［2］ CHARVAKA D，WARREN A，HORST G，et al.ESD in Silicon Integrated Circuits［M］.2nd ed.Texas：JOHN WILEY＆SONS，2002.

［3］ 陆 坚，朱卫良.一种新型IC保护单元ESD评价方式——TLP测试［J］.电子与封装，2008，8（12）：12-16.

［4］ 张希军，原青云，武占成.聚合物ESD抑制器抑制特性的测试方法［J］.高电压技术，2007，33（11）：108-111.

［5］ 王新温，李 萍.微波技术与天线［M］.北京：电子工业出版社，2006.

TN710

A

1008-1542（2011）07-0067-04

2011-06-25；责任编辑:张士莹

国家自然科学基金面上项目（60971042）

王振兴（1986-），男，四川西充人，硕士研究生，主要从事静电理论与防护技术方面的研究。