靜電放電保護(hù)器件性能測(cè)試技術(shù)研究

張希軍,范麗思,王振興,王書平

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊 050003)

靜電放電保護(hù)器件性能測(cè)試技術(shù)研究

張希軍,范麗思,王振興,王書平

(軍械工程學(xué)院靜電與電磁防護(hù)研究所,河北石家莊 050003)

為準(zhǔn)確測(cè)試靜電放電(ESD)保護(hù)器件的性能、解決ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng)及其高頻反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,本文研制了基于微帶設(shè)計(jì)和電磁場(chǎng)屏蔽理論的專用測(cè)試夾具,評(píng)價(jià)了該夾具的傳輸特性,建立了由高頻脈沖模擬器、專用測(cè)試夾具和示波器等組成的測(cè)試系統(tǒng).利用該系統(tǒng)測(cè)試了某型號(hào)ESD保護(hù)器件的限幅響應(yīng)時(shí)間、箝位電壓和峰值電流等性能參數(shù).測(cè)試結(jié)果表明,該測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足ESD保護(hù)器件性能測(cè)試要求,可廣泛應(yīng)用于ESD保護(hù)器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究.

靜電放電;保護(hù)器件;測(cè)試夾具;傳輸線

靜電放電(ESD)作為一種近場(chǎng)電磁危害源,是造成電子產(chǎn)品受電過應(yīng)力(EOS)而失效的最主要原因之一[1].據(jù)美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì),僅集成電路制造業(yè)一項(xiàng),全球每年因靜電放電造成的損失達(dá)數(shù)百億美元[2].對(duì)于靜電敏感的電子產(chǎn)品,使用ESD保護(hù)器件是降低ESD敏感度的一種重要途徑.

為了達(dá)到需要的抗ESD能力,應(yīng)對(duì)器件的開啟電壓、箝位電壓、響應(yīng)時(shí)間、峰值電流等特征參數(shù)進(jìn)行精確測(cè)試.但是ESD產(chǎn)生的輻射場(chǎng)及高頻反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響不容忽視.本文圍繞這一問題,以某型ESD保護(hù)器件的測(cè)試為例,開展了ESD保護(hù)器件響應(yīng)能力測(cè)試關(guān)鍵技術(shù)研究.研制了基于微帶設(shè)計(jì)原理和電磁場(chǎng)屏蔽理論的專用測(cè)試夾具,建立了由高頻噪聲模擬器、專用測(cè)試夾具和示波器等組成的測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試了該保護(hù)器件的限幅響應(yīng)時(shí)間、箝位電壓和峰值電流.測(cè)試結(jié)果表明,該測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足ESD保護(hù)器件性能測(cè)試要求,可廣泛應(yīng)用于ESD保護(hù)器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究.

1 靜電放電保護(hù)器件的工作特性及其特征參數(shù)

ESD保護(hù)器件的工作原理具有兩重性:一方面,提供一個(gè)低阻的泄放通道分流ESD電流、對(duì)感應(yīng)能量進(jìn)行旁路,防止被保護(hù)電路的損傷;同時(shí)抑制瞬態(tài)ESD電壓快速上升,使管腳電壓鉗制在被保護(hù)電路的工作電壓附近.采用多層可變電阻、二極管陣列、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、聚合物抑制器和可控硅等保護(hù)單元進(jìn)行ESD保護(hù)設(shè)計(jì),是電子產(chǎn)品抗ESD設(shè)計(jì)的常用方法.MOS晶體管是最常用的ESD保護(hù)器件,它利用保護(hù)單元工作在其一次擊穿區(qū)來泄放ESD電流,保護(hù)單元在一次擊穿區(qū)不會(huì)損傷.然而一次擊穿區(qū)域有極限,這極限就是二次擊穿特性,當(dāng)保護(hù)單元因外加過度的電壓或電流而進(jìn)入二次擊穿區(qū)后,將產(chǎn)生永久性的損傷.圖1是通過傳輸線脈沖技術(shù)(TLP)獲得的nMOSFET的I-V特性曲線圖.

圖1 nMOSFET在ESD應(yīng)力下的電流-電壓特性Fig.1 I-V characteristics of nMOSFE under ESD stress

圖1所示曲線反映了電壓的驟回(Snapback)現(xiàn)象,并且從中可以獲取用于衡量ESD保護(hù)器件等級(jí)(ESDV)的參數(shù).(It1,Vt1)是ESD保護(hù)器件的開啟點(diǎn),該點(diǎn)決定ESD保護(hù)器件何時(shí)開啟;(It2,Vt2)是二次擊穿點(diǎn),ESDV等級(jí)通過二次擊穿電流(It2)來衡量;(IH,VH)是維持點(diǎn),維持電壓(VH)的大小決定了器件的電位鉗制能力,較小的VH能提供一條較低阻值的電流泄放路徑;同時(shí),ESD是一個(gè)高電位、強(qiáng)電場(chǎng)、大電流、瞬時(shí)短脈沖的過程[3],這要求保護(hù)器件要具有極快的限幅響應(yīng)時(shí)間(τ).因此,二次擊穿電流(It2)、開啟電壓(Vt1)、維持電壓(VH)、二次擊穿電壓(Vt2)和限幅響應(yīng)時(shí)間(τ)等,這些都是表征ESD保護(hù)器件抗靜電能力的特征參數(shù),也是電路設(shè)計(jì)所必需的參數(shù).

2 傳輸線脈沖(TLP)測(cè)試方法

為了研究靜電放電保護(hù)器件特性、得到其精確的特征參數(shù),通常采用傳輸線脈沖(TLP)測(cè)試方法.TLP測(cè)試就是利用矩形短脈沖(脈沖寬度50～200 ns)來測(cè)量ESD防護(hù)器件在大電流應(yīng)力下的電流-電壓特性的方法.這個(gè)短脈沖模擬作用保護(hù)器件的ESD脈沖,同時(shí)匹配合適的傳輸結(jié)構(gòu)和測(cè)試設(shè)備,將方波加到待測(cè)器件的引腳之間,同時(shí)用示波器測(cè)試器件兩端的瞬時(shí)電壓及流過的電流.每次測(cè)試后都測(cè)試器件的直流漏電流.在進(jìn)行測(cè)試時(shí),可以先從小電壓脈沖開始,然后逐步增加電壓直到獲得足夠多的數(shù)據(jù),就可以做出完整的電壓-電流曲線(如圖1所示).瞬時(shí)電壓-電流曲線和漏電流信息在ESD保護(hù)器件調(diào)試、優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中非常重要.通常測(cè)試脈沖的幅值要加大到使測(cè)試器件徹底損傷為止,從而獲得其精確的最大脈沖電流即二次擊穿電流It2,通過It2可以計(jì)算出器件的抗ESD能力.TL P測(cè)試結(jié)果與其他ESD測(cè)試模型測(cè)試結(jié)果具有相關(guān)性.如持續(xù)時(shí)間為100 ns、上升時(shí)間10 ns的TLP脈沖與人體模型HBM相關(guān)[4].文獻(xiàn)[5]中規(guī)定,電子元器件測(cè)試的HBM ESD模型的放電電阻大小為1 500Ω,因此可以計(jì)算出測(cè)試器件的最大ESD承受電壓:VESD≈It2×(1 500+Rdevice).其中Rdevice為在二次擊穿點(diǎn)后器件的內(nèi)阻值,此時(shí),器件結(jié)面已經(jīng)擊穿呈導(dǎo)體性質(zhì),因此Rdevice可以忽略.

3 靜電放電保護(hù)器件性能測(cè)試

3.1 測(cè)試系統(tǒng)組成

ESD EM P是一種瞬變電磁現(xiàn)象.在時(shí)域上具有陡峭的前沿(ns甚至p s級(jí)),寬度較窄(μs級(jí)甚至ns級(jí));在頻域上,則覆蓋較寬的頻帶,達(dá)到GHz.TLP測(cè)試產(chǎn)生的窄方波,其上升時(shí)間也是ns級(jí).因此,對(duì)ESD保護(hù)器件進(jìn)行測(cè)試時(shí)應(yīng)當(dāng)采取必要措施減少干擾信號(hào)對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,使測(cè)試結(jié)果最大程度地體現(xiàn)出受試器件本身的特性.圍繞這一問題,研制了基于微帶設(shè)計(jì)原理和電磁場(chǎng)屏蔽理論的專用測(cè)試夾具,其作用主要有以下3點(diǎn):1)固定被測(cè)器件;2)保證傳輸線匹配;3)隔離瞬態(tài)脈沖的輻射.

根據(jù)上述測(cè)試夾具建立了ESD防護(hù)器件性能測(cè)試系統(tǒng).該系統(tǒng)由高頻磁脈沖發(fā)生器、同軸電纜、測(cè)試夾具、衰減器以及數(shù)字存儲(chǔ)示波器組成.為了保證整個(gè)測(cè)試回路內(nèi)波形一致,測(cè)試系統(tǒng)選用的同軸電纜、測(cè)試夾具、衰減器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器的特性阻抗均為50Ω,從而滿足阻抗匹配的條件.

因持續(xù)時(shí)間100 ns、上升時(shí)間<10 ns的TLP方波脈沖測(cè)試結(jié)果與人體模型HBM相關(guān)[5],因此,實(shí)驗(yàn)中的脈沖源為上海SAN KI公司生產(chǎn)的ENX-24高頻脈沖發(fā)生器(方波,脈沖寬度50 ns～1μs,上升時(shí)間< 1 ns,輸出脈沖幅值0～2 kV);示波器采用Tek TDS7154B(其采樣頻率為20 GHz,模擬帶寬1.5 GHz).

3.2 測(cè)試夾具的具體結(jié)構(gòu)

該測(cè)試夾具由一段微帶線和頂部可拆卸的屏蔽金屬盒構(gòu)成,它采用同軸線轉(zhuǎn)接頭實(shí)現(xiàn)微帶電路與高頻磁脈沖發(fā)生器、數(shù)字存儲(chǔ)示波器與測(cè)試器件引腳的連接.金屬盒的作用是為了減少高頻脈沖場(chǎng)對(duì)被測(cè)器件及其連線的影響,而金屬盒兩側(cè)的同軸線轉(zhuǎn)接頭可以實(shí)現(xiàn)與其他測(cè)試設(shè)備的連接.微帶線是基于傳輸線理論的微帶設(shè)計(jì)原理而研制的50Ω微帶線.微帶線由接地片、基材、金屬導(dǎo)體帶、2個(gè)金屬螺釘和絕緣襯墊構(gòu)成.微帶的接地片固定在金屬腔體的內(nèi)底面、金屬導(dǎo)體兩端分別與金屬腔體兩側(cè)同軸線轉(zhuǎn)接頭的芯線相連,而金屬螺釘貫穿基材與接地片形成電氣連接.金屬螺釘借助絕緣襯墊保證被測(cè)器件的2個(gè)管腳分別與接地片、金屬導(dǎo)體電氣相通,即被測(cè)器件接入微帶電路.

3.3 測(cè)試夾具的傳輸特性

在高頻電路中只有做到阻抗的匹配才能得到最大的功率傳輸,并減少信號(hào)在輸入端和輸出端的反射,提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量.因此,理想測(cè)試夾具的特性阻抗應(yīng)該是連續(xù)的,即夾具內(nèi)部不存在反射.為定量評(píng)價(jià)測(cè)試夾具的特性,利用安捷倫N5230A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,對(duì)該測(cè)試夾具測(cè)試的傳輸特性進(jìn)行了測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如下:1)反射系數(shù)在4 GHz內(nèi)均小于-20 dB;2)除個(gè)別頻點(diǎn),在1.5 GHz內(nèi)駐波比小于1.2,在2～4 GHz內(nèi),駐波比約小于1.6;3)在4 GHz內(nèi)都有平坦的頻率響應(yīng).圖2給出了測(cè)試夾具在4 GHz內(nèi)測(cè)試得到的電壓駐波比.

圖2 測(cè)試夾具的駐波比Fig.2 VSWR of test clam p

3.4 測(cè)試結(jié)果

采用文中所述的測(cè)試系統(tǒng),對(duì)某型號(hào)的ESD保護(hù)器件進(jìn)行了測(cè)試.圖3是脈寬100 ns、上升時(shí)間小于10 ns、電壓幅值200 V的方波脈沖注入時(shí)的電壓上沖測(cè)試波形.由圖3可以得到該器件的鉗位電壓、限幅響應(yīng)時(shí)間和過沖峰值電壓.每次注入脈沖時(shí)都測(cè)試器件兩端的瞬時(shí)電壓、流過的電流及其直流漏電流,就可以得到圖1所示的I-V特性曲線.

圖3 上沖電壓波形Fig.3 Overshoot voltage waveform

4 結(jié)論

研制了基于微帶設(shè)計(jì)原理和電磁場(chǎng)屏蔽理論的ESD保護(hù)器件性能測(cè)試專用夾具,評(píng)價(jià)了測(cè)試夾具的傳輸特性,建立了由高頻噪聲模擬器、測(cè)試夾具和示波器等組成的測(cè)試系統(tǒng),測(cè)試了某型ESD保護(hù)器件的限幅響應(yīng)時(shí)間、箝位電壓和峰值電流.測(cè)試結(jié)果表明,該測(cè)試系統(tǒng)能夠滿足ESD保護(hù)器件性能測(cè)試要求,可廣泛應(yīng)用于ESD保護(hù)器件設(shè)計(jì)和優(yōu)化研究.

[1]HONDA M.New threat-EM Ieffect by indirect ESD on electronic equipment[J].IEEE Trans on Industry App lication, 1989(25):939-944.

[2]HOPEWELL N J.Bell labs engineers detect Invisible microcircuit killers[M].New Jersey:Lucent Technologies,Press Releases,1998.

[3]劉尚合,魏光輝,劉直承,等.靜電理論與保護(hù)[M].北京:兵器工業(yè)出版社,1999:180-184.

[4]劉尚合,武占成,朱長(zhǎng)清,等.靜電放電與危害防護(hù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社,2004:137-138.

[5]IEC 61340-3-1,2006.Methods fo r simulation of electrostatic effects-human body model[HBM]electrostatic discharge test w avefo rm s[S].

Research on Technique of Performance Test to ESD Protection Device

ZHANG Xi-jun,FAN Li-si,WANG Zhen-xing,WANG Shu-ping
(Electrostatic and Electromagnetic Protection Research Institute, O rdnance M echanical Engineering College,Shijiazhuang 050003,China)

Acco rding to the p roblem sof the effectsof ESD radiation field and HF reflection on the testing results,a special test clamp,w hich is based on micro-strip design p rincip le and electromagnetic field theo ry,w as developed in o rder to m eet the requirement of the accu rate measurement of ESD p ro tection device.The transmission characterization of the test clamp was tested.A testing system w hich composed of HF pulse sim ulator,special test clamp and oscilloscope was developed.Using the testing system,the response time,the clamping vo ltage and the peak current of a p rotection device were measured.The results showed that the test system could be used w idely in the design and the op timization of the ESD p rotection device.

ESD;p rotection device;test clamp;transmission line pulse(TLP)

TN 306

A

1000-1565(2010)05-0609-04

2010-03-10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(60971042);國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金資助項(xiàng)目(9140C87020410JB3403)

張希軍(1969—),女,河北唐山人,軍械工程學(xué)院副教授,主要從事靜電理論與防護(hù)技術(shù)研究.

(責(zé)任編輯:梁俊紅)