利用屏幕截圖和TLP進行ESD保護元件的大電流性能鑒定

1、利用屏幕截圖和 TLP 進行 ESD 保護元件的大電流性能鑒定Ashton 博士說在正常工作條件下, ESD 保護元件應(yīng)該保持在不動作狀態(tài), 同時不會對電子系 統(tǒng)的功能造成任何影響,這可以通過維持低電流以及足以在特定數(shù)據(jù)傳輸速率下維持數(shù)據(jù)完 整性的低電容值來達成。而在 ESD 應(yīng)力沖擊或者說大電流沖擊條件下, ESD 保護元件的第一 個要求就是必須能夠正常工作,要有夠低的電阻以便能夠限制受保護點的電壓;其次,必須 能夠快速動作,這樣才能使上升時間低于納秒的 ESD 沖擊上升時間。眾所周知,對于電子系 統(tǒng)而言, 它必須能夠在 IEC 61000-4-2 標準測試條件下存續(xù)。 雖然大部分的 ESD

2、 保護元件都 宣稱能夠承受 IEC61000-4-2 所指定的應(yīng)力沖擊等級,如 8 kV 或第四級 (Class 4,但業(yè)界 卻沒有公認的 ESD 保護元件大電流抑制特性測試的合格標準。對此,安森美半導(dǎo)體給出了自己的定義,也就是在 ±10 kV 應(yīng)力電壓 (高于 8 kV 測試下,被測器件仍然符合其數(shù)據(jù)表規(guī)范,且器件特性 沒有顯著變化。不過,要比較不同 ESD 保護元件的大電流抑制特性,還需要對其進行測試鑒 定。 而通過對不同 ESD 保護元件施加大電流沖擊所產(chǎn)生的波形的屏幕截圖對比, 是重要的第 一步。圖 2 TVS 元件與壓敏電阻在 8kV IEC 61000-4-2 應(yīng)力沖擊測

3、試下的輸出波形對比。圖 2 的 屏幕截圖就是這樣一個范例。 從圖中可以看出, 安森美半導(dǎo)體的 TVS 元件可以迅速將 ESD 應(yīng) 力降低,即從 8 kV 靜電電壓鉗位到 5 至 6 V 的水平;但壓敏電阻的曲線則下降得很慢,而 且無法降到很低的水平。該曲線表明, TVS 器件的恢復(fù)時間非常短,經(jīng)過 TVS 器件泄漏到后 面電路的能量也非常少,特別適合于便攜式設(shè)備的應(yīng)用。而在多重應(yīng)力條件下,兩者的差別 就表現(xiàn)得更為突出。由于 TVS 采用二極管工作原理,受到電擊后,會立即擊穿,然后關(guān)閉, 對器件沒有損傷, 因此可以說沒有壽命限制。 對于壓敏電阻而言, 它采用的是物理吸收原理, 每經(jīng)過一次 ESD

4、 事件,材料就會受到一定的物理損傷,形成無法恢復(fù)的漏電通道;而且,要 達到更好的吸收效果,就要使用更多的材料,使其體積增加,進而限制了在今天小型化產(chǎn)品 當中的應(yīng)用。有鑒于此,安森美半導(dǎo)體標準產(chǎn)品部亞太區(qū)市場營銷副總裁麥滿權(quán)先生打了一個比方,也就 是在 ESD 保護方面, 壓敏電阻保護施展的是 “少林功夫 ”, 用 “身體 (壓敏 電阻 ”去硬扛,會讓自己 “很受傷 ”,而 TVS 耍的是 “太極拳 ”,在 ESD 應(yīng)力沖擊 IC 之前,就將沖擊力給 “引導(dǎo)開 ”或 “消減掉 ”。兩相對比,其結(jié)果是在施加 1,000 次 8kV IEC 61000-4-2 ESD 脈沖條件下,安森美半導(dǎo)體的 T

5、VS 元件的漏電流小于 0.1 A, 而壓敏電阻在少于 20 個 ESD 脈沖下漏電流就會超過 100 A。由此可見,在重復(fù) ESD 應(yīng)力作用下, TVS 仍能維持極高的性能,而壓敏電阻的性能 會隨之下降,聚合物也面臨著跟壓敏電阻類似的問題。圖 3 時域反射 (TDR TLP 測試的結(jié)構(gòu)示意圖。不過, 用示波器對不同保護元件在 ESD 應(yīng)力沖擊測試下的大電流抑制特性或者說是 I-V 曲線 進行屏幕截圖對比也存在不足之處。 首先便是這種屏幕截圖上的 V(t與 I(t的變化非常復(fù)雜, 且并不能測量擊穿電壓、維持電壓、維持電流以及二次擊穿電流等基礎(chǔ)參數(shù),而通過對這些 參數(shù)的分析可以找到電路設(shè)計和工藝

6、的弱點。在這種情況下,采用傳輸線路脈沖 (TLP方法就是很好的下一步。所謂的 TLP 測試,就是一 種利用矩形短脈 (50200 ns 來測量 ESD 保護元件的電流 -電壓特性曲線的方法。這個短脈沖 用來模擬作用于保護元件的短 ESD 脈沖,而恒定阻抗的傳輸線路可以生成恒定幅度的方波。 TLP 測試通過方波測試脈沖加到待測器件 (DUT的兩個引腳之間進行測試。 TLP 測試前要先對電路中的傳輸線路充電,測試時將被測器件接入,傳輸線路通過被測器件放電。改變電路和 輸入電壓和傳輸線路的長度可以模擬不同能量的 ESD 脈沖, 從而得到器件的 ESD 大電流抑制 能力。 TLP 測試先從小電壓脈沖開始,隨后連續(xù)增加直到獲得足夠多的數(shù)據(jù)點,以作出完整 的 I-V 曲線。 通常測試脈沖的幅度會加大到使 DUT 徹底損傷為止, 作而獲得其精確的允許最 大脈沖電流?？偟膩砜? ESD 保護元件的 TLP 測試方法優(yōu)勢突出,不僅可以確認屏幕截圖數(shù)據(jù),還可用于 解析 ESD 保護元件的基礎(chǔ)參數(shù),非常適用于對不同保護元件進行對比。圖 4 不同 ESD 保護元件的 TLP 測試 I-V 曲線。結(jié)合 ESD 脈沖測試和 TLP 測試,我們可以得出結(jié)論,在不同 ESD 保護元件中, TVS 元件, 特別是安森美半導(dǎo)體