利用TLP進(jìn)行ESD保護(hù)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(hù)元件應(yīng)該保持在不動(dòng)作狀態(tài)，同時(shí)不會(huì)對(duì)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?jǐn)?shù)據(jù)完整性的低電容值來達(dá)成。而在ESD 應(yīng)力沖擊或者說大電流沖擊條件下，ESD保護(hù)元件的第一個(gè)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(hù)點(diǎn)的電壓；其次，必須能夠快速動(dòng)作，這樣才能使上升時(shí)間低于納秒的ESD 沖擊上升時(shí)間。眾所周知，對(duì)于電子系統(tǒng)而言，它必須能夠在IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)測試條件下存續(xù)。雖然大部分的ESD 保護(hù)元件都宣稱能夠承受IEC61000-4-2 所指定的應(yīng)力沖擊等級(jí)，如8 kV 或第四級(jí)(Class 4)，但業(yè)界卻沒有公認(rèn)的ESD 保護(hù)元件大電流抑制特性測試的合格標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)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(hù)元件的大電流抑制特性，還需要對(duì)其進(jìn)行測試鑒定。而通過對(duì)不同ESD 保護(hù)元件施加大電流沖擊所產(chǎn)生的波形的屏幕截圖對(duì)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)力沖擊測試下的輸出波形對(duì)比。圖 2 的屏幕截圖就是這樣一個(gè)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(shí)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(huì)立即擊穿，然后關(guān)閉，對(duì)器件沒有損傷，因此可以說沒有壽命限制。對(duì)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 事件，材料就會(huì)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(dá)到更好的吸收效果，就要使用更多的材料，使其體積增加，進(jìn)而限制了在今天小型化產(chǎn)品當(dāng)中的應(yīng)用。

有鑒于此，安森美半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)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(gè)比方，也就是在ESD 保護(hù)方面，壓敏電阻保護(hù)施展的是“少林功夫”，用“身體(壓敏電阻)”去硬扛，會(huì)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(duì)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TVS 元件的漏電流小于0.1 μA，而壓敏電阻在少于20 個(gè)ESD 脈沖下漏電流就會(huì)超過100 μA。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(huì)隨之下降，聚合物也面臨著跟壓敏電阻類似的問題。

圖3 時(shí)域反射(TDR) TLP 測試的結(jié)構(gòu)示意圖。

不過，用示波器對(duì)不同保護(hù)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(jìn)行屏幕截圖對(duì)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(duì)這些參數(shù)的分析可以找到電路設(shè)計(jì)和工藝的弱點(diǎn)。

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(50~200 ns)來測量ESD 保護(hù)元件的電流-電壓特性曲線的方法。這個(gè)短脈沖用來模擬作用于保護(hù)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(gè)引腳之間進(jìn)行測試。TLP 測試前要先對(duì)電路中的傳輸線路充電，測試時(shí)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(diǎn)，以作出完整的I-V 曲線。通常測試脈沖的幅度會(huì)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。

總的來看，ESD 保護(hù)元件的TLP 測試方法優(yōu)勢突出，不僅可以確認(rèn)屏幕截圖數(shù)據(jù)，還可用于解析ESD 保護(hù)元件的基礎(chǔ)參數(shù)，非常適用于對(duì)不同保護(hù)元件進(jìn)行對(duì)比。

圖4 不同ESD 保護(hù)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(hù)元件中，TVS元件，特別是安森美半導(dǎo)體的TVS 元件的大電流導(dǎo)電率極佳，且在重復(fù)應(yīng)力條件下仍能維持優(yōu)異性能，不存在壓敏電阻或聚合物那樣的使用增多后會(huì)出現(xiàn)性能下降的問題；至于其在電容方面的不足，也隨著新的低電容設(shè)計(jì)的出現(xiàn)，而消除了早前的大電容問題。