利用TLP進(jìn)行ESD保護元件的大電流性能鑒定

Ashton 博士說(shuō)在正常工作條件下，ESD 保護元件應該保持在不動(dòng)作狀態(tài)，同時(shí)不會(huì )對電子系統的功能造成任何影響，這可以通過(guò)維持低電流以及足以在特定數據傳輸速率下維持數據完整性的低電容值來(lái)達成。而在ESD 應力沖擊或者說(shuō)大電流沖擊條件下，ESD保護元件的第一個(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，對于電子系統而言，它必須能夠在IEC 61000-4-2 標準測試條件下存續。雖然大部分的ESD 保護元件都宣稱(chēng)能夠承受IEC61000-4-2 所指定的應力沖擊等級，如8 kV 或第四級(Class 4)，但業(yè)界卻沒(méi)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，安森美半導體給出了自己的定義，也就是在±10 kV 應力電壓(高于8 kV)測試下，被測器件仍然符合其數據表規范，且器件特性沒(méi)有顯著(zhù)變化。不過(guò)，要比較不同ESD 保護元件的大電流抑制特性，還需要對其進(jìn)行測試鑒定。而通過(guò)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 應力沖擊測試下的輸出波形對比。圖 2 的屏幕截圖就是這樣一個(gè)范例。從圖中可以看出，安森美半導體的TVS 元件可以迅速將ESD 應力降低，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(xiàn)則下降得很慢，而且無(wú)法降到很低的水平。該曲線(xiàn)表明，TVS 器件的恢復時(shí)間非常短，經(jīng)過(guò)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備的應用。而在多重應力條件下，兩者的差別就表現得更為突出。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，對器件沒(méi)有損傷，因此可以說(shuō)沒(méi)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(guò)一次ESD 事件，材料就會(huì )受到一定的物理?yè)p傷，形成無(wú)法恢復的漏電通道；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(jìn)而限制了在今天小型化產(chǎn)品當中的應用。

有鑒于此，安森美半導體標準產(chǎn)品部亞太區市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)副總裁麥滿(mǎn)權先生打了一個(gè)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(huì )讓自己“很受傷”，而TVS 耍的是“太極拳”，在ESD 應力沖擊IC 之前，就將沖擊力給“引導開(kāi)”或“消減掉”。

兩相對比，其結果是在施加1,000 次8kV IEC 61000-4-2 ESD 脈沖條件下，安森美半導體的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(guò)100 μA。由此可見(jiàn)，在重復ESD 應力作用下，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(zhù)跟壓敏電阻類(lèi)似的問(wèn)題。

圖3 時(shí)域反射(TDR) TLP 測試的結構示意圖。

不過(guò)，用示波器對不同保護元件在ESD 應力沖擊測試下的大電流抑制特性或者說(shuō)是I-V 曲線(xiàn)進(jìn)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參數，而通過(guò)對這些參數的分析可以找到電路設計和工藝的弱點(diǎn)。

在這種情況下，采用傳輸線(xiàn)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(lái)測量ESD 保護元件的電流-電壓特性曲線(xiàn)的方法。這個(gè)短脈沖用來(lái)模擬作用于保護元件的短ESD 脈沖，而恒定阻抗的傳輸線(xiàn)路可以生成恒定幅度的方波。

TLP 測試通過(guò)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 測試前要先對電路中的傳輸線(xiàn)路充電，測試時(shí)將被測器件接入，傳輸線(xiàn)路通過(guò)被測器件放電。改變電路和輸入電壓和傳輸線(xiàn)路的長(cháng)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(kāi)始，隨后連續增加直到獲得足夠多的數據點(diǎn)，以作出完整的I-V 曲線(xiàn)。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(lái)看，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據，還可用于解析ESD 保護元件的基礎參數，非常適用于對不同保護元件進(jìn)行對比。

圖4 不同ESD 保護元件的TLP 測試I-V 曲線(xiàn)。

結合 ESD 脈沖測試和TLP 測試，我們可以得出結論，在不同ESD 保護元件中，TVS元件，特別是安森美半導體的TVS 元件的大電流導電率極佳，且在重復應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 )出現性能下降的問(wèn)題；至于其在電容方面的不足，也隨著(zhù)新的低電容設計的出現，而消除了早前的大電容問(wèn)題。