【測(cè)試解讀】ESD保護(hù)設(shè)計(jì)中的傳輸線脈沖TLP，怎么測(cè)？

隨著電子器件在汽車和其他產(chǎn)品上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛（智能化），芯片的集成度也越來(lái)越高、體形也越來(lái)越小、研發(fā)的難度也越來(lái)越高，這些器件通常具有線間距短、線細(xì)、集成度高、運(yùn)算速度快、功耗低和高輸入阻抗的特點(diǎn)，這也導(dǎo)致了這類器件對(duì)靜電的要求越來(lái)越高。其中涉及到的標(biāo)準(zhǔn)為：ESD SP5.5.1-2004、ISO7637-2、GB/T.21437.2、ECER10.05 6.9、IEC62615:2010。

其中在很多器件的ESD性能，都會(huì)使用TLP 測(cè)試，除了使用標(biāo)準(zhǔn)的TLP脈沖發(fā)生器之外，還需要使用示波器對(duì)其脈沖進(jìn)行測(cè)量。

TLP測(cè)試

TLP（Transmission Line Pulse）測(cè)試又稱為傳輸線脈沖測(cè)試，是對(duì)靜電防護(hù)半導(dǎo)體器件進(jìn)行描述的一種常用方法。1985年由Maloney等人就提出的ESD模擬方法，與傳統(tǒng)的HBM、MM、CDM、IEC模型不同，傳輸線脈沖發(fā)生器發(fā)出的是靜電模擬方波，而傳統(tǒng)模式發(fā)出的則是RC-LC模式的脈沖波形。

對(duì)于其他（CDM、HBM、MM等）的靜電模型，在相同損傷能量下，TLP與各種靜電模型均有近似的等效關(guān)系，同時(shí)考慮到上升沿的觸發(fā)效應(yīng)，因此，一般會(huì)使用相近的脈寬和上升沿進(jìn)行等效，通過(guò)進(jìn)一步的影響評(píng)估，即可確認(rèn)合適的不同模型靜電等效方波，通過(guò)方波測(cè)出上述曲線，即可用于該靜電模型下的ESD防護(hù)設(shè)計(jì)仿真，利用測(cè)試波形結(jié)果中的開啟-關(guān)斷特性，即可知道器件在相應(yīng)模型下的響應(yīng)情況。而對(duì)于IEC、火花放電等兩/三階段模型則需要通過(guò)分階段（如超快階段和普通階段）進(jìn)行測(cè)試分析。

TLP的特點(diǎn)

• 不模擬真實(shí)靜電放電
• 記錄被測(cè)的故障等級(jí)和特性
• Characterization/表征測(cè)試

換言之，TLP設(shè)備可模擬各種形式的ESD脈沖，在靜電損傷和上升沿觸發(fā)兩方面都可以提供近似的模擬，因此，也可以認(rèn)為兩者是一致的。而在這種近似認(rèn)同下，則TLP可以提供ESD過(guò)程中的IV、IT、VT三種不同的關(guān)鍵曲線，而這種曲線是其它模型所不能提供的。

需要注意的是：TLP脈沖式方波，與真實(shí)情況有一定的出入，雖然可以近似模擬，但總是會(huì)有一定的差別，完全采信TLP結(jié)果，可能會(huì)導(dǎo)致考核值與其它廠家的設(shè)備有一定的差異，更有甚者，由于芯片的電荷存儲(chǔ)效應(yīng)，不同廠家的ESD測(cè)試設(shè)備之間測(cè)試結(jié)果也有一定的差異；此外，TLP系統(tǒng)是超快脈沖，輕微的寄生即可導(dǎo)致波形畸變，多通道的TLP系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)上難度較大，因此，替換常規(guī)ESD測(cè)試設(shè)備的可行性較弱。

測(cè)試

利用傳輸線產(chǎn)生的矩形短脈沖來(lái)測(cè)量ESD保護(hù)元件的電流-電壓特性曲線的方法，通過(guò)將懸空電纜充電至預(yù)定電壓并將其放電至被測(cè)器件（DUT）來(lái)生成方波。通過(guò)改變電纜長(zhǎng)度和濾波器特性，很容易改變脈沖寬度和上升時(shí)間。

充電電壓源（VHV）提供額定能量，給傳輸線（TL）充電，產(chǎn)生一個(gè)窄方波（75ns~200ns）當(dāng)開關(guān)S閉合時(shí)，被測(cè)器件（DUT）接入傳輸線路，產(chǎn)生的窄方波被作用到DUT的保護(hù)結(jié)構(gòu)上。通過(guò)示波器獲取的測(cè)量值，再根據(jù)運(yùn)算得到DUT兩端的電壓和電流值。

其中，我們會(huì)使用TLP發(fā)生器產(chǎn)生相關(guān)的脈沖信號(hào)，使用示波器對(duì)DUT的電壓電流進(jìn)行監(jiān)控測(cè)試，測(cè)試配置參考下圖。由于脈沖信號(hào)的脈寬非常窄，同時(shí)信號(hào)上升時(shí)間為ns級(jí)，所以我們需要配置合適的示波器和相應(yīng)的探頭進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)IEC61000-4-2給出的說(shuō)明，這里我們需要配置1GHz測(cè)量帶寬的示波器和探頭。

而對(duì)于VF-TLP測(cè)試對(duì)信號(hào)的要求更高，此時(shí)我們需要配置衰減器，高帶寬的短電纜，和高帶寬的示波器去完成相應(yīng)的測(cè)試，測(cè)試儀器的帶寬甚至要求達(dá)到20GHz左右。

以下是各個(gè)ESD模型的經(jīng)驗(yàn)對(duì)比值，當(dāng)然這個(gè)經(jīng)驗(yàn)值有時(shí)是值得商榷的。

TLP的It2*1500Ω=HBM值

MM*(9~10)=HBM

IEC+(1.3k~2k)=HBM

具體的測(cè)試步驟可以參考以下說(shuō)明：

1. 使用TLP pulser發(fā)出脈沖，使用示波器和對(duì)應(yīng)的探頭、測(cè)試線纜、衰減器等測(cè)試DUT端對(duì)應(yīng)的電壓電流，描繪響應(yīng)的曲線。TLP Pulser打出指定電壓V1的脈沖，示波器記錄下電流I1。

2. 將測(cè)試線纜切換到SMU上測(cè)試DUT對(duì)應(yīng)的漏電流。利用IFIM（Force I Measure I）功能，F(xiàn)orce電流I1，測(cè)量得到Leakage1。

3. 重復(fù)上述步驟，描繪對(duì)應(yīng)的曲線，直至得到漏電流偏折點(diǎn)。

小結(jié)

綜上所述，在TLP測(cè)試時(shí)，我們需要配置TLP的脈沖發(fā)生器去生成對(duì)應(yīng)的脈沖，而測(cè)試設(shè)備我們根據(jù)實(shí)際需求去進(jìn)行搭配，里面會(huì)使用到的設(shè)備有：

a）Tektronix示波器，推薦使用MSO5/6示波器

b）對(duì)應(yīng)的測(cè)試探頭或者衰減器和測(cè)試線纜等（以上設(shè)備用于測(cè)試DUT上加載的脈沖信號(hào)的電壓電流，對(duì)應(yīng)的帶寬采樣率需求根據(jù)TLP測(cè)試加載的脈沖信號(hào)選擇，>1GHz帶寬，3GS/s以上的采樣率，測(cè)試?yán)L制對(duì)應(yīng)的IV曲線）

c）Keithley的儀器，SMU和6485測(cè)試設(shè)備：SMU為測(cè)試提供偏置電壓，加載電流；漏流測(cè)試根據(jù)信號(hào)大小，推薦選擇2450或者6485等測(cè)試設(shè)備

3月27日蘇州站研討會(huì)，現(xiàn)場(chǎng)了解更多關(guān)于芯片測(cè)試的詳細(xì)解讀，掃碼預(yù)約報(bào)名。