下载PDF – ESD防护器件HMM和TLP测试方法及性能评价
摘 要：人体–金属模型波形（HMM）和传输线脉冲（TLP）波形是静电放电防护器件测试时常用的注入波形。 针对静电放电(ESD)防护器件，介绍了这 2 种波形的测试方法。通过对同一型号瞬态电压抑制器进行测量，获取器件的瞬态波形、钳位电压、损伤阈值、瞬态阻抗等特性参数，并对结果进行分析比较。测试结果表明，基于 IEC 标准的 HMM测试所能得到的有效信息最少；基于 TLP 的 HMM 测试可直观得到被测器件的静电放电瞬态响应； TLP 矩形波测试结果的稳定性好，测量参数的可重复性高。
关键词：ESD 防护器件；瞬态电压抑制器；人体金属模型；传输线脉冲测试；IEC61000-4-2
0 引言
随着电子产品大规模和超大规模集成电路的发展，以及产品体积空间的缩小，电子设备的静电 防护技术面临着越来越大的挑战。在电子线路防静电设计时选择合适的静电放电防护器件，可以有效提高电子系统和产品的静电放电（ESD）抗扰度[1-5]。 对 ESD 防护器件性能进行检测和评价是选择器件 的重要方法。
目前，对 ESD 防护器件性能的测试方法中，应用较多的有人体金属模型（HMM）测试、传输线 脉冲（TLP）测试、人体模型（HBM）测试、直流 （DC）测试等。上述测试方法中，直流测试的结果 反映了器件的直流特性，而实际的静电放电是高电压、大电流的瞬态脉冲，直流测试难以反映 ESD 防护器件的 ESD 防护特性。ANSI-STM5.1[6]等标准规 定了 HBM 波形的元件级 ESD 敏感度测试方法，但 由于规定中 HBM 测试波形的上升沿时间在 2~10 ns 之间，以 HBM 波形测试器件的 ESD 性能，并不能很好地表征快上升沿（<1 ns）ESD 事件中器件的抗 扰度。此外，不同的测试仪所产生的 HBM 波形相 差较大，HBM 测试方法存在较多问题[7]。
IEC61000-4-2 标准[8]所规定的 HMM 波形是静 电放电测试的一种标准波形，通常用于检测电子设 备的系统级静电放电抗扰度。由于测试标准提出较 早，HMM 波形的接受度高，目前许多器件生产商 进行元件级静电放电抗扰度测试时，会采用 HMM 波形作为测试源波形。传输线脉冲测试是元件级静 电放电抗扰度研究中使用较多的测试方法[9-13]。自 1985 年英特尔的工程师首次利用传输线测试技术 来测量器件的静电放电特性后，越来越多的工程师 和学者开始使用 TLP 技术来测量 ESD 保护器件和三极管等半导体器件的 ESD 特性[14-17]。
对同一器件，不同测试方法得到的结论可能不同。在静电放电保护器件的测试中，如何根据实际 情况和测试需求恰当地选择测试方法，如何有效评 价保护器件的性能，如何根据测试结果选择合适的 ESD 保护器件，依旧是研究人员需要探讨的问题。
本文对 2 种常用的测试波形：HMM 波形和 TLP 波形所对应的 ESD 防护器件的检测方法进行了说 明。通过对同一型号瞬态电压抑制器进行测试，对 比 2 种检测波形的测试结果，分析了不同方法在评估 ESD 防护器件性能方面各自的优缺点。
1 测试方法及设置
HMM 波形的测试方法有 2 种：基于 IEC61000-4-2 的 HMM 测试和基于50 Ω 的 HMM 测 试[12]。这 2 种测试所采用的波形模块电路结构不同， 相同点在于当被测器件（DUT）为 2 Ω 电阻时，电流探头所测的 DUT 端的电流波形都符合 IEC61000-4-2 标准中规定的 HMM 波形参数。
基于 50 Ω 的 HMM 测试和 TLP 测试的测试方 法相同，而波形发生模块不同。基于 50 Ω 的 HMM 波形发生模块为电容和电阻等元件组成的电路模 块，TLP 的波形发生模块的基本单元为传输线。
IEC61000-4-2 标准中规定了静电放电模拟器在 接触式放电时的 HMM 电流波形参数。在基于 IEC61000-4-2 的 HMM 测试中，测试人员首先设定 静电发生器的放电电压，然后采用人手持发生器放 电的方式，使放电尖端接触被测器件管脚，在同一电压下对被测器件连续注入多次放电脉冲（例如， 100 次）。放电过程结束后，通过检测器件的电特性来确定器件是否在放电过程中受到损伤[17]。
本文进行基于 50 Ω 的 HMM 测试和 TLP 测试时，脉冲波形发生器使用 ESDEMC 公司生产的 ES620–50 脉冲发生器，发生器载有 HMM 波形模块 和 TLP 波形模块。
使用这2种测试方法对元件级的ESD测试结构 如图 1 所示。通过控制波形发生模块的充放电过程， 脉冲发生器产生并向 DUT 注入脉冲波形，测试系 统中所有连接电缆的特性阻抗均为 50 Ω。DUT 端口电压和流经 DUT 的电流通过电压和电流探头连接示波器进行测量。
每一个脉冲注入后，通过转换开关的控制，使 DUT 连接到电源测量单元（SMU）。SMU向 DUT 加载直流偏置电压，检测 DUT 上的直流漏电流， 通过漏电流的变化来判断脉冲注入是否引起了 DUT 的损伤或损坏。
基于 50 Ω 的 HMM 测试中，逐步增大 HMM 波形发生模块的充电电压。模块的充电电压范围为 50~1 225 V，电压测量步长为 25 V。每次 HMM 波形注入后，SMU 对器件加载±1 V 的直流偏置电压， 测量对应的直流漏电流。
TLP 测试中，TLP 波形发生模块的充电电压范 围为 1~1 000 V。1~50 V 范围内电压测量步长为 1 V，通过较密集的测试点得到准确的器件开启电 压。50~1 000 V 范围内电压测量步长为 20 V，适当 增大步长可高效地测量被测器件。每次 TLP 波形注 入后，SMU 对器件加载±1 V 的直流偏置电压，测量对应的直流漏电流。使用的 TLP 脉冲的上升沿时 间约为 1 ns。选用脉冲宽度为 50、100、200 ns 的 TLP 脉冲波形对被测器件进行测试，以得到方波脉 冲宽度对测量结果的影响。
测试所用的示波器带宽为 1 GHz，最大采样频 率为 10 GHz。电压探头测量带宽为 1 GHz，电流 探头为 CT2 型号电流探头，有效测量带宽为 200 MHz。本文测试的 DUT 为某型号 TVS。
根据上述的测试方法，对同一型号的 TVS 器件 进行了测试，获取不同测试方法下器件的瞬态响应、 伏安特性曲线和损伤阈值。
根据 HMM 测试后器件的电特性检测结果，当 静电放电模拟器的充电电压设置为 10 kV 时，测试后的器件阻抗由 1010级降低至 106级。因此，器件 在基于 IEC61000-4-2 的 HMM 测量中的损伤阈值电压等级为 10 kV。
该测试方法没有测量器件的瞬态响应波形。
图 2 为 3个不同等级的充电电压（500 V, 1 000 V，1 500 V）下，TVS 瞬态电流和电压波形。
从图 2 中可以看出，TVS 的瞬态电流波形形状 与 IEC61000-4-2 标准所规定的 HMM 电流波形形状 类似，第 2个峰值后，电流随脉冲时间的增加而逐步降低，200 ns 后基本为 0。瞬态电压波形呈现出明显的钳位现象。从电压波形图中可看出，器件的 开启电压为 10 V。当器件两端电压降至 10 V 以下， 器件不再导通，电压波形在 10 V 处出现明显的下降拐点。
测试中，TLP 脉冲宽度分别设置为 50、100、 200 ns，其中 100 ns 为工业界常用的 TLP 测试脉冲 宽度。图 3 为 100 ns TLP 测试中，TLP 源电压为 500 V 时的 TVS 瞬态波形图。
由于过冲的峰值相对于稳态电压的值很大，为 准确获取伏安曲线，测量时将脉冲峰值进行了消减 处理。电压波形的过冲可能来自于测试系统中电压采样的感抗影响，也可能来自 TVS 在未触发时自身的高阻过电压。
100 ns 的脉冲后，电压波形出现振荡，这是因 为脉冲发生系统的阻抗为 50 Ω，而被测器件导通后阻抗较小，约为 2 Ω 甚至更低，导致整个测试系统 的阻抗不匹配引起的反射。50 ns 和 200 ns 的瞬态波形与图 3 所示类似。
按照 TLP 测试的常用方法，取脉冲宽度 70%~90%时间段内的瞬态波形数据做平均，每施加 一个脉冲，获得一个坐标点，绘制伏安曲线，不同 脉冲宽度对应的正极性漏电流为图中的虚线，结果 如图 4 所示。
图 4 中，3 种脉冲宽度下，漏电流曲线都发生了偏折，偏折拐点的位置出现明显差异，脉冲宽度 越长，拐点对应的电流值越小。这说明被测器件的 损伤与所注入的脉冲能量有关，注入能量越大，器件出现失效的等级越低。
由伏安曲线可知，该 TVS 的开启电压为 10 V。 对比 3 种脉宽的测试结果可知，虽然伏安曲线所选伏安曲线出现了差异，这种差异性随着电压的增大越来越明显。
根据 TLP 的测试结果，还可绘制脉冲电压（U）， 脉冲时间（T）与受试器件瞬态阻抗（R）间的 VTR 3D 关系图，如图 5 所示。由于其类似瀑布的形状， 所以也称之为瀑布图。从图 5 中可清晰的看出器件阻抗随时间和脉冲电压的变化情况。
下文从测试方法和测试结果 2个方面对 3 种测 量进行比较。比较的测试结果包括：损伤阈值、瞬态波形、伏安曲线、瞬态阻抗等。
基于 IEC61000-4-2 标准的 HMM 测试方法由于 采用手持静电枪的方式对器件注入放电波形，因此 测试结果受到静电枪接地电缆的摆放位置、人手持姿势、静电枪与被测器件之间角度位置等测试环境的影响。这些环境因素可能造成测试结果的差异性。 IEC61000-4-2 标准对放电电流波形的规定允许存在 30%的误差，细则并不完善[18-20]，不同放电枪的放 电波形存在差异，这是导致测试结果存在差异性的重要原因。由于认为静电放电发生器能够较好地还原真实的静电放电事件，因此，这种测试方法能够 获得被测器件在真实静电放电中的损伤电压阈值。
基于 50 Ω 的 HMM 测试和 TLP 测试使用的测 试系统与测试方法相同，激励源波形不同。相比基 于 IEC61000-4-2 标准的 HMM 测试方法而言，该测 试系统的测试可重复性高，受测试环境的影响小， 可以提供可靠稳定的测试结果。当 DUT 不为 2 Ω 电阻时，基于 50 Ω 的 HMM 电流波形与基于 IEC 的 HMM 电流波形可能存在较大差异，测试结果也 可能不同。文献[21]对 HMM 波形的 2 种测试方法进行了深入的分析与比较。
表 1 统计了 3 种测试方法测试同一型号 TVS 器 件得到的电压和电流阈值。从表 1 中可以看出，基 于 IEC 的 HMM 测试得到的为放电枪的充电电压与器件损伤的关系，而基于 TLP 的 HMM 和 TLP 测试能够得到器件损伤时的端口电压和通过器件的电流，因此后 2 种测试方法能更直接地表征器件本身 的 ESD 敏感度特性。
基于 IEC61000-4-2 标准的 HMM 测试没有测量 波形。对比图 2 和图 3 可以看出，基于 50 Ω 的 HMM测试和 TLP 测试的瞬态波形有很大的差别。
由于 TLP 测试中的脉冲是理想方波波形，所以 瞬态波形的任何变化都来自于被测器件。
从基于 50 Ω 的 HMM 测试获得的瞬态电压波 形中，可直接读出器件的钳位电压值，还可以得到 器件在类似实际 ESD 事件中的瞬态响应波形。比较 不同源电压等级下的瞬态电压波形还可以判断器件的钳位电压与测试源电压的关系。然而，由于 HMM 波形是随时间不断变化的，所以不能判断瞬态波形 的变化是源波形的变化，还是由被测器件引起的。
比较后 2 种测试方法所得的伏安曲线（图 6） 可以看出，2种方法测量的TVS开启电压都为10 V， 且当器件的端电压
<20 V 时，各测试波形的伏安曲 线基本重合。不同之处主要在于高电压段的伏安曲 线，这是由于不同的源波形在同样电压时对器件注 入的能量是不同的，说明本文所选择测量的 TVS 器 件瞬态阻抗与注入功率（能量）有关。>
由瞬态电压、电流波形计算被测器件瞬态阻抗 –时间的波形图，得到器件的瞬态阻抗特性，可以帮 助工程师在设计 ESD 防护电路时选择合适的防护 器件。当发生静电放电时，ESD 防护器件为静电电流的主要泄放通路，因此防护器件阻抗需要在短时 间内降低到一定值。从图 6 中 2 种脉宽的 TLP 所得 的瞬态阻抗波形中可以看出，器件阻抗在 1 ns 内迅速减小至 2 Ω。100 ns TLP 和 200 ns TLP 的波形重 合，说明瞬态阻抗不受 TLP 脉冲宽度的影响。基于 50 Ω的HMM测试所得的瞬态阻抗随时间在不断变 化，并不稳定，这是由于 HMM 的电压和电流值随 时间不断变化造成的。100 ns 之后的阻抗振荡很大， 是因为放电电流减小到示波器的噪声等级，测量结果不再准确。
4）ESD 保护器件对 ESD 的防护性能可以通过：开启电压、钳位电压、损伤电流和电压阈值、瞬态阻抗等方面来进行评价。3 种测试方法所获取的损 伤阈值和伏安曲线存在差异性，这是因为本文所测 的 TVS 器件的损伤是热击穿引起的，不同测试条件下对器件所注入的总能量不同。
