如何測試ESD保護設計中的傳輸線脈沖TLP

隨著電子器件在汽車和其他產品上的應用越來越廣泛（智能化），芯片的集成度也越來越高、體形也越來越小、研發的難度也越來越高，這些器件通常具有線間距短、線細、集成度高、運算速度快、功耗低和高輸入阻抗的特點，這也導致了這類器件對靜電的要求越來越高。其中涉及到的標準為：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，都會使用TLP 測試，除了使用標準的TLP脈沖發生器之外，還需要使用示波器對其脈沖進行測量。

TLP測試

TLP（Transmission Line Pulse）測試又稱為傳輸線脈沖測試，是對靜電防護半導體器件進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，與傳統的HBM、MM、CDM、IEC模型不同，傳輸線脈沖發生器發出的是靜電模擬方波，而傳統模式發出的則是RC-LC模式的脈沖波形。

對于其他（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系，同時考慮到上升沿的觸發效應，因此，一般會使用相近的脈寬和上升沿進行等效，通過進一步的影響評估，即可確認合適的不同模型靜電等效方波，通過方波測出上述曲線，即可用于該靜電模型下的ESD防護設計仿真，利用測試波形結果中的開啟-關斷特性，即可知道器件在相應模型下的響應情況。而對于IEC、火花放電等兩/三階段模型則需要通過分階段（如超快階段和普通階段）進行測試分析。

TLP的特點

?   不模擬真實靜電放電

?   記錄被測的故障等級和特性

?   Characterization/表征測試

換言之，TLP設備可模擬各種形式的ESD脈沖，在靜電損傷和上升沿觸發兩方面都可以提供近似的模擬，因此，也可以認為兩者是一致的。而在這種近似認同下，則TLP可以提供ESD過程中的IV、IT、VT三種不同的關鍵曲線，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，與真實情況有一定的出入，雖然可以近似模擬，但總是會有一定的差別，完全采信TLP結果，可能會導致考核值與其它廠家的設備有一定的差異，更有甚者，由于芯片的電荷存儲效應，不同廠家的ESD測試設備之間測試結果也有一定的差異；此外，TLP系統是超快脈沖，輕微的寄生即可導致波形畸變，多通道的TLP系統在實現上難度較大，因此，替換常規ESD測試設備的可行性較弱。

測試

利用傳輸線產生的矩形短脈沖來測量ESD保護元件的電流-電壓特性曲線的方法，通過將懸空電纜充電至預定電壓并將其放電至被測器件（DUT）來生成方波。通過改變電纜長度和濾波器特性，很容易改變脈沖寬度和上升時間。

充電電壓源（VHV）提供額定能量，給傳輸線（TL）充電，產生一個窄方波（75ns~200ns）當開關S閉合時，被測器件（DUT）接入傳輸線路，產生的窄方波被作用到DUT的保護結構上。通過示波器獲取的測量值，再根據運算得到DUT兩端的電壓和電流值。

其中，我們會使用TLP發生器產生相關的脈沖信號，使用示波器對DUT的電壓電流進行監控測試，測試配置參考下圖。由于脈沖信號的脈寬非常窄，同時信號上升時間為ns級，所以我們需要配置合適的示波器和相應的探頭進行測試，根據IEC61000-4-2給出的說明，這里我們需要配置1GHz測量帶寬的示波器和探頭。

而對于VF-TLP測試對信號的要求更高，此時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的測試，測試儀器的帶寬甚至要求達到20GHz左右。

以下是各個ESD模型的經驗對比值，當然這個經驗值有時是值得商榷的。

TLP的It2*1500Ω=HBM值

MM*(9~10)=HBM

IEC+(1.3k~2k)=HBM

具體的測試步驟可以參考以下說明：

1.      使用TLP pulser發出脈沖，使用示波器和對應的探頭、測試線纜、衰減器等測試DUT端對應的電壓電流，描繪響應的曲線。TLP Pulser打出指定電壓V1的脈沖，示波器記錄下電流I1。

2.     將測試線纜切換到SMU上測試DUT對應的漏電流。利用IFIM（Force I Measure I）功能，Force電流I1，測量得到Leakage1。

3.     重復上述步驟，描繪對應的曲線，直至得到漏電流偏折點。

小結

綜上所述，在TLP測試時，我們需要配置TLP的脈沖發生器去生成對應的脈沖，而測試設備我們根據實際需求去進行搭配，里面會使用到的設備有：

a）Tektronix示波器，推薦使用MSO5/6示波器

b）對應的測試探頭或者衰減器和測試線纜等（以上設備用于測試DUT上加載的脈沖信號的電壓電流，對應的帶寬采樣率需求根據TLP測試加載的脈沖信號選擇，>1GHz帶寬，3GS/s以上的采樣率，測試繪制對應的IV曲線）

 c）Keithley的儀器，SMU和6485測試設備：SMU為測試提供偏置電壓，加載電流；漏流測試根據信號大小，推薦選擇2450或者6485等測試設備