刘蕊

【摘 要】随着电子产品的发展，ESD引发的问题越来越引起重视。TLP作为一种研究时域ESD事件下的集成电路技术和电路行为的方法，被广泛应用到终端产品防护性能设计、模块或集成电路芯片的防护性能研究中。本文通过介绍TLP的基本原理提出一种新的测试方法解决了如何通过TLP测试方法进行干扰噪声注入来评估系统的ESD软失效问题，该方法在手机类产品测试中非常有效。

【关键词】ESD；TLP；测试方法；系统软失效

0 引言

随着消费类终端手持式产品日益增多、结构更加复杂，且半导体工艺缩小及更小的SMT封装、更低的电压等级、更低的电容值及更低的电流等级等，所面临的ESD（Electro-Static Discharge， 静电放电）挑战日趋严重。

静电是一种客观存在的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦、电器间感应等。静电的特点是长时间积聚、高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。当两个物体接触时，其中一个趋从于另一个吸引电子，因而二者会形成不同的充电电位。人体自身的动作或与其他物体的接触，分离，摩擦或感应等因素，可以产生几千伏甚至上万伏的静电。ESD对于电路引起的干扰、对元器件、CMOS电路及接口电路造成的破坏等问题越来越引起人们的重视。电子设备的ESD很早就作为电磁兼容性测试的一项重要内容被写入国家标准和国际标准。

传输线脉冲TLP（Transmission Line Pulse）测试是通过将产生的高压脉冲注入到DUT（待测器件），并测量DUT在时域的电流电压波形来研究或评估集成电路ESD防护性能的一种方法。本文重点介绍TLP的基本原理以及如何通过TLP测试方法进行干扰噪声注入来评估系统的ESD软失效问题。

1 TLP测试技术

TLP 测试之前首先对电路中的一段传输线充电，然后将被测器件接入，充电后的传输线通过被测器件放电。改变电路的输入电压和传输线路的长度可以模拟不同能量的ESD 脉冲，从而得到器件的ESD 大电流抑制能力。TLP 测试先从小电压脉冲开始，随后连续增加直到获得足够多的数据点，以作出完整的I-V 曲线。通常测试脉冲的幅度会加大到使DUT 彻底损伤为止，作而获得其精确的允许最大脉冲电流，如图1所示。

TLP测试技术或方法同时适用于系统级ESD（标准IEC61000-4-2）以及集成电路级的HBM ESD（标准ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2010）。TLP通常被用于评估ESD的硬失效，即增加脉冲电压的幅值直到DUT损坏。应用场景如下：

●评估ESD保护器件性能（比较动态阻抗Rdyn和钳位速度）；

●评估设备和模块的ESD失效等级；

●当需要不同的脉冲形状（TLP， HMM， HBM …），脉冲宽度，上升时间或者不同的电流注入等级（40A， 90A， 160A …）时，可使用TLP测试；

●评估安全工作区域；

●触摸板的击穿和熔断敏感度等。

3 TLP测试ESD软失效方法

本文采用一种新的TLP测试方法，主要用来评估或定位整改ESD软失效问题。以手机产品的ESD为例，对金属外壳或USB连接器空气放电+-8KV，手机自动重启。

金属外壳或USB连接器通常和PCB的地连接在一起，即当ESD放电到系统地是便会引起失效。尝试在中断或复位信号加电容或ESD保护器件瞬态抑制二极管TVS（Transient Voltage Suppressor）均为有改善。最终采用TLP测试系统从PCB板上注入不同类型的干扰脉冲来定位并查找板子上的ESD敏感区域或走线。

不同于硬件失效评估时DUT关机状态，ESD软失效的评估是在DUT开机时进行的。如果将TLP系统直接连接到PCB，其寄生参数往往会影响到DUT本身的正常工作，于是我们采用串接器件的方法注入脉冲干扰信号。常用的串接器件为电阻、电容或TVS，往往根据脉冲注入点的信号属性来决定。其主要区别为：电阻串联对波形改变不大，主要影响幅值；电容串接情况下只有尖端快速脉冲可以通过，尤其适用于高速脉冲信号所引起的系统失效；而TVS串接情况下，第一个尖脉冲会被TVS吸收，只有宽脉冲信号可以通过。TLP测试系统选用的是德国HPPI公司的3010C，系统框图见图2。

测试方法如下：

（1）首先将手机板上电，一切功能正常以后，然后逐个将TLP输出波形注入到PCB上。

（2）将TLP的波形直接注入或者串接电阻分别注入到PCB TOP & Bottom层的各个地，电压从低到高，定位是否存在敏感的地区域。（或结合信号完整性工具，通过谐振仿真分析潜在的热点，然后对热点进行重点分析、脉冲波形注入）

（3）将TLP的波形分别串接电容或TVS，对各个电源线脉冲注入，如VDD_CORE， VDD_DDR， VDD_REG， AVDD， VCHARGE等等，定位寻找敏感的电源线。

（4）将TLP的波形分别串接电容或TVS，对重点或敏感信号线进行脉冲注入，如RESET， INTERRUPT， CLK&DATA等等，定位寻找敏感的电源线。

（5）将以上测试结果分析总结，以本测试手机为例，最终发现JTAG_RST和VDD_DDR两个电源或信号线最为敏感，最终解决办法为在JTAG_RST上加1nF电容，并优化VDD_DDR的电源拓扑结构。

3 小结

TLP测试方法的优点有很多，如：波形简单且稳定、易于重复产生；脉冲的宽度以及幅度可任意调节，可适用于不同情况下的ESD评估；可同时监测DUT的電压、电流以及漏电流等实用信息；还可用于器件的建模并仿真。本应用中，除了TLP的基本优点以外还成功的将TLP应用到系统上电情况下的ESD系统软失效问题，对解决电子产品中遇到的实际ESD问题帮助非常大。

【参考文献】

[1]Joost Willemen， David Johnsson， Yiqun Cao， Matthias Stecher， “A TLP-based characterization method for transient gate biasing of MOS devices in high-voltage technologies”，Electrical Overstress/ Electrostatic Discharge Symposium （EOS/ESD）， 2010 32nd.

[2]D. Pogany ，D. Johnsson，S. Bychikhi，K. Esmark， P. Rodin，M. Stecher， E. Gornik， H. Gossner， “Measuring Holding Voltage Related to Homogeneous Current Flow in Wide ESD Protection Structures Using Multilevel TLP”，IEEE Transactions on Electron Devices （ Volume： 58， Issue：2， Feb.2011）.

[3]David Johnsson， Harald Gossner，“Study of system ESD codesign of a realistic mobile board”，Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium （EOS/ESD）， 2011 33rd.

[4]Benjamin Orr，David Johnsson， Krzysztof Domanski， Harald Gossner， David Pommerenke， “A passive coupling circuit for injecting TLP-like stress pulses into only one end of a driver/receiver system”， Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium （EOS/ESD）， 2015 37th.

[責任编辑：朱丽娜]