回列表

ESD測試: TLP測試的優勢及與HBM, IEC61000-4-2的異同2020/08/10

為什麼要做靜電測試?


       在各研發工程師成功研製出新電子產品之際,到量產之前都需先通過許多的測試項,其中以HBM與IEC61000-4-2的測試規範較廣為人知,而近年也陸續有品牌廠指定進行TLP測試(Transmission Line Pulse Test)。儘管測試方法有所不同,最終的目的都是為了確保電子產品的可靠度。出廠前經過較嚴格ESD測試把關的電子產品,其可以應用的範圍就較為廣泛。不論是處於較潮濕的國家,又或是身在乾燥寒冷容易產生靜電的地區,都不易受到環境的影響而使消費者的體驗上有所不同,如此一來也能增加消費者對品牌的信心。

 
 
HBM(元件)與IEC61000-4-2(系統)

       HBM即為模擬人體對半導體元件的放電情形,放電模式與波形請參考:做好靜電防護的重要性。目前業界IC出廠時大都已經通過HBM的測試。接著到系統組裝完成後則會進行IEC61000-4-2的系統層級ESD測試。IEC61000-4-2的ESD放電RC模型為150pF,330Ω,而HBM則為 100pF,1500Ω。由此可得知IEC61000-4-2的系統級測試擁有較大的充電電容,較小的放電電阻,也因此計算下來其測試電流會比HBM高出5倍左右。這也是即使IC出廠時已經通過HBM測試,到組裝成系統後卻仍需要額外的ESD保護元件(TVS)來協助通過IEC61000-4-2 測試的原因

 
 
TLP測試(Transmission Line Pulse Test)

       TLP測試與HBM及IEC61000-4-2皆是為了模擬ESD放電的情形。相較於ESD Gun測試只能得知是Pass還是Fail的測試結果,TLP測試會由低電流至高電流進行一次又一次的ESD放電模擬,並且於每次放電時同時量測待測物兩端的電壓與電流,測試所得之TLP特性圖能幫助我們更深入瞭解TVS在遭遇ESD時的I-V特性與箝制電壓(Clamping Voltage)。箝制電壓即為TVS在遭受ESD衝擊時測得的工作電壓,因此如果箝制電壓越小代表TVS越可能協助代測物通過ESD的測試。此外,可以更進一步比較主晶片與TVS的箝制電壓關係,如此將可以預測TVS是否能成功保護主晶片免於ESD能量的破壞,是ESD防護元件最具指標性的參數

 

TLP測試能帶來什麼幫助?

       對單體TVS而言,從做完TLP測試而得的圖形之中即可快速的找出在相對應的ESD電流之下,TVS的箝制電壓(Clamping Voltage)是多少。箝制電壓小的TVS代表保護效果更佳,系統越可能通過IEC61000-4-2的測試。因此TLP圖形能協助我們去推測TVS是否能滿足系統的ESD防護需求,以通過IEC61000-4-2的靜電測試


 
AZ5413-01F的TLP曲線圖:可得知當TVS在承受16A的ESD電流時,其箝制電壓約為8.5V

       對系統產品而言,IEC61000-4-2的ESD Gun測試能很快得知其ESD耐受程度,而做TLP測試則能幫助我們深入找出失效點的電壓。我們可以對系統主晶片進行TLP測試,如此一來即可測得主晶片在ESD能量下的箝制電壓,藉此我們就能與TVS的TLP圖形來對應。針對主晶片的箝制電壓來挑選箝制電壓更低的TVS。這能幫助許多產品研發工程師在產品設計階段減少Try and Error的花費以及調整設計的時間成本。這也是近期眾多品牌廠紛紛導入TLP測試方式,來針對自家產品做ESD驗證的原因

下圖是Notebook USB 3.1 Port With and Without TVS,TLP測量圖形對比


可以發現主晶片在ESD 3.1A能量下的箝制電壓為11.1V,因此我們應挑選箝制電壓更低之TVS
由此圖形可看出:在系統I/O Port加上TVS之後,系統能在承受較高的ESD電流之下保有更低的箝制電壓
 
 
 
TLP測試的實際案例

1) ESD測試Spec為對Desktop的Audio Port 做Contact Discharge 8kV
考慮中的3顆TVS元件的TLP圖如下:

 

TVS上件後,IEC61000-4-2 ESD實測結果如下:
 
 

此結果說明較低箝制電壓的TVS較有可能通過較高Level ESD測試
從TVS箝制電壓的比較,也能幫助我們預測IEC61000-4-2的測試結果

2) Notebook HDMI Port With and Without TVS,TLP測量圖形對比
 

       由此圖也可看出當HDMI Port加上TVS後,系統TLP曲線會跟著TVS的曲線走,如此一來系統就能夠承受更高的ESD電流,同時也呈現更低的箝制電壓(Clamping Voltage),表示ESD的耐受更佳,也成功通過ESD的測試


 
TLP測試結果解析

       當我們在系統上進行TLP測試的時候,我們時常發現若TVS的箝制電壓不夠低,會導致後方IC損毀而測試Fail,不過TVS卻是Pass的情形。這也說明了當我們在挑選TVS的時候,若考量到TVS的ESD保護能力,應首先注重箝制電壓(Clamping Voltage)要夠低,而非TVS單體的ESD耐受。如此一來就能避免受保護元件Fail,而TVS卻未受損的狀況,也失去了添加ESD防護元件的目的。搭配TLP特性圖來挑選適當的TVS元件,不僅能預防電路中較昂貴的主晶片遭到ESD破壞,同時能提高產品可靠度以減少量產後的客退返修機率,就能避免後續花更多成本來調整電路設計
 

prevUSB Type-C應用中選錯TVS造成的高度 Latch-up 風險 NextTVS最重要的參數-鉗制電壓(Clamping Voltage)