JP2008014640A - 静電気放電保護回路の特性インピーダンスの測定方法及び当該測定を実現する装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】 ＥＳＤ保護回路に対し、放電電圧を印加することによって速やかにＥＳＤ保護回路の特性インピーダンスを測定する方法、及び当該方法を実現し得る装置の構成を提供すること。
【解決手段】 本発明の基本構成は、静電気放電保護回路に対して印加した放電電圧の時間の経過に伴う変化、及び当該保護回路を導通する放電電流の時間の経過に伴う変化を測定し、経過した所定の各共通時間毎に対応し合う放電電圧と放電電流とが共に順次上昇し、それぞれ個別にピーク値に至った後、共に減衰過程に至るまでの状態をコンピュータに対する入力及び当該コンピュータからの出力によって把握し、かつ前記減衰過程における放電電圧の変化量／放電電流の変化量の比率が概略一定である場合に、当該比率をインピーダンス値とすることに基づき、速やかに静電気放電保護回路における特性インピーダンスを測定する方法及び当該方法を実現する装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子による回路、磁気ヘッド回路などに使用される静電気放電保護回路が有している特性インピーダンスを測定する方法、及び当該方法を実現するための装置に関するものである。

半導体素子による回路、及び磁気ヘッド回路などは、近年大容量化、高速化、緻密度化、微細化が進行し、次第に静電気（Electrostatic Discharge：以下「ＥＳＤ」と略称する。）に対する耐圧、耐性が低下している。

にも拘らず、これらの回路の組立工程、及び輸送工程においては、ＥＳＤが蓄積し易いが、前記各工程においてＥＳＤを除去することが困難であることから、これらの回路にＥＳＤ保護回路を組み込むことは技術上不可避の状態にある。

静電気放電保護回路（以下「ＥＳＤ保護回路」と略称する。）については、従来急激な立ち上がりと共に時間の経過に従って概略順次減衰する放電電圧を印加することによって、ＥＳＤ保護回路を導通する電流波形を観測し、かつ放電電圧を順次増加させた場合に観測された電流波形に異常が生じた場合に、静電破壊が生じたことを判別し、かつ確認することによる静電破壊テストが行われている。

しかしながら、従前の静電破壊テストを行ったところで、ＥＳＤ保護回路が静電破壊に至るまでにどのような作動を行うかに関する具体的な状況、更にはＥＳＤ保護回路が有している特性インピーダンスを察知することができない。

ＥＳＤ保護回路に対し、図６に示すように、所定の電圧上昇率によって上昇し、ピーク電圧に至る伝達ラインパルス電圧（Transmission Line Pulse電圧：以下「ＴＬＰ電圧」と略称する。）を、当該ピーク電圧を順次増加させながら印加することによって、静電気放電保護回路内においてＴＬＰ電圧に対応して導通するＴＬＰ電流の各ピーク値と前記ＴＬＰ電圧の各ピーク値との対応関係をグラフによって表示した場合には、当初前記ピーク電圧が最大値に至るようなトリガー（Trigger）発生状態に至り、次に電圧値が急激に下降し、かつ電流値が徐々に増加するようなスナップバック（Snapback）状態に至り、更には電圧値の上昇と共に、電流値も順次上昇するような所謂導通状態（Conductiv State）に至ることが判明しているが、このような各状態を測定するための所謂伝達ラインパルス測定（Transmission Line Pulse測定：以下「ＴＬＰ測定」と略称する。）が行われていた。

ＴＬＰ測定においては、前記導通状態におけるピーク電圧の変化量／ピーク電流の変化量を算出することに基づいて、ＥＳＤ保護回路の特性インピーダンスを測定することが可能であり、しかも、ＴＬＰ電圧を順次増加させた場合に、前記導通状態から静電破壊に変化するような最大電流値を察知し、かつ測定することが可能である。
但し、ＴＬＰ測定を行う場合には、図６（ａ）に示すような略台形型のＴＬＰ電圧を順次印加し、かつ図６（ｂ）に示すようなピーク電圧−ピーク電流特性を順次求めるという煩雑な操作を不可欠としており、スピーディに前記特性インピーダンスを算出しかつ測定することができない。

しかるに、従来このようなＴＬＰ測定の分野においては、前記のような技術上の弱点を解決するような技術的手段を特に開示又は示唆している訳ではない。

現に特許文献１及び非特許文献１は共に、ＴＬＰ測定において、前記のような測定の煩雑性を解決する技術的手段については何ら開示又は示唆している訳ではない。

２００４／０２３９３４６Ａ１米国特許明細書 ２００４ EOS/ESD Symposiumに掲載された論文（Multilevel Transmission Line Pulse（MTRP）Tester）

本発明は、ＥＳＤ保護回路に対し、放電電圧を印加することによって速やかにＥＳＤ保護回路の特性インピーダンスを算出しかつ測定する方法、及び当該方法を実現し得る装置の構成を提供することを課題としている。

前記課題を解決するため、本発明の基本構成は、
（１）静電気放電保護回路に対して印加した放電電圧の時間の経過に伴う変化、及び当該保護回路を導通する放電電流の時間の経過に伴う変化を測定し、経過した所定の各共通時間毎に対応し合う放電電圧と放電電流とが共に順次上昇し、それぞれ個別にピーク値に至った後、共に減衰過程に至るまでの状態をコンピュータに対する入力及び当該コンピュータからの出力によって把握し、かつ前記減衰過程における放電電圧の変化量／放電電流の変化量の比率が概略一定である場合に、当該比率をインピーダンス値とすることに基づく静電気放電保護回路における特性インピーダンスの測定方法、
（２）パルス発生回路及び当該発生回路からの入力によって、静電気放電保護回路に対し放電を行う放電回路、及び静電気放電保護回路との間に介在している電圧測定回路及び電流測定回路、前記各回路に対し、コンピュータに基づく指令を行う制御装置を備え、かつ電圧測定回路及び電流測定回路から前記コンピュータに対し測定値に基づく入力が可能であることに基づく前記（１）の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定を実現する装置、
からなる。

前記解決手段に係る基本構成（１）、（２）に基づき、本願発明においては、速やかにＥＳＤ保護回路の特性インピーダンスを算出しかつ測定すると共に、ＥＳＤ保護回路に対する静電破壊をも判別することが可能であり、しかも導通状態から静電破壊状態に変化する段階の最大電流をも察知しかつ測定することが可能となる。

基本構成（１）からも明らかなように、本願発明においては、印加する放電電圧及び当該放電電圧に対応する放電電流について、図１（ａ）に示すような経過時間に即した変化状態について、各共通時間毎に対応し合う放電電圧及び放電電流の測定値をコンピュータに対する入出力によって把握することを要件としている。

前記のような対応関係である放電電圧と放電電流は、図１（ｂ）に示すように、最初は共に上昇するも、最初に放電電流値がピーク値に達してから順次減少し、その後放電電流がピーク値に至り、更にその後双方が共に下降することが判明する。

各共通時間は、通常前記のような入出力に関与しているコンピュータによって設定されるが、当該共通時間において放電電圧及び放電電流の各測定値が、一度コンピュータに入力された後、当該コンピュータによって対応関係が分かるような状態にて前記各測定値の出力が表示されることになる（例えば、図１（ｂ）のようなグラフによる表示を行うか、又は各共通時間に基づいて対応し合う電圧及び電流の測定値をピーク値による数値を左右の同一ラインに配列し、各共通時間の変化毎に当該ラインを順次上下方向に変化させる表示などが採用されることになる。）。

このような測定及びコンピュータに対する入力を行う典型的な実施形態としては、
（Ａ）図３（ａ）に示すように、放電パルス入力回路と静電気放電保護回路との間にオシロスコープ１０を介在させ、放電電圧及び放電電流の時間の経過に伴う変化の画像表示を行い、当該画像表示に基づく各共通時間を順次選択し、前記画像表示において各共通時間に対応し合う関係にある放電電圧及び放電電流の各測定値をコンピュータに入力することを特徴とする方法、
（Ｂ）図３（ｂ）に示すように、時間の経過に即してデジタル測定を行い得る電圧計４１によって放電電圧を測定し、かつ時間の経過に即してデジタル測定を行い得る電流計４２によって放電電流を測定し、経過した所定の各共通時間毎に各デジタル測定値をコンピュータに入力することを特徴とする方法、
である。
但し、図３（ａ）、（ｂ）において、制御装置１は、放電電流発生回路及び放電電圧発生回路３に対し、作動のタイミングの選択に基づく指令（点線の矢印によって示す）を行っており、オシロスコープ１０、及びデジタル電圧計４１０並びにデジタル電流計４２０に対し、共通時間の設定を指令しており（点線の矢印によって示す）、オシロスコープ１０、及びデジタル電圧計４１０、並びにデジタル電流計４２０は、制御装置１のコンピュータに対し、それぞれ測定値を伝達している（点線の矢印によって示す）。
尚、本発明に係るオシロスコープ１０は図３（ａ）に示すように、電圧計４１、電流計４２、画像発生回路５１、画像表示面５２を不可欠としている。

基本構成（１）の方法の実施形態は、前記（Ａ）、（Ｂ）に限定される訳ではないが、通常は対応し合う放電電圧と放電電流の関係はコンピュータからの出力によって図１（ｂ）、更には図２のようなグラフィック表示が行われている。

そして、図１（ｂ）及び図２のようなグラフィック表示において、ＥＳＤ保護回路６が破壊されていない段階では、放電電圧の変化量／放電電流の変化量は図１（ｂ）及び図２に示すように約一定であり、しかも、そのような各変化の状態は図２に示すように、ＴＬＰ測定を行った場合の所謂導通状態（Conductive state）の電圧電流特性直線と酷似した状態にある。

即ち、ＥＳＤ保護回路６に対する各共通時間毎に移動し合う放電電圧と放電電流との関係を、コンピュータに対する入出力によって把握したうえで、下降段階における電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性が、ＴＬＰ測定における導通状態と殆ど一致していることを利用して、放電電圧の変化量／放電電流の変化量の算出に基づいてＥＳＤ保護回路６の特性インピーダンスを速やかに測定することに、本願発明の基本的技術思想が存在する。

前記（２）の基本構成は、通常のＥＳＤ破壊電圧測定の場合と同様に、制御装置１、パルス発生回路２、放電電圧発生回路３を備え、ＥＳＤ保護回路６に放電電圧を印加している点において共通しているが、放電電圧発生回路３とＥＳＤ保護回路６との間に電圧測定回路及び電流測定回路（具体的には図３（ａ）のような電圧計４１及び電流計４２を備えているオシロスコープ１０による回路、又は図３（ｂ）のようなデジタル電圧計４１０、並びにデジタル電流計４２０を備えた回路）を介在させている点において、ＥＳＤ破壊電圧測定装置と相違しており、前記各回路を介在させていることは却ってＴＬＰ測定回路と共通している。
但し、ＴＬＰ測定の場合には、ＴＬＰ電圧及びＴＬＰ電流を個別に測定するに過ぎないのに対し、前記（２）の基本構成においては、放電電圧及び放電電流を順次経過する各共通時間毎に測定し、かつ当該放電電圧と放電電流との関係をコンピュータに対する及びコンピュータからの出力によって一挙に処理し、かつ把握する点においてＴＬＰ測定の場合と相違している。

前記（２）の基本構成の実施形態としては、
前記（Ａ）に対応して、図３（ａ）に示すように電圧測定回路及び電流測定回路として電圧計４１及び電流計４２を備えているオシロスコープ１０を採用する構成、
前記（Ｂ）の構成に対応して、図３（ｂ）に示すように電圧測定回路が、時間の経過に伴ってデジタル測定が可能であるようなデジタル電圧計４１０を備えており、かつ電流測定回路もまた時間の経過に伴ってデジタル測定が可能であるようなデジタル電流計４２０を備えている構成が好適に採用されている。

通常、放電電圧及び放電電流の測定の前後において、ＥＳＤ保護回路６に対してはリーク電圧を印加し、かつリーク電流が変化するか否かをテストすることによって、ＥＳＤ保護回路６が正常に作動し得るか否かをチェックしている。

したがって、放電電圧及び放電電流の測定に前後してリーク測定を行った場合、仮にリークに変化が生じたのであれば、既にＥＳＤ保護回路６が異常状態にある以上、放電電圧及び放電電流の測定を中止するか、又は放電電圧として一挙にＥＳＤ保護回路６に対し静電破壊電圧に印加し、破壊特性を測定すると良い。

図３に示すように、スイッチ７を設けた場合には、リーク測定を行う際に、放電電圧測定回路側の高いインピーダンスの影響を防止することが可能となる。

図４に示すように、放電電圧及び放電電流測定回路とＥＳＤ保護回路６との間に分圧回路８を設けた場合には、ＥＳＤ保護回路６と前記測定回路との間のインダクタンスを小さくし、かつ正確な電圧及び電流特性を求めることが可能となる。

以下実施例によって説明する。

実施例１は、放電電圧の変化量／放電電流の変化量が、略一定の状態を維持することが不可能となり、変動するに至った段階において、静電気放電保護回路が静電破壊に至ったことをも判別し得ることを特徴としている。

即ち、図５に示すように、静電破壊が生じた場合には、放電電圧及び放電電流の下降段階において、放電電流が減少する程度に比し、放電電圧が減少する程度が大きくなることから、放電電圧の変化量／放電電流の変化量は、所定の特性インピーダンスを表すような一定値を保持することが不可能となり、このような現象によって、特性インピーダンスを算出することは不可能となるが、逆にＥＳＤ保護回路６において、放電電圧を支え切れないが故に、静電破壊が生じたことを判別し得ることになる。

実施例２は、放電入力電圧を順次上昇させた場合、対応し合う放電電圧及び放電電流が順次上昇し、かつピーク電流値に至った場合、放電電圧の変化量／放電電流の変化量が一定でなくなる段階の放電電流の最大値を以って、静電気放電保護回路における導通状態から静電破壊の状態に変化するような最大電流の測定をも行い得ることを特徴としている。

即ち、図５に示すように、例えば放電電圧として人体帯電モデルによる放電電圧として９００ボルトを印加した場合には、放電電圧の変化又は放電電流の変化は一定であり、前記放電電圧を１０００ボルトとした場合には、実施例１記載のように、静電破壊が生じているが、何れも電流のピーク値は、ＴＬＰ測定を行った場合の電流の最大値と一致しており、結局導通状態から静電破壊が開始する状態に変化する場合の最大電流値を察知しかつ測定することが可能となる。

実施例３は、放電電圧及び放電電流が共に減衰し、かつ放電電流が零となった段階における放電電圧の値をも測定し得ることを特徴としている。

即ち、図２に示すように、放電電圧及び放電電流の減衰過程の最終段階であるＩ＝０に対応する電圧値Ｖｈ１を測定しているが、当該電圧値Ｖｈ１はＴＬＰ測定においてスナップバック状態から導通状態に変化する場合の電圧値Ｖｈに概略対応するような関係にある。

ＴＬＰ測定における前記電圧値Ｖｈは、放電保護回路における保護素子を設計する際、最低限度の耐電圧特性を設定するうえでの斟酌資料に該当するが、本来ＥＳＤ測定とＴＬＰ測定とでは、出力インピーダンスが相違するため、ＥＳＤ保護回路の保護素子の設計には、前記Ｖｈによる電圧値と必ずしも十分な斟酌資料となっている訳ではない。

これに対し、実施例３によって測定された電圧値Ｖｈ１は、前記Ｖｈよりもやや小さな場合を呈するが、ＥＳＤ保護回路の保護素子が有すべき最低限度の耐電圧特性を示すものとして、極めて有用性を有している。

本願発明は、ＥＳＤ保護回路６の特性インピーダンスの観測だけでなく、静電破壊試験においても、使用することが可能となり、その適用範囲は広範である。

本願発明の基本原理を示しており、（ａ）は印加する放電電圧及び当該放電電圧に対応して導通する放電電流の状況を示しており、しかも各右側の点線部分は放電電圧の印加及び放電電流の導通した後に導通しているリーク電流を示しており、（ｂ）は各共通時間毎に対応し合う放電電圧と放電電流との関係に基づく電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性極性に基づくグラフを示す。 対応し合う放電電圧と放電電流との関係に基づく電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性を示すと共に、かつＴＬＰ測定による放電電圧と放電電流との関係とを対比したグラフである。 本願の方法の発明を実現するための回路ブロックによる装置であって、（ａ）は放電電圧及び放電電流を測定するためにオシロスコープを使用した実施形態を示しており、（ｂ）は時間の経過に伴ってデジタル測定が可能である電圧計及び電流計を使用した実施形態を示す。 リーク測定を行うためのスイッチ及び分圧回路を設定した局所的な回路ブロックを示す。 静電破壊が生ずる直前及び生じた後の放電電圧と放電電流との関係に基づくグラフである。 ＴＬＰ測定の状況を示しており、（ａ）はＴＬＰ電圧とピーク値の順次増加させた場合、導通するＴＬＰ電流のピーク値もまた、順次増加している状況を示しており、（ｂ）は当該増加に基づいて得られるＴＬＰ電圧のピーク値とＴＬＰ電流のピーク値との対応関係を示す電圧（Ｖ）−電流（Ｉ）特性曲線が順次形成していく状況を示す。

符号の説明

１ 制御装置
２ パルス発生回路
３ 放電電圧発生回路
４１ 電圧計
４２ 電流計
５１ 画像発生回路
５２ 画像表示面
１０ オシロスコープ
４１０ デジタル電圧計
４２０ デジタル電流計
６ ＥＳＤ保護回路
７ スイッチ
８ 分圧回路
９ リーク測定用ライン

Claims (12)

1. 静電気放電保護回路に対して印加した放電電圧の時間の経過に伴う変化、及び当該保護回路を導通する放電電流の時間の経過に伴う変化を測定し、経過した所定の各共通時間毎に対応し合う放電電圧と放電電流とが共に順次上昇し、それぞれ個別にピーク値に至った後、共に減衰過程に至るまでの状態をコンピュータに対する入力及び当該コンピュータからの出力によって把握し、かつ前記減衰過程における放電電圧の変化量／放電電流の変化量の比率が概略一定である場合に、当該比率をインピーダンス値とすることに基づく静電気放電保護回路における特性インピーダンスの測定方法。
2. 放電パルス入力回路と静電気放電保護回路との間にオシロスコープを介在させ、放電電圧及び放電電流の時間の経過に伴う変化の画像表示を行い、当該画像表示に基づく各共通時間を順次選択し、前記画像表示において各共通時間に対応し合う関係にある放電電圧及び放電電流の各測定値をコンピュータに入力することを特徴とする請求項１記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定方法。
3. 時間の経過に即してデジタル測定を行い得る電圧計によって放電電圧を測定し、かつ時間の経過に即してデジタル測定を行い得る電流計によって放電電流を測定し、経過した所定の各共通時間毎に各デジタル測定値をコンピュータに入力することを特徴とする請求項１記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定方法。
4. 対応し合う放電電圧と放電電流との関係をコンピュータからの出力に基づいてグラフィック表示を行うことを特徴とする請求項１、２、３記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定方法。
5. 放電電圧の変化量／放電電流の変化量が、略一定の状態を維持することが不可能となり、変動するに至った段階において、静電気放電保護回路が静電破壊に至ったことをも判別し得ることを特徴とする請求項１、２、３、４記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定方法。
6. 放電入力電圧を順次上昇させた場合、対応し合う放電電圧及び放電電流が順次上昇し、かつピーク電流値に至った場合、放電電圧の変化量／放電電流の変化量が一定でなくなる段階の放電電流の最大値を以って、静電気放電保護回路における導通状態から静電破壊の状態に変化するような最大電流の測定をも行い得ることを特徴とする請求項１、２、３、４、５記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定方法。
7. 放電電圧及び放電電流が共に減衰し、かつ放電電流が零となった段階における放電電圧の値をも測定し得ることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定方法。
8. 静電気放電保護回路にリーク電流が導通しない場合に、当該保護回路に対し、静電破壊を可能とするような放電電圧を印加することを特徴とする請求項１、２、３、４記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定方法。
9. パルス発生回路及び当該発生回路からの入力によって、静電気放電保護回路に対し放電を行う放電回路、及び静電気放電保護回路との間に介在している電圧測定回路及び電流測定回路、前記各回路に対し、コンピュータに基づく指令を行う制御装置を備え、かつ電圧測定回路及び電流測定回路から前記コンピュータに対し測定値に基づく入力が可能であることに基づく請求項１、２、３、４記載の静電気放電保護回路の特性インピーダンス測定を実現する装置。
10. 放電パルス発生入力回路と静電気放電保護回路との間に、分圧回路を設けたことを特徴とする請求項９記載の装置。
11. 電圧測定回路及び電流測定回路がオシロスコープであることを特徴とする請求項９記載の装置。
12. 電圧測定回路が時間の経過に伴ってデジタル測定を行い得る電圧計を備えており、電流測定回路が時間の経過に伴ってデジタル測定を行い得る電流計を備えて構成していることを特徴とする請求項９記載の装置。

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