三种ESD模型（人体模型、机器模型、充电器件模型）

发布于：2024-11-17           作者：😃思研

一、简介

1、人体模型 (Human Body Model, HBM)

2、机器模型 (Machine Model, MM)

3、充电器件模型 (Charged Device Model, CDM)

二、特点

1、人体模型放电

2、机器模型放电

3、充电器件模型放电

本文主要介绍三种ESD模型（人体模型、机器模型、充电器件模型）的简介及特点。

一、简介

1、人体模型 (Human Body Model, HBM)

这个模型模拟了当人体携带静电并突然放电到设备上的情景。它通常涉及一个100pF的电容，通过一个电阻（通常是1.5kΩ）迅速放电到设备的引脚上，用来评估电子元件或系统的静电防护能力。

2、机器模型 (Machine Model, MM)

机器模型代表了设备在自动化生产或处理过程中，由于接触分离而产生的静电放电。相比HBM，MM放电电流通常更大，因为其等效电路中没有串联电阻或电阻值很小（可以视为直流通路），并且电容值较大，导致放电峰值电流可达几百安培，持续时间为几百纳秒。

3、充电器件模型 (Charged Device Model, CDM)

     此模型模拟了带有静电电荷的器件自身在接触导体或接地时发生的放电现象。CDM放电通常具有非常快的上升时间和高电流密度，对半导体器件的内部结构构成严峻挑战，尤其是对那些超大规模集成电路(VLSI)和先进的半导体技术。

二、特点

1、人体模型放电

人体模型放电是一种常用的静电放电测试模型，用来模拟人体接触电子设备时可能产生的静电放电现象。HBM放电的典型参数大致如下：

1）峰值电压：通常在几千到数万伏特，具体数值取决于起始条件，但常见的测试水平为2kV至15kV。

2）峰值电流：HBM放电的峰值电流一般小于0.7A，常见参考值大约是0.6A至0.8A，具体取决于放电电压和其他测试条件。

3）放电时间：约为150ns至300ns，150ns是较为典型的放电时间。

该模型表征人体带电接触器件放电，Rb 为等效人体电阻，Cb 为等效人体电容。

等效电路如下图。

图中同时给出了器件 HBM 模型的 ESD 等级

定义 HBM ESD 测试的行业标准的三个示例是JEDEC的JESD22-A114、 MIL-STD-883方法 3015和 ESD 协会的 ESD STM5.1:静电放电灵敏度测试-人体模型

2、机器模型放电

它主要用于模拟带有塑料外壳的自动化设备或生产线上工具接触电子器件时可能发生的静电释放情况。MM放电的一些典型参数包括：

1）峰值电流：机器模型放电的峰值电流通常小于8A，

2）放电时间：MM放电的时间非常短，一般在5ns左右，这比HBM的放电时间要短得多，模拟了快速放电的情形。

3）峰值电压：机器模型放电的峰值电压并不是一个固定值，因为它可以根据具体的测试设置变化，但一般来说，机器模型测试的电压水平相比人体模型（HBM）会有所降低。在实际应用中，MM测试的电压范围可能从几百伏特到几千伏特不等，具体取决于所依据的标准和被测设备的要求。然而，具体到峰值电压的确切数值，常见的测试等级可能包括200V、400V、600V等，这取决于不同的测试标准和产品耐受性评估。值得注意的是，尽管峰值电压是理解静电放电效应的一个重要参数，但在MM中，更强调的是其高电流和短时间的特点，这些因素往往对电子元件构成更大的威胁。因此，在设计防护措施时，除了考虑电压水平外，还需特别注意电流承载能力和响应速度。

　机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是 200pF，等效电阻为 0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取 200pF。由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。

定义 MM ESD 测试的行业标准的两个示例是 JEDEC 的JESD22-A115 和 ESD 协会的 ESD STM5.2:静电放电灵敏度测试--机器模型

3、充电器件模型放电

它专门用于评估半导体器件在制造、处理或组装过程中因自身带电而发生的放电现象。与人体模型不同，CDM更关注器件内部的脆弱性，特别是在现代高集成度和小型化芯片中。CDM放电的特点包括：

1）峰值电压：CDM放电的峰值电压范围大致在250V到几千伏特不等，具体数值依据测试标准（如ANSI/ESD STM5.3.1）和被测器件的特性。例如，STM5.3.1标准中的测试电压可选范围是250V至1000V，增量通常为100V。

2）峰值电流：CDM放电可以产生非常高的峰值电流，通常在几千安培（A）的量级，有的情况下甚至更高，例如10kA至20kA。这是由于放电时间极短，导致电流密度极大。

3）放电时间：CDM放电事件的持续时间非常短暂，一般在纳秒(ns)范围内，常见的放电时间约为5ns至20ns，这要求保护措施必须具有极高的响应速度。

4）电容值：在CDM测试设置中，器件自身的电容是关键参数之一，它决定了放电能量的大小。典型测试中使用的电容值可能在10pF至200pF之间，具体取决于被测器件的实际情况

   半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的塑料袋、传 递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。器件本身作为电容器的一个极板而存贮电荷。CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：

       定义 CDM ESD 测试的行业标准的两个示例是 JEDEC的 JESD22-C101和 ESD 协会的 ESD STM5.3.1: 静电放电灵敏度测试--充电设备模型。

      通过器件的 ESD 数据可以了解器件的 ESD 特性，但要注意，器件的每个管脚的 ESD 特性差异较大，某些管脚的 ESD 电压会特别低，一般来说，高速端口，高阻输入端口，模拟端口 ESD电压会比较低。

      ESD 防护设计可分为单板防护设计、系统防护设计、加工环境设计和应用环境防护设计，单板防护设计可以提高单板 ESD 水平，降低系统设计难度和系统组装的静电防护要求。当系统设计还不能满足要求时，需要进行应用环境设计防护设计。ESD 敏感器件在装联和整机组装时，环境的 ESD 直接加载到器件，所以加工环境的 ESD 防护是至关重要的。

　　一般整机、单板、接口的接触放电应达到±2000V(HBM)以上的防护要求。器件的 ESD 防护设计是在器件不能满足 ESD 环境要求的情况下，通过衰减加到器件上的 ESD 能量达到保护器件的目的。ESD 是电荷放电，具有电压高，持续时间短的特点，根据这些特点，ESD 能量衰减可通过电压限制、电流限制、高通滤波、带通滤波等方式实现，

     ESD 防护是一项系统工程，需要各个环节实施全面的控制。下图是一个 ESD 防护的流程图：