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1、第七章静电放电模型与器件、设备ESD敏感度。建立静电放电模型，对电子器件、设备开展静电放电试验，分析失效原因，改进设计提 高器件和设备的静电防护性能是一项非常重要的工作。目前我国所采用的静电放电模型基本 上是参照IEC、MIL、ANSI/ESD、EN等标准建立的。需要指出的是，实际情况很复杂，有 时与模拟情况存在较大差别，这些模型的提出，是为建立统一测试的基准。7.1静电放电模型与ESD敏感度测试7.1.1人体模型（HBM）在电子工业生产中，人体静电对电子产品质量影响非常大，1980年5月，美国海军司令 部在广泛地研究、考查了电子行业中各种人体ESD模型之后，发布了 DOD1686标准， 规定
2、了标准的人体ESD模型，用户pF的电容器串联1.5K0的电阻作为标准人体ESD模型。 这种模型参数很快被人们普遍接受。此后在1988年和平部队1989年分别发布的美军标MIL STD1686A和MILSTD883C中仍使用这一人体电气模型（我国军标GJB1649电 子产品防静电放电控制大纲基本采用）。在MILSTD883C中对ESD模拟器输出的放 电电流波形做了规定，模拟器通过另一阻值为1.5KQ的无感金属膜电阻对地放电时，用带 宽为200MHz的示波器和特定的电流探头得到的放电波形与规定的波形相类似。美国ANSI/ESD协会标准ESD STM5.1-1999以及国际电工委员会标准IEC 61
3、340-3-1不仅 规定了人体模型的电路参数，而且还规定了放电电流波形及电流参数。GJB1649对试验电路 和放电波形等参数做了规定，如图7.1、图7.2和表7.1所示。7.1.1.1 试验设备静电放电脉冲模拟器和DUT插座应符合图7.1所示的电路，该电路能产生如图7.2所示的 脉冲波形。实验设备应注意下列问题：（1）寄生效应对本模拟电路有强烈影响。跨接继电器和电阻端的电容量及线路与各元件上 的电感量应减至最小。（2）为防止C1瞬时再充电，在S1接到充电位置时，将电源电压调小一些。（3）在校准和试验期间，不允许变动DUT插座。（4）不允许采用换接模拟器A、B端来获得相反的极性。（5）C1代表了
4、有效电容。（6）电流探针应用双线屏蔽电缆连接到示波器的500输入端。电缆长度不能超过0.9m。7.1.1.2 试验波形试验波形应满足下列条件。电流脉冲波形应具有下列特征。TRI（上升时间）：小于10ns。TDI（衰减时间）：150+-20ns。IP（峰值电流）：从表7.1中选取电压等级对应的IP+-10%。IR（振荡电流）：衰减应平滑，出现的抖动、双时间常数或不连续的值应小于IP最大值的15%， 且脉冲开始100ns后不应观察到。71. 1. 3测量仪器十O(1)(2)(3)测量仪器能检查模拟器输出脉冲波形是否符合图7.2要求的示波器、放大器和电流探针示波器和放大器。示波器和放大器组合电路应有
5、最小350MHz的带宽和最低0.25ns/cm的扫描时基。电流探针。电流探针应有至少350MHz的带宽。充电电压探针。充电电压探针应有不低于1000MQ的输入电阻和不高于4%的分压 比。这里应当指出的是上述的标准人体ESD模型主要用于对电子器件的静电敏感度测试。 而在一些特殊行业中，根据行业的特点采用的人体ESD模型应有不同。如果电火贡品进行 静电敏感度测试时，根据美军标MIL-STD-1512采用的ESD人体模型的参数为电容500pF, 电阻5KQ，而在汽车制造行业中，人体模型通常采用的参数为电容330pF，电阻2 KQ。7.1.2机器模型（MM）机器模型（MM）用来模拟带电导体对电子器件发
6、生的静电放电事件。机器模型最初由 日本人提出，试图产生“最严酷”的静电放电。机器模型的基本电路模型是,200pF的电容 不经过电阻直接对器件进行静电放电。机器模型模拟导体导体带电（静电、雷电感应、设备 漏电等）后对器件的作用，如在自动装配线上的元器件遭受带电金属构件对器件的静电放电， 也可模拟带电的工具和测试夹具等对器件的作用。机器模型的电路原理图如图7.3所示。机器模型（MM）的电路配置与人体模型（HBM）相同，不同的是MM包括200pF的 放电电容以及阻值尽可能低的放电电阻。由于回路电阻接近零，设备耦合能量较大，所以 MM可以视为是“最严酷”的模型。机器模型静电放电模型器研制开发过程中，由
7、于电路很难做到足够低的电感，所以各种 机器模型静电放电模拟器的差别很大。对比元器件MM和HBM测试结果表明，元器件对 MM静电放电比HBM静电放电更敏感。美国ESD协会标准ESD STM5.1-1999和国际电工委员会标准IEC61340-3-2规定了 MM 放电电流波形发生器实验电路及典型MM放电电流波形参数。IEC61340-3-2提出的电流波 形参数见表7.2.放电电阻R为耐压1000V的低电感金属膜电阻器，阻值500Q 1%；电流传感器的最 小宽带为350MHz。放电电流波形参见表7.2.MMESD典型的短路电流波形如图7.4所示，通过500Q电阻放电的MM ESD电流放 电电波形如图
8、7.5所示。7.1.4带电电路板模型过去很长时间一直对印制电路板（PCB）上元器件的ESD有误解，认为PCB上的元器 件能抗ESD很多事实表明，导致PCB上元器件损坏的ESD放电电压比单个元器件CDM或 HBM测试的ESD放电电压要低，如图7.9所示。图7.9中，待测PCB置于绝缘板上，接地金属板支撑此绝缘板PCB由高压电源充电, 经由一连接器和1Q电阻对地放电。PCB上元器件失效的发生有两种常见情况；第一种情况是带电人体用手直接接触或电 容性接地的电路板；第二种情况是携带电路板的人体获得电荷，这类放电随后发生。当人体 将这块电路板放置架子上时，电路板一接触金属部分，其上的电荷就迅速泄放形成静
9、电放电。7.1.5人体-金属ESD模拟器人体-金属ESD模拟器的基本电路如图7.10所示，其中主要部件有：高压电源、充电 电阻Rch、储能电容Cs、放电电阻Rd、放电开关，放电电极和回路电缆。下面分别对这些 部件的参数进行介绍。（1）储能电容：钻实际情况中，人体-金属的放电电容分布很广。为了模拟分布 电容，最理想的办法是选取分布电容与之相似的金属构件,但这必然导致ESD 模拟器体积过于庞大。而已ESD模拟器应便于操作、易于移动这方面来考虑， 通常用分立器件来实现电容分布，其中选取电容器Cs来模拟人体电容，其标 称值为150pF,而用电容器和其他器件的杂散电容以及放电电极的分布电容 Cd来模拟前
10、臂、手及小金属的“分布电容”这一“分布电容”对于产生上 升时间小于1ns的初始放电尖脉冲起主要作用。（2）放电电阻：人体-金属模型的等效放电电阻，其值为330Q。（3）充电电阻：高压发生器对储能电容器充电的限流电阻，取值在50到100MQ 之间。（4）放电开关：在接触放电方式中用来触发放电的装置，要求开启速度快，无跳 变，重复性好，一般是用高压水银开关，是制作ESD模拟器的关键器件。（5）放电电极：应选取合适的尺寸及形状使得ESD模拟器放电电流能达到规定的 要求。另外在接触放电和空气放电是所使用的放电电极的顶端形状分别为尖 形状和球形。（6）回路电流：接地电缆的长度、粗细、结构与布置对ESD过
11、程中的慢速放电模 式影响很大。因此在IEC6100042标准中规定接地电缆的长度一般为2m， 在特殊情况下也不能超过3m。其结构和放置应保证ESD模拟器的放电电流 能达到规定的要求。（7）放电电流：规定的人体一金属ESD放电电流波形。IEC标准中规定，当人体一金属模拟器采用接触放电方式对规定的电流传感转换器进 行放电时，用带宽不小于1GHz的测试系统得到的放电电流波形应与IEC6100042 中规定的电流波形相类似。7.16家具ESD模型总体上说家具ESD模型与人体一金属模型基本一致。不过放电网络的储能电容和等效放 电电阻的取值有所不同，人体模型ESD模拟器的C取值为150pF，R为1.5k0
12、,而家具ESD 模型的C取值为150pF, R为150。人体ESD模型用于对器件经行静电放电敏感度试验，而 人体金属ESD模型和家具ESD模型用于对设备进行敏感度试验。7.17几种广泛应用的ESD模型的对比常见ESD测试模型的典型参数及试验参数及DUT为了便于比较，一些常见的ESD标准所规定的模型参数见表7.6。除了上述介绍的模型外，还有传输线模型、电场感应模型、带电芯片模型、带电包装模 型等。由于使用不如前述模型广泛，故在此不做介绍。7.18设备的ESD的试验7.18.1 SSD设备的试验(1) 试验要求。对于静电敏感设备的试验方法是根据人体金属模型设计的。目前通行 的国际标准为IEC610
13、0042。IEC IEC100042标准规定对静电敏感设备进行试验设备进行试验时施加的电压分 为5个等级，见表7.7。接触放电时，试验电极与受试设备想接触，放电由电压发生器的开关来控制。空气放 电时，放电电极靠近受试设备，放电由电极受试设备之间的放电火花间隙来控制。试验电压的选择与环境相对湿度和受试设备的表面材料有关。当环境相对湿度比较大 时，静电发生少，需要的试验电压低；反之则要用高电压。因为在低湿度环境下，操作人员 走路、动作后的带电显然会争强。试验电压、环境相对湿度、设备表面材料三者的关系参见 表 7.8。整机、设备或系统失效的判别与元器件有着明显的不同，相对说来整体失效的判别比较 复杂
14、。以受试设备的工作条件和功能特性为据，可能有下列情况：(1) 在技术条件范围内性能正常。(2) 设备的功能或性能暂时降低或丧失，但能自动恢复。(3) 设备的功能或性能暂时降低或丧失，需要操作人员进行调节才能恢复。(4) 由于放电使设备内的构件损坏，造成数据丢失，功能降低或丧失。一般而言，上述1款认为合格，2款认为不合格，2、3两款的试验结果如何判定，需 要由设备的规范加以明确或由合同商定。(2) 测试部位选择。按下列要求选择测试部位：(1) 对于实验设备，应选择操作人员可能触及的部位，例如键盘、开关、按钮、检测插 孔等与工具接触的部位。(2) 对于试验桌面上的设备，试验部位应选在支撑实验设备的
15、金属板表面上(参考 IEC6100042)，如图 7.11 所示。(3) 对于地面设备，试验部位应选择在那些电气与接地系统(大地)绝缘的金属板上， 如图7.12所示。(4) 使用间接放电方式时，无论是利用垂直耦合板还是水平耦合板，均应选择最靠近与 电路绝缘的导电外壳的区域。（2）放电试验方法。美国军标MILSTD1686B （1992年）电气和电子元件、组件与设 备静电放电控制大纲中规定了设备的静电放电试验方法，主要有：（1） 试验时采用人体ESD模型试验电路（100pF、1500 0）。（2） 试验时设备处于非工作状态，并将连接器断开。（3） 施加电压4000V,因为该标准规定整机设计要为最敏感的元器件提供4000V （最低）的设计保护，故可以理解为这实质上是对装在整机之中的SSD的试验。（4） 此种试验是破坏性的。（5） 试验点的选择：所有输入点、输出点和接口点均应试验。（6） 电压连接方法：上面第5款所列各点应接于图7.1中的A端；设备的接地端应连接 到B端。（7） 加压次数：每个试验点应单独和顺次受试，每点进行3次正脉冲和3次负脉冲，脉 冲间隔不少于3s。（8） 失效判据：经受静电放电试验之后，如果该设备不能满足其规定的性要求，则认为 它失效。7.2静电放电模拟简介7.2. 1 ESD模拟器的放电方式在用ES
