半導體器件都包括ESD保護電路。但是要確保按照JEDEC標準的有效性和可靠性要求，必須進行ESD測試以使零件合格。器件ESD測試共有三種主要測試模型：人體模型（HBM），充電設備模型（CDM）和機器模型（MM）。靜電放電（ESD）和靜電過應力（EOS）事件可能發生在任何地方，例如制造和裝配過程區域，生產測試環境，運輸和現場應用。

EOS和ESD可能是由于瞬態，過大的電源電流，不良的接地，電源電壓與地之間的電阻路徑低，引腳短路以及電路內部損壞而引起的。如果暴露在超出數據手冊規格的條件下，IC最終可能會發生故障。在數據表規格范圍內操作時，EOS損壞不會由組件的內部條件引起，因此，如果存在異常情況，則會發生EOS損壞。由于接地不當，測試和處理設備會積累靜電荷，當靜電荷接觸時，靜電荷會通過IC傳輸。

ESD

HBM模擬由于人體放電而產生的ESD。人們被認為是ESD的主要來源，而HBM是描述ESD事件的常用模型。CDM模擬帶電設備與導電材料接觸時的放電。MM表示從物體到組件的放電。對象可以是任何工具或生產設備。

人體模型

當人們走路時，它們會產生一些電能并將其排放到地面。每一步都建立起可以用以下方式表示的費用：ΔV/Δt= nΔq/ C

其中n是步數/秒，C是人的電容。考慮在絕緣地板上的典型情況，其每人步長的ΔV增加300 V，并在10秒內達到約3 kV。（注意：會發生一些電荷泄漏。）對于HBM測試，有一個簡單的串聯RC網絡可模擬人體放電。1MΩ電阻用于為100 pF電容器充電。使用1.5kΩ電阻進行放電。HBM事件最具破壞性，上升時間快。因此，需要快速上升時間脈沖來更精確地模擬HBM放電事件。

放電電流i（t）定義為：

i（t）= i?0 exp（–t /τ）

i?0 = V?HBM /（R?DUT + R）

和：t = C（R + R?DUT）

R = 1.5kΩ

被測設備（DUT）的功耗為：P（t）= i?2（t）R?DUT

傳遞給DUT的總能量為：

雷卯電子小編認為以上公式太燒腦，搞清楚原理即可。產生的熱量取決于電容，DUT電阻和ESD脈沖的峰值電壓。在HBM測試中，IC故障模式通常會顯示柵極氧化層，接觸尖峰和結損壞。圖1顯示了測試設置和電流波形特性。通過1MΩ電阻和100 pF電容器串聯施加高壓。電容器充滿電后，通過1.5kΩ電阻放電至DUT引腳。

圖1 ESD-HBM測試設置（左）根據放電事件生成波形（右）。

充電設備模型

CDM模擬無法通過HBM測試模擬的設備損壞。它可以模擬通過摩擦電效應直接充電的設備，也可以通過存儲在人體中并在外部環境中放電的靜電感應和靜電荷間接地充電。

此測試用于模擬制造環境中發生的情況，例如機械設備處理（其中設備從運輸管中滑落）或測試處理程序，這些處理程序會累積電荷，然后將其放電到地面。圖2顯示了CDM ESD測試和典型的電流波形特性。當外部接地接觸被充電設備的DUT引腳時，存儲的電荷將從設備釋放到外部接地。在CDM測試中，設備應背對著測試夾具朝上放置。

圖2 ESD-CDM測試設置（頂部）從放電事件生成波形（底部）。

CDM電流高于HBM電流，因為路徑中沒有限流電阻來限制放電。對于500 V測試電壓，電流波形上升時間通常約為400 ps，峰值電流約為6 A，持續1.5至2 ns。對于1000V測試電壓，峰值電流大小約為12A。

機器模型

MM也稱為0-Ω模型，旨在模擬通過設備放電到地面的機器。MM測試中的失敗模式與HBM測試中的失敗模式相似。在測試設置中，與電阻器串聯的高壓（HV）電源為電容器充電。開關用于將其從高壓電源中移除，并將其連接至電感器以進行放電。電感器產生振蕩電流波形。MM使用與HBM相同的基本測試電路，不同之處在于R = 0Ω和C = 200 pF （圖3）。一個200 pF的電容器代表一個導電物體，例如金屬處理機，與一個1MΩ的電阻器一起使用進行充電。使用0.5μH的電感進行放電。MM測試不如HBM測試更常用。MM電流特性波形由正弦和負弦正弦波組成，并呈指數衰減。

圖3 ESD-MM測試設置（左）根據放電事件生成波形（右）。

模型比較

HBM和MM的相似的上升時間（即?10 ns）和總持續時間會導致可比的焦耳熱，從而導致兩個模型的相似失效機理。MM測試的失效特征和放電過程通常與HBM測試的失效特征和放電過程相同。因此，HBM測試可以保證MM ESD魯棒性。

通常，MM ESD的應力水平大約比HBM ESD的應力水平低10倍。同樣，HBM的保護電壓水平通常為?2 kV，而MM的保護電壓水平為?200 V，CDM的保護電壓水平為?500V。CDM與HBM和MM完全不同，因此它們之間沒有相關性。因此，CDM和HBM測試通常用于測試ESD保護電路。圖4顯示了HBM，MM和CDM的電流波形特性。CDM波形對應于已知的最短ESD事件，其上升時間為400 ps，總持續時間約為2 ns。

圖4. HBM，CDM和MM的電流波形顯示出明顯差異。

器件的ESD靈敏度可以定義為它通過的最高ESD測試電壓和失敗的最低ESD測試電壓。每個模型都有其自己的分類，用于根據設備的ESD敏感性對設備進行分類。從電路防護的角度來講，首先半導體本身要設計足夠的ESD電路保證自身在生產制造，包裝運輸，貼片焊接過程中的生命完整。雷卯電子也為芯片設計公司提供ESD電路IP 服務，讓您的半導體器件更強壯。

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