静电放电测试标准——理解和比较差异

静电放电测试标准——理解和比较差异

静电放电（ESD）是电子设备在制造和使用过程中面临的主要威胁之一。为了确保设备的可靠性和安全性，需要进行严格的ESD测试。本文将详细介绍三种常见的ESD测试模型：人体模型（HBM）、机器模型（MM）和带电设备模型（CDM），以及三种系统级测试标准：ESD抗扰度测试、电快速瞬变（EFT）抗扰度测试和浪涌抗扰度测试。

人体模型（HBM）器件级测试

人体模型（HBM）器件级测试是ESD测试中常用的模型，用于表征电子元件对ESD损坏的敏感性。该测试模拟人体对电子元件的放电，例如穿着袜子拖着脚走过地毯后触摸电子设备时发生的情况。

测试程序通过与1MO电阻器和100pF电容器串联的高压电源来设置。电容器充满电后，将电容器从高压电源和串联电阻上移除，并使用开关与1.5kΩ电阻和被测设备（DUT）串联。因此，电压通过电阻器和DUT完全耗散。图1表示上述电路。高压电源的值根据测试级别的不同而变化，范围为0.5kV至15kV。

图1. 人体模型。

图2显示了典型的示波器读数，当电容器开始放电时，初始电流尖峰高达1.4A至1.5A，然后逐渐下降，直到在大约500纳秒时渐近接近零安培。在传统人体模型测试中，被测设备在单次放电事件中所能承受的功率为22.5kW。 （请始终记住，功率[W] = 电流[A]·电压[V]。）

图2. HBM放电期间的ESD电流。

机器模型（MM）器件级测试

机器模型（MM）设备级测试始于20世纪90年代开发，如今已不太常见。此时，为了增加产量，工业自动化制造站点变得越来越受欢迎。这些机器在打开后就会带电，并且在接触后会向电子元件放电。因此，MM被作为模拟此类ESD事件的测试。MM中常见的故障模式与人体模型类似，例如结损坏、金属层熔化以及栅极氧化物损坏。

MM的测试程序采用与电阻器和200pF电容器串联的高压电源进行设置。电容器充满电后，将电容器从高压电源和串联电阻器上移除，然后使用开关串联至0.5?H电感器和被测设备（DUT）。电感器和电容器电压通过DUT耗散。图3是MM测试电路的示意图。高压电源的传统值可能有所不同，但常见的范围是50V至400V。

图3. 机器模型。

当查看示波器测量电流随时间变化的情况时（图4），可以看到RLC电路场景会产生交流电。电流达到约±3安培，大约是HBM峰峰值电流幅度的四倍。此外，MM的耗散时间要长得多，因为它在900ns时仍渐近地接近零安培。图4显示了典型的瞄准镜镜头。DUT在MM放电事件期间经历的功耗约为1.2kW。

图4. MM放电期间的ESD电流。

此外，MM的一个有趣之处在于，它要求DUT上的每个引脚都按照其标准进行测试。电子芯片安装在专门设计的负载板上，该负载板与自动ESD测试仪连接。每个引脚都经过单独测试，而板上的其他引脚则接地。执行此过程直至测试完所有引脚。图5提供了如何进行测试的图形图像。

图5. 对组件进行MM放电。

带电设备模型（CDM）器件级测试

带电设备模型（CDM）设备级测试程序是对自动化制造环境中经常发生的情况的模拟。众所周知，机器可以无限期地保持运行状态。这会导致电子IC随着时间的推移而带电。当该部件与接地导体接触时，所建立的残余电容就会被放电。对于CDM测试，将DUT背面朝上放置在测试板上。

金属场板和DUT由绝缘材料隔开，该绝缘材料充当两个物体之间的电容器。然后将金属场板连接到高压电源并升高到所需的CDM测试电压电平。然后，探针接近发生ESD事件的被测特定引脚。这可以通过监视被测引脚的接地连接来验证。在DUT的每个引脚上重复此测试，以获得三个正脉冲和三个负脉冲。这导致每个引脚总共放电六次。图6显示了带电器件模型的等效电路。

图6. 带电设备模型。

图7中的示波器截图表明CDM放电是一个极快的瞬态。它多需要几纳秒，这使得测试和建模变得困难。该测试的结果是在不到1ns的时间内放电5A至6A的高电流。电流已经消散了5ns，这使得这是一个非常简洁但也非常不稳定的设备测试。由于这种快速瞬态，CDM测试中常见的故障模式包括栅极氧化层损坏、电荷捕获和结损坏。图7显示了CDM测试期间的电流波形。

图7. CDM放电期间的ESD电流。

设备级测试总结

HBM、MM和CDM是常用的电子元件ESD器件级测试程序。表1总结了它们的异同。

ESD抗扰度测试

ESD抗扰度测试（图8）是模拟人体对电子元件的静电放电的系统级测试。人体在低相对湿度、低电导率地毯或乙烯基服装上可能会产生静电。为了模拟放电事件，ESD发生器向被测设备（EUT）施加ESD脉冲。这可以通过两种方式发生。

种是通过与EUT直接接触，这称为接触放电，因为接触是与EUT进行物理接触。第二种是通过与EUT间接接触，通过空气进行放电。该测试称为气隙放电。该测试由国际电工委员会（IEC）根据IEC61000-4-2 ESD抗扰度测试规范定义。

该测试的特点是上升时间短，小于10ns，脉冲宽度约为100ns，表明是低能量静态脉冲。ESD抗扰度测试要求至少进行10次正极性和负极性放电，建议放电间隔时间为一秒。因此，EUT将针对ESD抗扰系统级规范进行至少20次测试。图8显示了测试的有用图形表示，供您参考。

图8. 根据IEC61000-4-2进行ESD抗扰度测试。

图9显示了设备级和系统级测试标准之间的差异。IEC ESD测试通常被称为组件测试的黄金标准，其测试电压通常比CDM高八倍，峰值电流测试比HBM高二十倍。

图9. ESD器件和系统级测试之间的比较。

抗EFT能力

IEC61000-4-4的系统级测试标准被称为电快速瞬变（EFT）抗扰度测试模型（图10）。EFT抗扰度测试模拟日常环境中因关闭感性负载、继电器触点弹跳以及直流或通用电机运行而导致的瞬态。该测试对所有电源线、信号线和地线进行。这也称为突发抗扰度测试。

突发被定义为具有有限持续时间的脉冲序列。在EFT/突发抗扰度测试中，突发发生器产生一系列测试脉冲，在不到100ns的时间内衰减至其峰值的50%。下一个相邻脉冲通常是1?s后。典型的突发持续时间为15ms。突发周期，即从一个突发开始到下一个突发的时间，为300ms。该循环重复10秒，之后10秒不进行测试。这代表一个测试周期。

此操作必须重复总共6次，总时间为110秒。EFT/突发脉冲群抗扰度测试的重要性在于其脉冲上升时间短、重复率高以及能量含量低。

虽然EFT的快速上升时间和低能量含量与ESD脉冲有些相似，但每个测试周期的脉冲数量却并非如此。假设脉冲前沿之间的间隔为1μs，则持续时间15ms的EFT突发至少包含15000个脉冲。乘以10秒窗口内的突发数量，即10秒/300毫秒=33.3突发，每10秒窗口产生500,000个脉冲。因此，应用六个具有10秒暂停间隔的10秒窗口会在110秒内产生300万个脉冲。

由于EFT测试不涉及导体的直接接触，而是通过电容钳进行间接应用，因此选择具有内部屏蔽的适当工业级布线可以通过大幅衰减EFT能量的耦合来对DUT产生巨大的补救措施进入导体。图10提供了EFT/突发脉冲群抗扰度测试的图形表示，供您参考。

图10. 根据IEC61000-4-4进行EFT抗扰度测试。

浪涌抗扰度

浪涌抗扰度测试IEC61000-4-5（图11）是电流和持续时间点上严格的瞬态抗扰度测试。然而，其应用往往仅限于长信号线和电源线（L>30m）。浪涌抗扰度测试通常被称为“雷击测试”，因为它模拟雷击（直接雷击或间接雷击引起的感应电压和电流）引起的开关瞬态，或开关电源系统，包括负载变化和短路。

浪涌发生器的输出波形是针对开路和短路条件指定的。开路峰值电压与峰值短路电流之比就是发电机的输出阻抗。该测试的特点是由于发生器阻抗低而产生高电流，并且脉冲持续时间长（大约比ESD抗扰度和EFT抗扰度测试长1000倍），表明是高能量脉冲。

该测试需要五个正浪涌脉冲和五个负浪涌脉冲，连续脉冲之间的时间间隔为一分钟或更短。常见的程序是将暂停间隔缩短至12秒，从而将总测试时间减少到两分钟以下。虽然这种方法加剧了浪涌影响，但由于保护电路减少了脉冲之间的恢复时间，因此有助于显着降低测试成本。有关浪涌抗扰度测试的图形表示，请参见图11。

图11. 根据IEC61000-4-5进行浪涌抗扰度测试。

系统级测试总结

系统级测试标准由IEC根据IEC61000-4规范编制。虽然该规范系列中列出了大约25个系统级测试标准，但涉及瞬态抗扰度测试的标准包括：ESD(IEC61000-4-2)、EFT/突发(IEC61000-4-4)和浪涌/闪电(IEC61000-4-5)。表2提供了这些系统级测试的比较。