人體模型 (HBM) 器件級測試是 ESD 測試常用的模型。它用于表征電子元件對 ESD 損壞的敏感性。該測試模擬人體對電子元件的放電，如果人體積累了殘余電荷（例如，穿著襪子拖著腳走過地毯）并觸摸電子設備，就會發生這種情況。集成電路 HBM 測試的故障模式通常包括結損壞、金屬滲透、金屬層熔化、接觸尖峰和柵極氧化物損壞。

通過應用與 1 MO 電阻器和 100 pF 電容器串聯的高壓電源來設置測試程序。電容器充滿電后，將電容器從高壓電源和串聯電阻上移除，并使用開關與 1.5 kΩ 電阻和被測設備 (DUT) 串聯。因此，電壓通過電阻器和 DUT 完全耗散。圖 1 表示上述電路。高壓電源的值根據測試級別的不同而變化，范圍為 0.5 kV 至 15 kV。

圖 1.人體模型。

圖 2 顯示了典型的示波器讀數，當電容器開始放電時，初始電流尖峰高達 1.4A 至 1.5A，然后逐漸下降，直到在大約 500 納秒時漸近接近零安培。在傳統人體模型測試中，被測設備在單次放電事件中所能承受的功率為22.5 kW。 （請始終記住，功率 [W] = 電流 [A] · 電壓 [V]。）

 

圖 2. HBM 放電期間的 ESD 電流。

機器型號

機器模型 (MM) 設備級測試初于 20 世紀 90 年代開發，如今已不太常見。此時，為了增加產量，工業自動化制造站點變得越來越受歡迎。這些機器在打開后就會帶電，并且在接觸后會向電子元件放電。因此，MM 被作為模擬此類 ESD 事件的測試。 MM 中常見的故障模式與人體模型類似，例如結損壞、金屬層熔化以及柵極氧化物損壞。

MM 的測試程序采用與電阻器和 200 pF 電容器串聯的高壓電源進行設置。電容器充滿電后，將電容器從高壓電源和串聯電阻器上移除，然后使用開關串聯至 0.5 ?H 電感器和被測設備 (DUT)。電感器和電容器電壓通過 DUT 耗散。圖 3 是 MM 測試電路的示意圖。高壓電源的傳統值可能有所不同，但常見的范圍是 50V 至 400V。

圖 3. 機器模型。

當查看示波器測量電流隨時間變化的情況時（圖 4），您可以看到 RLC 電路場景會產生交流電。電流達到約 ±3 安培，大約是 HBM 峰峰值電流幅度的四倍。此外，MM 的耗散時間要長得多，因為它在 900 ns 時仍漸近地接近零安培。圖 4 顯示了典型的瞄準鏡鏡頭。 DUT 在 MM 放電事件期間經歷的功耗約為 1.2 kW。

圖 4. MM 放電期間的 ESD 電流。

此外，MM 的一個有趣之處在于，它要求 DUT 上的每個引腳都按照其標準進行測試。電子芯片安裝在專門設計的負載板上，該負載板與自動 ESD 測試儀連接。每個引腳都經過單獨測試，而板上的其他引腳則接地。執行此過程直至測試完所有引腳。圖 5 提供了如何進行測試的圖形圖像。

圖 5. 對組件進行 MM 放電。

帶電設備型號

帶電設備模型 (CDM) 設備級測試程序是對自動化制造環境中經常發生的情況的模擬。眾所周知，機器可以無限期地保持運行狀態。這會導致電子 IC 隨著時間的推移而帶電。當該部件與接地導體接觸時，所建立的殘余電容就會被放電。對于 CDM 測試，將 DUT 背面朝上放置在測試板上。

金屬場板和 DUT 由絕緣材料隔開，該絕緣材料充當兩個物體之間的電容器。然后將金屬場板連接到高壓電源并升高到所需的 CDM 測試電壓電平。然后，探針接近發生 ESD 事件的被測特定引腳。這可以通過監視被測引腳的接地連接來驗證。在 DUT 的每個引腳上重復此測試，以獲得三個正脈沖和三個負脈沖。這導致每個引腳總共放電六次。圖6 顯示了帶電器件模型的等效電路。

圖 6.帶電設備模型。

圖 7中的示波器截圖 表明 CDM 放電是一個極快的瞬態。它多需要幾納秒，這使得測試和建模變得困難。該測試的結果是在不到 1 ns 的時間內放電 5A 至 6A 的高電流。電流已經消散了 5 ns，這使得這是一個非常簡潔但也非常不穩定的設備測試。由于這種快速瞬態，CDM 測試中常見的故障模式包括柵極氧化層損壞、電荷捕獲和結損壞。圖 7 顯示了 CDM 測試期間的電流波形。

圖 7. CDM 放電期間的 ESD 電流。

設備級測試總結

HBM、MM 和 CDM 是常用的電子元件 ESD 器件級測試程序。表 1 總結了它們的異同。

表 1：設備級測試摘要。

靜電放電抗擾度

ESD 抗擾度測試（圖 8）是模擬人體對電子元件的靜電放電的系統級測試。人體在低相對濕度、低電導率地毯或乙烯基服裝上可能會產生靜電。為了模擬放電事件，ESD 發生器向被測設備 (EUT) 施加 ESD 脈沖。這可以通過兩種方式發生。

種是 通過與 EUT 直接接觸，這稱為接觸放電，因為接觸是與 EUT 進行物理接觸。第二種是通過與 EUT 間接接觸， 通過空氣進行放電。該測試稱為氣隙放電。該測試由國際電工委員會 (IEC) 根據 IEC61000-4-2 ESD 抗擾度測試規范定義。

該測試的特點是上升時間短，小于 10 ns，脈沖寬度約為 100 ns，表明是低能量靜態脈沖。 ESD 抗擾度測試要求至少進行 10 次正極性和負極性放電，建議放電間隔時間為一秒。因此，EUT 將針對 ESD 抗擾系統級規范進行至少 20 次測試。圖 8顯示了測試的有用圖形表示，供您參考。

圖 8. 根據 IEC61000-4-2 進行 ESD 抗擾度測試。

圖 9 顯示了設備級和系統級測試標準之間的差異。 IEC ESD 測試通常被稱為組件測試的黃金標準，其測試電壓通常比 CDM 高八倍，峰值電流測試比 HBM 高二十倍。

圖 9. ESD 器件和系統級測試之間的比較。

抗 EFT 能力

IEC61000-4-4的系統級測試標準被稱為電快速瞬變（EFT）抗擾度測試模型（圖10）。 EFT 抗擾度測試模擬日常環境中因關閉感性負載、繼電器觸點彈跳以及直流或通用電機運行而導致的瞬態。該測試對所有電源線、信號線和地線進行。這也稱為突發抗擾度測試。

突發被定義為具有有限持續時間的脈沖序列。在 EFT/突發抗擾度測試中，突發發生器產生一系列測試脈沖，在不到 100 ns 的時間內衰減至其峰值的 50%。下一個相鄰脈沖通常是 1 ?s 后。典型的突發持續時間為 15 ms。突發周期，即從一個突發開始到下一個突發的時間，為 300 ms。該循環重復 10 秒，之后 10 秒不進行測試。這代表一個測試周期。

此操作必須重復總共 6 次，總時間為 110 秒。 EFT/突發脈沖群抗擾度測試的重要性在于其脈沖上升時間短、重復率高以及能量含量低。

雖然 EFT 的快速上升時間和低能量含量與 ESD 脈沖有些相似，但每個測試周期的脈沖數量卻并非如此。假設脈沖前沿之間的間隔為 1 μs，則持續時間 15 ms 的 EFT 突發至少包含 15000 個脈沖。乘以 10 秒窗口內的突發數量，即 10 秒 / 300 毫秒 = 33.3 突發，每 10 秒窗口產生 500,000 個脈沖。因此，應用六個具有 10 秒暫停間隔的 10 秒窗口會在 110 秒內產生 300 萬個脈沖。

由于 EFT 測試不涉及導體的直接接觸，而是通過電容鉗進行間接應用，因此選擇具有內部屏蔽的適當工業級布線可以通過大幅衰減 EFT 能量的耦合來對 DUT 產生巨大的補救措施進入導體。圖 10 提供了 EFT/突發脈沖群抗擾度測試的圖形表示，供您參考。

圖 10. 根據 IEC61000-4-4 進行 EFT 抗擾度測試。

浪涌抗擾度

浪涌抗擾度測試 IEC61000-4-5（圖 11）是電流和持續時間點上嚴格的瞬態抗擾度測試。然而，其應用往往僅限于長信號線和電源線（L > 30m）。浪涌抗擾度測試通常被稱為“雷擊測試”，因為它模擬雷擊（直接雷擊或間接雷擊引起的感應電壓和電流）引起的開關瞬態，或開關電源系統，包括負載變化和短路。

浪涌發生器的輸出波形是針對開路和短路條件指定的。開路峰值電壓與峰值短路電流之比就是發電機的輸出阻抗。該測試的特點是由于發生器阻抗低而產生高電流，并且脈沖持續時間長（大約比 ESD 抗擾度和 EFT 抗擾度測試長 1000 倍），表明是高能量脈沖。

該測試需要五個正浪涌脈沖和五個負浪涌脈沖，連續脈沖之間的時間間隔為一分鐘或更短。常見的程序是將暫停間隔縮短至 12 秒，從而將總測試時間減少到兩分鐘以下。雖然這種方法加劇了浪涌影響，但由于保護電路減少了脈沖之間的恢復時間，因此有助于顯著降低測試成本。 有關浪涌抗擾度測試的圖形表示，請參見圖 11 。

圖 11. 根據 IEC61000-4-5 進行浪涌抗擾度測試。

系統級測試總結

系統級測試標準由 IEC 根據 IEC61000-4 規范編制。雖然該規范系列中列出了大約 25 個系統級測試標準，但涉及瞬態抗擾度測試的標準包括：ESD (IEC61000-4-2)、EFT/突發 (IEC61000-4-4) 和浪涌/閃電 (IEC61000) -4-5)。表 2 提供了這些系統級測試的比較。

 

表 2：系統級測試的比較。