谨防ESD陷阱(四)：ESD放电模型

在前几期，介绍了静电的产生和失效机理之后，这一节将介绍静电放电（ESD）应力模型。根据不同的放电场景，划分出了不同的放电模型：HBM、MM、CDM、IEC等等，今天小禾就分别来介绍它们。

通过摩擦起电，感应起电，分离起电我们产生了电荷积累，一旦存在泄放通路，这些累计的电荷就会从此通路进行泄放。

电荷泄放的过程等效为电容和电阻，初始电荷聚集在电容之上。C=Q/V所以，我们更习惯用等效电压V来表示。由于产生静电的机制不一样，带电物体大小不一样，储存的电荷不一样。那么泄放过程中的等效电容、电阻、和电感也就不一样。

HBM 模型

人体模型（HBM）是用于描述电子设备对静电放电（ESD）损害敏感性的最常用模型。该模型模拟人身上积累的电荷向接地集成电路元件引脚的放电情况。人在走过地毯、乙烯基地板或通过其他方式时可能会积累这种电荷。以下示意图展示了人将自身积累的电荷释放到集成电路引脚的过程以及此事件产生的电路示意图。

下图是一个典型的人体模型（HBM）压力模拟器的电气原理图。许多行业应力实验室使用的人体模型压力模拟器类似于赛默飞世尔科技 Keytek 部门的 Mk.4 型或 NoiseKen 公司的 ESS - 6002 型元件级静电放电模拟器。

下图展示了在人体模型（HBM）模拟过程中施加于集成电路引脚的 HBM 应力波形。该图表显示了在 1 千伏和 2 千伏 HBM 应力脉冲作用下，集成电路引脚在应力作用下的预期电流。

MM 模型

机器模型 (MM) 是一种静电放电 (ESD) 模型，旨在模拟因与设备和空插座接触（功能测试、老化测试、可靠性测试等）而引起的突发放电事件。该模型在日本研发并在当地广泛使用。这个模型对测试设备的寄生效应和控制极为敏感，要符合标准非常困难。MM 模型的应力电流水平比人体模型 (HBM) 的应力电流水平高得多。对于 200 伏的 MM 应力水平，峰值电流为 3.5 安培，相当于 4 千伏的 HBM 静电放电应力脉冲。除非客户有特殊要求，否则 MM 应力仅作参考信息。MM 模型已被更精确的带电器件模型 (CDM) 和人体模型 (HBM) 所取代。

下方的图是机器模型 (MM) 模拟器的等效电路。

下图是 200 伏机器模型应力脉冲的电流应力波形。

CDM 模型

充电器件模型 (CDM) 是一种静电放电 (ESD) 模型，它能最好地模拟集成电路实时受到的静电放电威胁。例如，该模型涵盖了这样一种情况：集成电路元件封装积累了电荷，当它通过集成电路自动操作装置系统时，集成电路引脚与自动操作装置的接地表面接触，通过与接地表面接触的单个引脚释放封装所积累的电荷。这在下图的原理图中有展示，并通过等效电路加以描述。

左下方的图展示了在集成电路封装被充以 500 伏充电器件模型 (CDM) 应力电压后，充电器件模型放电电流在集成电路引脚中的流动情况。    

ICE 模型

IEC61000-4-2(System level ESD)系统级ESD一般用于模拟芯片在被装配到系统中后，应用系统中产生的静电放电。

以下原理图展示了国际电工委员会（IEC）规定的静电放电（ESD）事件的可能成因。电荷通过摩擦起电在人体和家具上积聚。系统级静电放电事件是由带电人员通过诸如螺丝刀之类的金属工具直接向电子系统内部或其附近放电，或者与电子系统相邻的椅子或家具向电子系统放电而引起的。

系统级静电放电事件可能会在系统中导致两种类型的故障：

1，软故障或对受影响系统运行造成的干扰（例如，复位、死机、数据丢失）。

2，硬故障或对系统电子元件造成的灾难性损坏。

国际电工委员会（IEC）应力标准定义了两种应力放电模式，接触放电用于模拟带电人员触摸电子系统，空气放电用于模拟人或物体对电子系统的电弧放电。下方的波形图给出了不同应力电压水平下的国际电工委员会应力电流波形。

了解 ESD 的放电模型对于电子设备的设计、生产、使用和维护都具有重要意义。通过采取有效的静电防护措施，可以降低静电放电的风险，提高电子设备的可靠性和稳定性，为电子行业的发展做出贡献。