详细讲解半导体器件的ESD模型

半导体器件都包括ESD保护电路。但是要确保按照JEDEC标准的有效性和可靠性要求，必须进行ESD测试以使零件合格。器件ESD测试共有三种主要测试模型：人体模型（HBM），充电设备模型（CDM）和机器模型（MM）。静电放电（ESD）和静电过应力（EOS）事件可能发生在任何地方，例如制造和装配过程区域，生产测试环境，运输和现场应用。

EOS和ESD可能是由于瞬态，过大的电源电流，不良的接地，电源电压与地之间的电阻路径低，引脚短路以及电路内部损坏而引起的。如果暴露在超出数据手册规格的条件下，IC最终可能会发生故障。在数据表规格范围内操作时，EOS损坏不会由组件的内部条件引起，因此，如果存在异常情况，则会发生EOS损坏。由于接地不当，测试和处理设备会积累静电荷，当静电荷接触时，静电荷会通过IC传输。

ESD

HBM模拟由于人体放电而产生的ESD。人们被认为是ESD的主要来源，而HBM是描述ESD事件的常用模型。CDM模拟带电设备与导电材料接触时的放电。MM表示从物体到组件的放电。对象可以是任何工具或生产设备。

人体模型

当人们走路时，它们会产生一些电能并将其排放到地面。每一步都建立起可以用以下方式表示的费用：ΔV/Δt= nΔq/ C

其中n是步数/秒，C是人的电容。考虑在绝缘地板上的典型情况，其每人步长的ΔV增加300 V，并在10秒内达到约3 kV。（注意：会发生一些电荷泄漏。）对于HBM测试，有一个简单的串联RC网络可模拟人体放电。1MΩ电阻用于为100 pF电容器充电。使用1.5kΩ电阻进行放电。HBM事件最具破坏性，上升时间快。因此，需要快速上升时间脉冲来更精确地模拟HBM放电事件。

放电电流i（t）定义为：

i（t）= i 0 exp（–t /τ）

i 0 = V HBM /（R DUT + R）

和：t = C（R + R DUT）

R = 1.5kΩ

被测设备（DUT）的功耗为：P（t）= i 2（t）R DUT

传递给DUT的总能量为：

雷卯电子小编认为以上公式太烧脑，搞清楚原理即可。产生的热量取决于电容，DUT电阻和ESD脉冲的峰值电压。在HBM测试中，IC故障模式通常会显示栅极氧化层，接触尖峰和结损坏。图1显示了测试设置和电流波形特性。通过1MΩ电阻和100 pF电容器串联施加高压。电容器充满电后，通过1.5kΩ电阻放电至DUT引脚。

图1 ESD-HBM测试设置（左）根据放电事件生成波形（右）。

充电设备模型

CDM模拟无法通过HBM测试模拟的设备损坏。它可以模拟通过摩擦电效应直接充电的设备，也可以通过存储在人体中并在外部环境中放电的静电感应和静电荷间接地充电。

此测试用于模拟制造环境中发生的情况，例如机械设备处理（其中设备从运输管中滑落）或测试处理程序，这些处理程序会累积电荷，然后将其放电到地面。图2显示了CDM ESD测试和典型的电流波形特性。当外部接地接触被充电设备的DUT引脚时，存储的电荷将从设备释放到外部接地。在CDM测试中，设备应背对着测试夹具朝上放置。

图2 ESD-CDM测试设置（顶部）从放电事件生成波形（底部）。

CDM电流高于HBM电流，因为路径中没有限流电阻来限制放电。对于500 V测试电压，电流波形上升时间通常约为400 ps，峰值电流约为6 A，持续1.5至2 ns。对于1000V测试电压，峰值电流大小约为12A。

机器模型

MM也称为0-Ω模型，旨在模拟通过设备放电到地面的机器。MM测试中的失败模式与HBM测试中的失败模式相似。在测试设置中，与电阻器串联的高压（HV）电源为电容器充电。开关用于将其从高压电源中移除，并将其连接至电感器以进行放电。电感器产生振荡电流波形。MM使用与HBM相同的基本测试电路，不同之处在于R = 0Ω和C = 200 pF （图3）。一个200 pF的电容器代表一个导电物体，例如金属处理机，与一个1MΩ的电阻器一起使用进行充电。使用0.5μH的电感进行放电。MM测试不如HBM测试更常用。MM电流特性波形由正弦和负弦正弦波组成，并呈指数衰减。

图3 ESD-MM测试设置（左）根据放电事件生成波形（右）。

模型比较

HBM和MM的相似的上升时间（即〜10 ns）和总持续时间会导致可比的焦耳热，从而导致两个模型的相似失效机理。MM测试的失效特征和放电过程通常与HBM测试的失效特征和放电过程相同。因此，HBM测试可以保证MM ESD鲁棒性。

通常，MM ESD的应力水平大约比HBM ESD的应力水平低10倍。同样，HBM的保护电压水平通常为〜2 kV，而MM的保护电压水平为〜200 V，CDM的保护电压水平为〜500V。CDM与HBM和MM完全不同，因此它们之间没有相关性。因此，CDM和HBM测试通常用于测试ESD保护电路。图4显示了HBM，MM和CDM的电流波形特性。CDM波形对应于已知的最短ESD事件，其上升时间为400 ps，总持续时间约为2 ns。

图4. HBM，CDM和MM的电流波形显示出明显差异。

器件的ESD灵敏度可以定义为它通过的最高ESD测试电压和失败的最低ESD测试电压。每个模型都有其自己的分类，用于根据设备的ESD敏感性对设备进行分类。从电路防护的角度来讲，首先半导体本身要设计足够的ESD电路保证自身在生产制造，包装运输，贴片焊接过程中的生命完整。雷卯电子也为芯片设计公司提供ESD电路IP 服务，让您的半导体器件更强壮。

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