静电放电ESD最常用的三种模型及其防护设计

5种ESD防护方法静电放电（ESD）理论研究的已经相当成熟，为了模拟分析静电事件，前人设计了很多静电放电模型。

常见的静电模型有：人体模型（HBM），带电器件模型，场感应模型，场增强模型，机器模型和电容耦合模型等。

芯片级一般用HBM做测试，而电子产品则用IEC 6 1000­4­2的放电模型做测试。

为对 ESD 的测试进行统一规范，在工业标准方面，欧共体的 IEC 61000­4­2 已建立起严格的瞬变冲击抑制标准；电子产品必须符合这一标准之后方能销往欧共体的各个成员国。

因此，大多数生产厂家都把 IEC 61000­4­2看作是 ESD 测试的事实标准。

我国的国家标准（GB/T 17626.2­1998）等同于I EC 6 1000­4­2。

大多是实验室用的静电发生器就是按 IEC 6 1000­4­2的标准，分为接触放电和空气放电。

静电发生器的模型如图 1。

放电头按接触放电和空气放电分尖头和圆头两种。

IEC 61000­4­2的 静电放电的波形如图2，可以看到静电放电主要电流是一个上升沿在1nS左右的一个上升沿，要消除这个上升沿要求ESD保护器件响应时间要小于这个时间。

静电放电的能量主要集中在几十MHz到500MHz，很多时候我们能从频谱上考虑，如滤波器滤除相应频带的能量来实现静电防护。

IEC 61000­4­2规定了几个试验等级，目前手机CTA测试执行得是3级，即接触放电6KV，空气放电8KV。

很多手机厂家内部执行更高的静电防护等级。

当集成电路（ IC ）经受静电放电（ ESD）时，放电回路的电阻通常都很小，无法限制放电电流。

例如将带静电的电缆插到电路接口上时，放电回路的电阻几乎为零，造成高达数十安培的瞬间放电尖峰电流，流入相应的 IC 管脚。

瞬间大电流会严重损伤 IC ，局部发热的热量甚至会融化硅片管芯。

1.ESD模型ESD测试模型有很多种，目前比较常见的模型就有以下这些：人体模型人体金属模型机器模型带电器件模型家具模型人体静电是引起火炸药和电火工品发生意外爆炸的最主要和最经常的因素，国内外对电火工品的防静电危害要求都是以防人体静电为主，并建立了人体模型（Human Body Model -HBM），HMB是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。

2，人体模型目前与我们公司产品相关的ESD模型，也只有人体模型，人体模型分为两种，他们的电路构造是相同的，不同的只是他们的载荷电容和放电电阻不同，他们是用于MIL-STD-883标准的人体模型，如下图：另外一种人体模型是用于IEC-61000-4-2的人体模型，如下图：3，MIL-STD-883的放电波形MIL-STD-883的测试包含从小于250V到大于8000V的许多等级，当然目前主要使用的是2000V和4000V。

他的电流波形如下：4，IEC-61000-4-2放电波形IEC-61000-4-2的测试分为Contact discharge和Air-gap discharge两种，他们的放电波形如下：6,IEC-61000-4-2和MIL-STD-883的主要不同MIL-STD-883是应用多年的美军标，目前许多的仪器设备仍在使用此标准进行静电测试。

而IEC-61000-4-2是IEC根据MIL-STD-883的应用情况和人体静电的发展情况而于最近颁发的静电测试标准；从其放电波形和参数上，我们能够看出：1）IEC-61000-4-2减小了放电模型的充电电阻和放电电阻，因此它的峰值放电电流远高于MIL-STD-883。

2）由于放电电阻的减小，其放电电流的上升时间常数大为减小，导致其放电瞬间电流上升速率加大了几十倍，这将对仪器造成更大的破坏。

由以上我们可以看出，IEC-61000-4-2相对与MIL-STD-883更为严苛，而大部分的IC对静电的防护等级为MIL-STD-883 2000V, 而我们的仪器和测试板往往要通过IEC-61000-4-2 8000V的测试，因此必须对输入输出端口进行良好的ESD防护，才可使内部的IC不被毁坏或损伤。

如何防护ESD一些ESD的常识及防护方法介绍ESD是Electro Static Discharge英文的缩写，中文含义即静电放电：处于不同电位的两个物体之间，由于直接接触或静电场感应导致的电荷传输（转移）。

可见，静电与静电放电（ESD）是完全不同的物理概念或物理过程。

一个是“静”，一个是“动”。

伴随着静电放电，往往有电量的转移、电流的产生和电磁场辐射。

1何为静电静电是物体表面过剩或不足的静止电荷。

1.静电是一种电能，它留存物体表面。

静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果；静电是通过电子或离子转移而形成的。

2.静电现象是电荷的产生和消失的过程中产生的电现象的总称。

2静电放电三要素Q+M+D=ESDQ：一定积累的静电荷。

M：放电途径，如金属接触、对地或低阻的泄放途径。

D：静电敏感器件。

3静电产生原理电子围绕原子核运动,一有外力即脱离轨道,离开原来的原子而侵入其他的原子。

外力包含各种能量, 如动能,位能,热能,化学能,电磁能等。

A原子因缺少电子数而带有正电现象, 称为阳离子。

B原子因增加电子数而带有负电现象, 称为阴离子。

4静电在电子工业中的危害1.静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。

2.静电放电破坏，使元件受损不能正常工作：静电放电时当放电电流过大(瞬时大电流可达几十A), 产生过高热能, 将会击穿元件。

三种击穿现象：热击穿：P-N破坏；介电击穿: 氧化层的破坏；金属汽化: 金属线被汽化而开路。

3.静电放电辐射的电磁场幅度很大（可达几百V/m）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产品造成干扰甚至损坏。

5ESD测试标准目前IEC 61000-4-2看作是 ESD 测试的事实标准。

我国的国家标准（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。

常用消费类的测试采用接触4KV和空气8KV，某些高标准行业如车载类，会采用8KV和空气15KV。

6电路级ESD防护标准1.并联放电器件常用的放电器件有TVS，齐纳二极管，压敏电阻，气体放电管等。

静电防护（ESD）设计ESD(Electrostatic Discharge)是静电放电的简称。

非导电体由于摩擦，加热或与其它带静电体接触而产生静电荷，当静电荷累积到一定的电场梯度时（Gradient of Field）时，便会发生弧光(Arc), 或产生吸力（Mechanical Attraction）. 此种因非导电体静电累积而以电弧释放出能量的现象就称为ESD。

8-1影响物体带静电的因素材料因素电导体---电荷易中和，故不致于累积静电荷。

非电导体---电阻大，电荷不宜中和（Recombination）,故造成电荷累积.两接触材料（非导电体）之间的相对电介常数（Dielectric Constant）越大，越容易带静电。

Triboelectric Table当材料的表面电阻大于109 ohms/square时，较容易带静电.0 ohms/square~106 ohms/square 导体106 ohms/square~109 ohms/square 非静电材质109 ohms/square~ ∞易引起静电材质防静电材料之表面电阻值导电PE FOAM 104~106 ohms/square抗静电袋108~1012 ohms/square抗静电材质10~108 ohms-cm∙空气中的相对湿度越低，物体越容易带静电ESD的参数特性∙电容ESD的基本关系式：V=Q/CQ为物体所带的静电量，当Q固定时，带静电物体的电容越低，所释放的ESD电压越高。

通常女人的电容比男人高，一般人体的电容介于80pfd~500pfd之间.∙电压ESD所释放的电压，时造成IC组件故障的主要原因之一。

人体通常因摩擦所造成的静电放电电压介于10~15kV, 所能产生的ESD电压最高不超过35~40kV的上限。

人体所能感应的ESD电压下限为3~4kV∙能量W=1/2 *CV2典型的ESD能量约在17 milijoules, 即当C=150 pfd, V=15kV时W=1/2 * 150 *1012 * (15 * 103)2 =17 * 103 joules (焦耳)∙极性物体所带的静电有正负之分，当某极性促使该组件趋向Reverse Bias时，则该组件较易被破坏.5. RISE TIME ( tr )RISE TIME---ESD起始脉冲(PULSE)10%到90%ESD电流的尖峰值所须的时间.Duration--- ESD起始脉冲50%到落下脉冲50%之间所经过的的时间使用尖锐的工具放电，产生的ESD Rise time最短，而电流最大.ESD产生可分为五个阶段进行:1. 先期电晕放电（Corona Discharge）, 产生RF辐射波.2. 先期电场放电（Pre-discahrge E-Field）3. 电场放电崩溃（Collapse）4. 磁场放电(Discharge H-Field)5. 电流释出，并产生瞬时电压（Transient Voltage）8-2 电子装备之ESD问题1. 直接放电到电子组件由电压导致的破坏o以MOS（Metal Oxide Semiconductar）DEVICE为主o当ESD电压超过氧化层（如SiO2）的Breakdown Voltage时，即造成组件破坏.o由电场引起由电流导致的破坏o以BIPOLAR ( Schottky , TTL) DEVICE 为主o当ESD电流达到2~5A时，因焦耳效应产生的高热（I2t）, 将IC JUNCTION烧坏.o由磁场引起1. 直接放电到电子设备外壳当带静电的人体接触电子装备的金属外壳时，若该装备有接地，则ESD电流会直接流至地线，否则有可能流经电子组件再流至GROUND, 造成组件的破坏。

ESD阻抗标准
ESD（Electrostatic Discharge，静电放电）阻抗标准是用于描述电子元器件在静电放电环境下的耐受能力的标准。

常见的ESD阻抗标准包括以下几种：
1. Human Body Model（人体模型）
人体模型是一种用于描述人体静电放电的标准，通常使用一个等效电路来表示。

该模型包括电阻、电容和电感三个元件，用于描述人体静电放电过程中的电流、电压和能量等参数。

2. Machine Model（机器模型）
机器模型是一种用于描述电子设备在静电放电环境下的耐受能力的标准。

该模型通常包括电阻、电容和电感三个元件，用于描述设备在静电放电过程中的电流、电压和能量等参数。

3. Charged Device Model（带电器件模型）
带电器件模型是一种用于描述电子元器件在静电放电环境下的耐受能力的标准。

该模型通常包括电阻、电容和电感三个元件，并考虑了元器件的电荷量、电荷分布和放电时间等因素。

4. Universal Relationship（通用关系）
通用关系是一种用于描述静电放电过程中电压和电流
之间关系的标准。

该关系通常采用一个数学公式来表示，可以用来计算静电放电过程中的电压和电流等参数。

这些ESD阻抗标准通常用于电子元器件的设计和测试，以确保它们在静电放电环境下的稳定性和可靠性。

静电防护设计和潮湿敏感度控制—ESD和MSD
一、ESD基础知识
1.静电基本概念
2.静电的历史
3.静电的危害
4.静电放电（ESD）的常用模型
5.静电材料和静电标识
二、静电标准介绍
重点介绍美国国家标准ANSI/ESD S20.20
三、ESD问题失效分析
1.静电损伤的失效模式
2.静电损伤失效机理
3.静电损伤失效分析方法
4.静电失效分析案例
四、ESD防护设计
1.器件选用
2.防护电路设计技巧
3.结构、工艺静电防护设计
4.电子产品静电测试方法
五、ESD控制
1.静电控制的范围
2.静电控制的原则和方法
3.静电控制流程
4.中型企业静电控制实例介绍
六、MSD基础知识
1.封装基础知识
2.MSD等级划分方法
3.MSD导致产品可靠性问题的失效机理
4.案例
七、MSD国际标准
1.JSTD020C标准介绍
2.JSTD033B标准介绍
八、MSD控制指导
1.通用要求
2.对来料检验的要求
3.对仓储的要求
4.对车间的要求
九、MSD问题失效分析方法。

关于电子设备静电放电(ESD)防护的设计原则静电是物体表面的静止电荷。

物体在接触、摩擦、分离、电解等过程中，发生电子或离子的转移，正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡，就形成了静电。

当物体表面的静电场梯度达到一定的程度，正电荷和负电荷发生中和，就出现了静电放电(ESD)。

静电放电可以出现在两个物体之间，也可由物体表面经电荷直接向空气放电。

l 静电放电的危害静电作为一种普遍物理现象，近十多年来伴随着集成电路的飞速发展和高分子材料的广泛应用，静电的作用力、放电和感应现象引起的危害十分严重，美国统计，美国电子行业部门每年因静电危害造成损失高达100亿美元，英国电子产品每年因静电造成的损失为20亿英镑，日本电子元器件的不合格品中不少于45％的危害是因为静电放电(ESD)造成的。

问题严重性还在于很多人对静电危害的认识不足和防静电知识的无知，常把一些因ESD造成的设备性能下降或故障，误认为是元器件早期老化失效。

所造成的误区有以下几点。

(1)首先由于许多人对静电的产生不太了解，因为l~2kV以下的静电放电感觉不到的，但却能使器件因电击而受到损伤。

(须知一般MOS电路和场效应管击穿电压约为300V)所以说静电的损伤是在人们不知不觉的过程中发生的。

(2)器件的失效分析比较困难，因为静电的损伤与其他瞬变过程的过电压造成的器件损伤有时是很难区分开来。

(3)有的器件在受静电损伤以后，并不是不能用，而是特性有所下降，人们并不是当时就能发现，但已经造成了潜在的失效隐患，在将来某种特定的条件下，最终会导致器件失效，如器件氧化层出现一个孔，设备长时间工作后，金属化电迁移引起短路烧毁，从而导致设备故障。

这种类型的静电损伤，将会大大的缩短元器件的使用寿命。

(4)有人错误地认为现在的集成电路，如MOS电路，不少的生产厂家在设计上已采用了抗静电的保护电路，认为防静电并不一定需要。

但是，人们在生产活动中，工作人员穿的化纤衣服，各种塑料制品包装，上述材料的滑动、摩擦、或分离，特别是在空气干燥的季节里，将会产生600~15000V的静电电压，如果湿度为20％以下时，静电电压可高达30kV。

ESD静电防护策略1. 引言静电（Electrostatic Discharge, ESD）防护是确保电子产品在设计、生产、运输、使用和维护过程中免受静电放电影响的一系列措施。

静电放电可能导致电子组件损坏或性能下降，因此，制定有效的ESD防护策略至关重要。

本文档详细介绍了我司的ESD静电防护策略，以指导相关部门和员工在各个环节中采取相应的防护措施，确保产品质量和客户满意度。

2. ESD基础知识2.1 静电的产生静电是由于电荷的不平衡而产生的。

当两种不同材料接触并分离时，由于电子的转移，一种材料会带正电荷，另一种材料会带负电荷。

2.2 静电放电（ESD）静电放电是静电电荷通过空气或介质转移到另一个电荷为相反电性的物体上，以达到电荷平衡的过程。

ESD放电过程中产生的电流可能会损坏电子组件。

2.3 ESD的防护方法ESD防护方法包括：- 湿度控制：提高环境湿度可以降低静电的产生和积累。

- 抗静电材料：使用抗静电材料可以减少静电的产生和积累。

- 静电消除器：使用静电消除器可以有效去除静电。

- 接地：确保设备和人员接地，以防止静电积累。

3. ESD防护策略3.1 设计和开发阶段在产品设计和开发阶段，应考虑ESD防护措施，包括：- 选择抗静电材料：在设计过程中，选择具有抗静电性能的材料，以减少静电的产生和积累。

- 接地设计：确保产品具有良好的接地设计，以便将静电及时导入大地。

- 静电放电敏感性评估：对产品进行静电放电敏感性评估，以确定产品对ESD的敏感程度。

3.2 生产阶段在生产阶段，应采取以下ESD防护措施：- 工作环境控制：确保工作环境具有适当的湿度和抗静电措施。

- 人员培训：对员工进行ESD防护培训，提高他们的ESD意识。

- 防静电设备：使用防静电设备，如防静电桌布、防静电手环等。

- 物料管理：确保物料在运输和存储过程中采取适当的ESD防护措施。

3.3 测试和检验阶段在测试和检验阶段，应采取以下ESD防护措施：- 防静电测试设备：使用防静电测试设备进行产品测试，以确保产品符合ESD防护要求。