静电放电模式电路及静电等级 及比较

静电放电（ESD）最常用的三种模型及其防护设计ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握?ESD?的相关知识。

为了定量表征 ESD 特性，一般将 ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。

1.HBM：Human Body?Model，人体模型：该模型表征人体带电接触器件放电，Rb 为等效人体电阻，Cb 为等效人体电容。

等效电路如下图。

图中同时给出了器件 HBM 模型的 ESD 等级。

ESD人体模型等效电路图及其ESD等级2.MM：Machine Model，机器模型：机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是?200pF，等效电阻为 0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取 200pF。

由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。

ESD机器模型等效电路图及其ESD等级3.CDM：Charged?Device?Model，充电器件模型：半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。

它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。

器件本身作为电容器的一个极板而存贮电荷。

CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：ESD充电器件模型等效电路图及其ESD等级器件的 ESD 等级一般按以上三种模型测试，大部分 ESD 敏感器件手册上都有器件的 ESD数据，一般给出的是 HBM 和 MM。

通过器件的 ESD 数据可以了解器件的 ESD 特性，但要注意，器件的每个管脚的 ESD 特性差异较大，某些管脚的 ESD 电压会特别低，一般来说，高速端口，高阻输入端口，模拟端口 ESD电压会比较低。

静电放电的模式通常可以分为机器装置放电模式(Machinery ESD model)、家俱放电模式(Furniture ESD model)、人体放电模式(Personnel ESD model)等三类。

简单说明如下:机器装置放电模式较容易在自动化的控制流程中发生，因在自动化机器中被绝缘之金属组件与绝缘体的摩擦、或是绝缘液体或高压气体等流过摩擦产生的静电，当能量累积到某程度而对邻近形成放电的情形。

家俱放电模式通常发生在金属家俱与绝缘物体的摩擦，如在地毯上或塑料地板拉动家俱，或是人从椅子上站起来瞬间的摩擦产生静电。

人体放电模式是因人体的动作摩擦产生静电，如我们穿胶鞋在地毯行走时，因摩擦使地毯带正电胶鞋带负电，此时人体脚底会感应而带正电，同时使上半身带负电, 若这时候如用手接触半导体电子组件 ,会导致该组件损坏。

上述三种形式的静电放电对半导体制程和电子产品组装都显得很重要，其中以人体放电模式所产生的放电电压，对电子产品(半导体组件)之伤害问题最广，因此国际间对电子产品防护人体放电模式的法规要求日益严谨，即使半导体电子组件在出厂前通过零件标准法规的静电测试，被安装到成品后经常仍未能通过系统产层次的法规要求。

国际间关于耐静电测试的法规，在半导体及电子产业界几乎都已经熟悉美军标准 MIL-STD-883. Method 3015所定义之人体静电放电模式 (ESD Human Body Model) ，且都接受它的测试水平要求。

但近年来由国际电工协会(IEC: International Electro-technical Commission)所制定的电 磁兼容基本规范(EMC Basic standards)中，包含一项静电测试规范 IEC 61000-4-2 受到国际间多数国家的认同， 对系统产品之静电耐受(immunity) 要求及测试方法定义很完整，目前信息与行动通讯之国际大公司多引用这 规范作为成品静电测试的依据。

静电放电最常用的三种放电模型是什么？1、ESD简介ESD：ESD是当具有累积正负电荷的物体（电介质）接触或接近时发生的放电现象，通常为高达几KV的纳秒级短脉冲。

目前根据ESD 产生的原因及其对集成电路放电的方式不同，常见的ESD 被分类为下列三类（还有一些模式并不常用），分别是：人体放电模式(HBM, Human Body Model), 机器放电模式(MM, Machine Model)以及充电设备模式(CDM, Charge Device Model)。

1.1 HBM-人体模型HBM(Human Body Model)，人体模型。

静电放电损害最常见的原因是，人体或带电材料将静电荷直接移转至静电放电敏感物体（ESDS）上。

在地板上行走时，身体便开始累积静电荷。

手指轻触（或靠近）ESDS 或组件的导电引线时，身体便会放电，且可能使器件受损。

这种放电模式称为「人体模型」（HBM）。

在各种ESD器件敏感度分级模型中，人体模型是最早也最普遍使用的。

HBM测试模型是指当个体站立时，其指尖的放电传递至器件上。

该模型通过一个开关组件，以电阻器（通常为兆欧级）将100pF电容器充电后，在待测器件和与之相串联的一个1500电阻器上放电，器件最后接地或到达低电位。

1.2 MM-机器模型MM(Machine Model)，机器模型；是指带电的导电物体也会发生放电，如金属工具或自动化设备、夹具等。

「机器模型」最初是为了尝试建立HBM事件的最坏情况。

这个ESD模型是一个200 pF电容直接对组件放电，输出电路中没有直流串联电阻。

放电波形可以振荡，上升时间和脉冲宽度与HBM类似。

机器模型通常会有与人体模型同样的物理性故障模式，但在明显较低的水平。

MM主要模拟可能从带电机器（如制造系统）释放的静电。

关于静电的简单介绍一、静电放电（ESD）介绍* 静电产生的原因有：摩擦、剥离、感应，机制物质因失去或得到电子而带电。

* 静电放电的原因：电位不同，物体间的电位移转，不一定伴随电弧或火花发生。

二、静电放电的三种模式：1、人体放电模式（HBM-Human-Body Model）是指因人体在地上走动磨擦或其他因素在人体上已累积了静电，当此人去碰触到IC时，人体上的静电便经由IC的脚（pin）而进入IC内，再经由IC放电到地上去。

此放电的过程会在短到几百毫微秒（ns）的时间内产生数安培的瞬间放电电流，电流会把IC内的元件给烧毁；2、机器放电模式（MM-Machine Model）是指机器本身累积了静电，当此机器碰触到IC 时，该静电便经由IC的PIN放电。

因为大多数机器都是用金属制造的，其机器放电的等效电阻为0Ω，故其放电的过程更短，在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安掊的瞬间放电电流产生，因此对元件的破坏力更大。

3、元件充电模式（CDM-Charged-Device Model）是指IC先因磨擦或其他因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未受伤。

此带有静电的IC在处理过程中，当其PIN去碰触到接地面时，IC内部的静电便会经由PIN自IC内部流出来，而造成了放电的现象。

此种模式的放电时间更短，仅约几毫微秒之内，而且此放电现象更难以真实的被模拟。

三、静电控制的基本原理及措施：一）、静电控制的原理：1、接地：将导体材料接通大地，把静电电荷导到大地；2、离子中和：用离子发生设备产生离子，来中和物体表面所带静电荷；3、屏蔽：用高导电性材料做成屏蔽层，使ESD敏感装置不受外界静电场损坏。

二）、静电控制的措施：A、进入ESD防护场地人员：凡生产中可能接触到微电子元器件或产品的人员均需具备一定的静电防护措施：如穿防静电服与防静电鞋、佩戴与专用之接地线相连的有线防静电手环、周边人员佩戴证明有效的无线式防静电手环、但在检验或接触静电第三器件（如IC、电晶体、二极体、晶振）等时，或带有ESDS器件的产品时，必须戴有线防静电手环。

LED静电击穿原理以PN结结构为主的LED，在制造、筛选、测试、包装、储运及安装使用等环节，难免不受静电感应影响而产生感应电荷。

若得不到及时释放，LED的两个电极上形成的较高电压将直接加上led芯片的PN结两端。

当电压超过LED的最大承受值后，静电电荷将以极短的瞬间（纳秒级别）在LED芯片的两个电极之间进行放电，功率焦耳的热量将使得LED芯片内部的导电层、PN发光层的局部形成高温，高温将会把这些层熔融成小孔，从而造成漏电以及短路的现象。

ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握ESD的相关知识。

为了定量表征ESD 特性，一般将ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。

1.HBM：Human Body Model，人体模型：该模型表征人体带电接触器件放电，Rb 为等效人体电阻，Cb 为等效人体电容。

等效电路如下图。

图中同时给出了器件HBM 模型的ESD 等级。

ESD人体模型等效电路图及其ESD等级2.MM：Machine Model，机器模型：机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是200pF，等效电阻为0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取200pF。

由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。

ESD机器模型等效电路图及其ESD等级3.CDM：Charged Device Model，充电器件模型：半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。

它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。

器件本身作为电容器的一个极板而存贮电荷。

CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：ESD充电器件模型等效电路图及其ESD等级器件的ESD 等级一般按以上三种模型测试，大部分ESD 敏感器件手册上都有器件的ESD数据，一般给出的是HBM 和MM。

静电放电和静电放电模型♦静电放电的特点♦静电放电的类型♦静电放电模型♦静电放电模拟器♦静电放电产生的辐射场静电放电的特点♦静电放电（ESD）是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。

♦静电放电是高电位，强电场，瞬时大电流的过程。

♦静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲（EMP）。

静电放电类型♦电晕放电♦火花放电♦刷形放电♦沿面放电静电放电的类型电晕放电（corona discharge)电晕放电以电晕为特点的一种放电，当某气体中的两个电极中有一个的形状导致其表面的电场明显大于两个电极之间电场的时候所发生放电现象。

电晕放电危害♦射频干扰飞机、航天器的通讯或导弹在飞行过程中，机壳或弹体上会因摩擦而产生静电，当静电电位足够高时可引发电晕放电，形成的电磁干扰会对飞机、航天器或导弹的制导系统产生干扰，造成通讯中断或制导失灵，引发事故。

♦浪费电能高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费。

电晕放电的利用♦静电除尘♦脱硫脱硝♦静电喷涂静电火花放电（spark discharge ）♦当静电电位比较高的带电导体或人体靠近其它导体、人体或接地导体时，便会引发静电火花放电。

♦静电火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，与此同时还伴随着噼啪的爆裂声，爆裂声是由火花通道内空气温度的急骤上升形成的气压冲击波造成的。

♦在发生静电火花放电时，静电能量瞬时集中释放，其引燃、引爆能力较强。

另外静电火花放电产生的放电电流及电磁脉冲具有较大的破坏力，它可对一些敏感的电子器件和设备造成危害。

刷形放电（brush discharge）♦刷形放电电往往发生在导体与带电绝缘体之间，带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率的液体。

♦产生刷形放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内。

根据其放电通道的形状，这种放电被称为刷形放电。

LED静电击穿原理以PN结结构为主的LED，在制造、筛选、测试、包装、储运及安装使用等环节，难免不受静电感应影响而产生感应电荷。

若得不到及时释放，LED的两个电极上形成的较高电压将直接加上led芯片的PN结两端。

当电压超过LED的最大承受值后，静电电荷将以极短的瞬间（纳秒级别）在LED芯片的两个电极之间进行放电，功率焦耳的热量将使得LED芯片内部的导电层、PN发光层的局部形成高温，高温将会把这些层熔融成小孔，从而造成漏电以及短路的现象。

ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握ESD的相关知识。

为了定量表征ESD 特性，一般将ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。

1.HBM：Human Body Model，人体模型：该模型表征人体带电接触器件放电，Rb 为等效人体电阻，Cb 为等效人体电容。

等效电路如下图。

图中同时给出了器件HBM 模型的ESD 等级。

ESD人体模型等效电路图及其ESD等级2.MM：Machine Model，机器模型：机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是200pF，等效电阻为0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取200pF。

由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。

ESD机器模型等效电路图及其ESD等级3.CDM：Charged Device Model，充电器件模型：半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。

它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。

器件本身作为电容器的一个极板而存贮电荷。

CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：ESD充电器件模型等效电路图及其ESD等级器件的ESD 等级一般按以上三种模型测试，大部分ESD 敏感器件手册上都有器件的ESD数据，一般给出的是HBM 和MM。

随着半导体制程技术的不断演进，以及集成电路大量的运用在电子产品中，静电放电已经成为影响电子产品良率的主要因素。

美国最近公布因为静电放电而造成的国家损失，一年就高达两百多亿美金，而光是电子产品部份就达到一百多亿美金之多。

为了有效的防范静电放电所造成的损害，国际间众多的静电放电协会，分别针对不同的环境应用下制定了不同的静电测试规范。

其中针对IC在生产、制造、测试及运输过程的静电放电规范，是以美国军方所制定的人体静电放电模型最具代表性，又称之为芯片层级静电放电测试。

而针对终端消费者所使用的电子产品，则以IEC 61000-4-2所制定的人体静电放电模型为测试主流，这就是一般认知的系统层级静电放电测试。

由于芯片层级和系统层级静电放电测试都是模拟人体静电放电，并且都是以kV 为单位，所以常常造成大家的误解和困惑，我们在这里特别将这两种人体静电放电测试规格做一个比较整理：模型电容电阻值规范不同：芯片层级静电放电模型为对一100pF电容充电后透过一串联1.5kΩ电阻对待测物放电。

而系统层级静电放电模型为对一150pF电容充电后透过一串联330Ω电阻放电。

由此可以看出在相同的静电电压下，系统层级静电放电模型将会具有较多的电荷容量和较大的放电电流，其放电能量约为芯片层级静电放电能量的五倍之多，因此系统层级静电放电测试将会比芯片层级静电放电测试还要更严苛。

而会如此规范的原因是，晶圆厂都会做工厂静电消除管理，所以IC在制造生产的过程中受到静电的威胁较小。

而电子产品用户所处的环境却是不受控制的，因此受到静电放电的威胁较大，这也是为何系统层级静电放电规范会制定的如此严格。

要求的静电放电电压等级不同：一般IC只会要求到芯片层级静电放电测试±2kV，而电子产品会要求到系统层级静电放电接触测试±8kV，空气放电±15kV。

会这样规范的主要原因也是电子产品所处的环境是比IC所处的环境还要更严苛。

测试的失效准则不同：芯片层级静电放电测试是在IC针脚浮接的状态下做测试，一般造成的损害为硬件的损害。

静电放电的几种模式静电对电子产品的损害有多种形式，其中最常见、危害最大的是静电放电（ESD）。

带静电的物体与元器件有电接触时，静电会转移到元器件上或通过元器件放电；或者元器件本身带电，通过其它物体放电。

这两种过程都可能损伤元器件，损伤的程度与静电放电的模式有关。

实际过程中静电的来源有很多，放电的形式也有多种。

但通过对静电的主要来源以及实际发生的静电放电过程的研究认为，对元器件造成损伤的主要是三种模式，即带电人体的静电放电模式、带电机器的放电模式和充电器件的放电模式。

图1.3和1.4分别是人体放电和充电器件放电的实例图。

1.带电的人体的放电模式（HBM）由于人体会与各种物体间发生接触和磨擦，又与元器件接触，所以人体易带静电，也容易对元器件造成静电损伤。

普遍认为大部分元器件静电损伤是由人体静电造成的。

带静电的人体可以等效为图 1.5的等效电路，这个等效电路又称人体静电放电模型（Human Body Model）。

其中，Vp带静电的人体与地的电位差，Cp带静电的人体与地之间的电容量，一般为50-250pF；Rp人体与被放电体之间的电阻值，一般为102-105Ω人体与被放电体之间的放电有两种。

即接触放电和电弧放电。

接触放电时人体与被放电之间的电阻值是个恒定值。

电弧放电是在人体与被放电体之间有一定距离时，它们之间空间的电场强度大于其介质（如空气）的介电强度，介质电离产生电弧放电，暗场中可见弧光。

电弧放电的特点是在放电的初始阶段，因为空气是不良导体，放电通道的阻抗较高，放电电流较小；随着放电的进行，通道温度升高，引起局部电离，通道阻抗逐渐降低，电流增大，直至达到一个峰值；然后，随着人体静电能量的释放，电流逐渐减少，直至电弧消失.2.带电机器的放电模式机器因为摩擦或感应也会带电。

带电机器通过电子元器件放电也会造成损伤。

机器放电的模型（Machine Model）如图1.6所示。

与人体模式相比，机器没有电阻，电容则相对要大。

LED 静电击穿原理以PN 结结构为主的LED,在制造、筛选、测试、包装、储运及安装使用等环节，难免不受 静电感应影响而产生感应电荷。

若得不到及时释放，LED 的两个电极上形成的较高电压将直接加上led 芯片的PN 结两端。

当电压超过LED 的最大承受值后，静电电荷将以极短的瞬间（纳秒级别）在 LED 芯片的两个电极之间进行放电，功率焦耳的热量将使得LED 芯片内部的导电层、 PN 发光层的局部形成高温，高温将会把这些层熔融成小孔，从而造成漏电以及短路的现象。

ESD Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握ESD 的相关知识。

为了定量表征ESD 特性，一般将ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。

1. HBM Human Body Model ，人体模型：该模型表征人体带电 接触器件放电，Rb 为等效人体 电阻，Cb 为等效人体 电容。

等效电路如下图。

图中同 时给出了器件HBM 模型的ESD 等级。

ESD 人体模型等效电路图及其ESD 等级2. MM Machine Model ，机器模型：机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容（Cb ）是200pF,等效电阻为o ，机器模型与人体模型的差异较 大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取 200pF 。

由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。

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