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(shè)備，就會發(fā)生這種情況。集成電路 HBM 測試的故障模式通常包括結(jié)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(yīng)用與 1 MO 電阻器和 100 pF 電容器串聯(lián)的高壓電源來設(shè)置測試程序。電容器充滿電后，將電容器從高壓電源和串聯(lián)電阻上移除，并使用開關(guān)與 1.5 kΩ 電阻和被測設(shè)備 (DUT) 串聯(lián)。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(jù)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(shù)，當(dāng)電容器開始放電時，初始電流尖峰高達(dá) 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(tǒng)人體模型測試中，被測設(shè)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(jī)器型號
　　機(jī)器模型 (MM) 設(shè)備級測試初于 20 世紀(jì) 90 年代開發(fā)，如今已不太常見。此時，為了增加產(chǎn)量，工業(yè)自動化制造站點(diǎn)變得越來越受歡迎。這些機(jī)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(jié)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(lián)的高壓電源進(jìn)行設(shè)置。電容器充滿電后，將電容器從高壓電源和串聯(lián)電阻器上移除，然后使用開關(guān)串聯(lián)至 0.5 ?H 電感器和被測設(shè)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(tǒng)值可能有所不同，但常見的范圍是 50V 至 400V。

　

　　圖 3. 機(jī)器模型。
　　當(dāng)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(chǎn)生交流電。電流達(dá)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?yàn)樗?900 ns 時仍漸近地接近零安培。圖 4 顯示了典型的瞄準(zhǔn)鏡鏡頭。 DUT 在 MM 放電事件期間經(jīng)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(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試。電子芯片安裝在專門設(shè)計(jì)的負(fù)載板上，該負(fù)載板與自動 ESD 測試儀連接。每個引腳都經(jīng)過單獨(dú)測試，而板上的其他引腳則接地。執(zhí)行此過程直至測試完所有引腳。圖 5 提供了如何進(jìn)行測試的圖形圖像。

　

　　圖 5. 對組件進(jìn)行 MM 放電。
　　帶電設(shè)備型號
　　帶電設(shè)備模型 (CDM) 設(shè)備級測試程序是對自動化制造環(huán)境中經(jīng)常發(fā)生的情況的模擬。眾所周知，機(jī)器可以無限期地保持運(yùn)行狀態(tài)。這會導(dǎo)致電子 IC 隨著時間的推移而帶電。當(dāng)該部件與接地導(dǎo)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(dāng)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(fā)生 ESD 事件的被測特定引腳。這可以通過監(jiān)視被測引腳的接地連接來驗(yàn)證。在 DUT 的每個引腳上重復(fù)此測試，以獲得三個正脈沖和三個負(fù)脈沖。這導(dǎo)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(shè)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(tài)。它多需要幾納秒，這使得測試和建模變得困難。該測試的結(jié)果是在不到 1 ns 的時間內(nèi)放電 5A 至 6A 的高電流。電流已經(jīng)消散了 5 ns，這使得這是一個非常簡潔但也非常不穩(wěn)定的設(shè)備測試。由于這種快速瞬態(tài)，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(jié)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(shè)備級測試總結(jié)
　　HBM、MM 和 CDM 是常用的電子元件 ESD 器件級測試程序。表 1 總結(jié)了它們的異同。

　　表 1：設(shè)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(tǒng)級測試。人體在低相對濕度、低電導(dǎo)率地毯或乙烯基服裝上可能會產(chǎn)生靜電。為了模擬放電事件，ESD 發(fā)生器向被測設(shè)備 (EUT) 施加 ESD 脈沖。這可以通過兩種方式發(fā)生。
　　種是 通過與 EUT 直接接觸，這稱為接觸放電，因?yàn)榻佑|是與 EUT 進(jìn)行物理接觸。第二種是通過與 EUT 間接接觸， 通過空氣進(jìn)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(jù) IEC61000-4-2 ESD 抗擾度測試規(guī)范定義。
　　該測試的特點(diǎn)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(tài)脈沖。 ESD 抗擾度測試要求至少進(jìn)行 10 次正極性和負(fù)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(tǒng)級規(guī)范進(jìn)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(jù) IEC61000-4-2 進(jìn)行 ESD 抗擾度測試。

　　圖 9 顯示了設(shè)備級和系統(tǒng)級測試標(biāo)準(zhǔn)之間的差異。 IEC ESD 測試通常被稱為組件測試的黃金標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)級測試之間的比較。
　　抗 EFT 能力
　　IEC61000-4-4的系統(tǒng)級測試標(biāo)準(zhǔn)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(huán)境中因關(guān)閉感性負(fù)載、繼電器觸點(diǎn)彈跳以及直流或通用電機(jī)運(yùn)行而導(dǎo)致的瞬態(tài)。該測試對所有電源線、信號線和地線進(jìn)行。這也稱為突發(fā)抗擾度測試。
　　突發(fā)被定義為具有有限持續(xù)時間的脈沖序列。在 EFT/突發(fā)抗擾度測試中，突發(fā)發(fā)生器產(chǎn)生一系列測試脈沖，在不到 100 ns 的時間內(nèi)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(fā)持續(xù)時間為 15 ms。突發(fā)周期，即從一個突發(fā)開始到下一個突發(fā)的時間，為 300 ms。該循環(huán)重復(fù) 10 秒，之后 10 秒不進(jìn)行測試。這代表一個測試周期。
　　此操作必須重復(fù)總共 6 次，總時間為 110 秒。 EFT/突發(fā)脈沖群抗擾度測試的重要性在于其脈沖上升時間短、重復(fù)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(shù)量卻并非如此。假設(shè)脈沖前沿之間的間隔為 1 μs，則持續(xù)時間 15 ms 的 EFT 突發(fā)至少包含 15000 個脈沖。乘以 10 秒窗口內(nèi)的突發(fā)數(shù)量，即 10 秒 / 300 毫秒 = 33.3 突發(fā)，每 10 秒窗口產(chǎn)生 500,000 個脈沖。因此，應(yīng)用六個具有 10 秒暫停間隔的 10 秒窗口會在 110 秒內(nèi)產(chǎn)生 300 萬個脈沖。
　　由于 EFT 測試不涉及導(dǎo)體的直接接觸，而是通過電容鉗進(jìn)行間接應(yīng)用，因此選擇具有內(nèi)部屏蔽的適當(dāng)工業(yè)級布線可以通過大幅衰減 EFT 能量的耦合來對 DUT 產(chǎn)生巨大的補(bǔ)救措施進(jìn)入導(dǎo)體。圖 10 提供了 EFT/突發(fā)脈沖群抗擾度測試的圖形表示，供您參考。

　

　圖 10. 根據(jù) IEC61000-4-4 進(jìn)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(xù)時間點(diǎn)上嚴(yán)格的瞬態(tài)抗擾度測試。然而，其應(yīng)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?yàn)樗M雷擊（直接雷擊或間接雷擊引起的感應(yīng)電壓和電流）引起的開關(guān)瞬態(tài)，或開關(guān)電源系統(tǒng)，包括負(fù)載變化和短路。
　　浪涌發(fā)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(fā)電機(jī)的輸出阻抗。該測試的特點(diǎn)是由于發(fā)生器阻抗低而產(chǎn)生高電流，并且脈沖持續(xù)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(fù)浪涌脈沖，連續(xù)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(hù)電路減少了脈沖之間的恢復(fù)時間，因此有助于顯著降低測試成本。 有關(guān)浪涌抗擾度測試的圖形表示，請參見圖 11 。
　　

　

　圖 11. 根據(jù) IEC61000-4-5 進(jìn)行浪涌抗擾度測試。

　　系統(tǒng)級測試總結(jié)
　　系統(tǒng)級測試標(biāo)準(zhǔn)由 IEC 根據(jù) IEC61000-4 規(guī)范編制。雖然該規(guī)范系列中列出了大約 25 個系統(tǒng)級測試標(biāo)準(zhǔn)，但涉及瞬態(tài)抗擾度測試的標(biāo)準(zhǔn)包括：ESD (IEC61000-4-2)、EFT/突發(fā) (IEC61000-4-4) 和浪涌/閃電 (IEC61000) -4-5)。表 2 提供了這些系統(tǒng)級測試的比較。

　　

　　表 2：系統(tǒng)級測試的比較。