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目錄

1、ESD概念

1.1、人體放電模式（Human-Body Model，HBM）：

1.2、機器放電模式（Machine Model，MM）

1.3、元件充電模式（Charged-Device Model，CDM）

1.4、電場感應模式（Field-Induced Model，F(xiàn)IM）

2、靜電放電標準

2.1、IEC-61000-4-2 or EN-61000-4-2 p.19

2.2、ESD Gun Model

2.2.2、國外教科書的（放電）模型

2.2.3、法規(guī)定義放電電流數(shù)學方程式(EN-61000-4-2 , P13)

3、靜電放電模型

3.1、以兩級RLC模擬身體（135~150pF）與手臂（12~15pF）的兩波放電模型，輸出端以V_Probe與I_Probe觀察

3.2、從法規(guī)所提供的基本模型加上靜電槍對地寄生RLC的放電模型

3.3、根據(jù)paper【4】【8】所建的ESD Gun等效模型

4. 采用ESD Gun Model進行產品EMC設計

4.1、采用Siwave快速設計PCB靜電參數(shù)

4.2、ESD的頻率分布

4.3、采用CST進行ESD分析

Reference

 

1、ESD概念

靜電放電（Electorstatic Discharge，ESD）是造成大多數(shù)電子元件或電子系統(tǒng)收到過度電性應力破壞的主要因素。這種破壞會導致半導體元件以及電腦系統(tǒng)等，形成一種永久性破壞，因而影響積體電路的電路功能，而使得電子產品工作不正常。

根據(jù)ESD產生原因及對積體電路放電的方式，ESD目前被分為以下四類：

（1）     人體放電模式（Human-Body Model，HBM）

（2）     機器放電模式（Machine Model，MM）

（3）     元件充電模式（Charged-Device Model，CDM）

（4）     電場感應模式（Field-Induced Model，F(xiàn)IM）

 

1.1、人體放電模式（Human-Body Model，HBM）：

人體放電模式（HBM）的ESD是指因人體在地上走動摩擦或其他因素在人體上已積累了靜電，當此人去觸碰到IC時，人體上的靜電便會經(jīng)由IC的引腳而進入IC內，再經(jīng)由IC放電到地去，如圖1.a所示。此放電的過程會在短到幾百納秒的時間內產生數(shù)安培的瞬間放電電流，此電流會把IC內的元件燒毀。不同HBM靜電電壓相對產生的瞬間放電電流與實踐的關系如圖1.b。對一般商用IC的2KV ESD放電電壓而言，其瞬間放電電流的尖峰值大約是1.33安培。

               

圖1.aHBM的ESD發(fā)生情形

圖1.b在不同HBM靜電電壓下，其靜電放電電流隨時間的變化

有關于HBM的ESD已有工業(yè)測試標準，為現(xiàn)今各國用來判斷IC ESD可靠度的重要依據(jù)。圖2表示此工業(yè)標準（MIL-STD-883C method 3015.7）的等效電路圖，其中人體的等效電容為100pF，人體的等效放電電阻定為1.5KΩ。另外在國際電子工業(yè)標準（EIA/JEDEC STANDARD）中，也對此人體放電模式規(guī)定了測試規(guī)范(EIA/JESD22-A114-A)。

 

TestStandard : MIL-STD-883C Method 3015.7

CLASSIFICATION	Sensitivity
Class 1	0 to 1,999 Volts
Class 2	2,000 to 3,999 Volts
Class 3	4,000 to 15,999 Volts

圖2、人體放電模式（HBM）的工業(yè)標準測試等效電路及其耐壓能力等級分類

 

1.2、機器放電模式（Machine Model，MM）

機器放電模式的ESD是指機器（例如機械手臂）本身積累了靜電，當此機器去觸碰到IC時，該靜電便經(jīng)由IC的pin放電。此機器放電模式的工業(yè)測試標準為EIAJ-IC-121 method 20，其等效電路如圖3所示。

 

TestStandard : EIAJ-IC-121 Method 20

CLASS	STRESS LEVELS
M0	0 to <50V
M1	50 to <100V
M2	100 to <200V
M3	200 to <400V
M4	400 to <800V
M5	>800V

圖3、機器放電模式（MM）的工業(yè)標準測試等效電路機器耐壓能力等級分類

 

因為大多數(shù)機器都是用金屬制造的，機器放電模式的等效電阻為0Ω，其等效電容定為200pF。由于機器放電模式的等效電阻為0，故其放電的過程更短，在幾納秒到幾十納秒之間會有數(shù)安培的瞬間放電電流產生。有關2KV HBM與200V MM的放電電流比較，在下圖4中。

 

雖然HBM的電壓2KV比MM的電壓200V更大，但是200V MM的放電電流卻比2KV HBM的放電電流大很多，因此機器放電模式對IC的破壞力更大。在圖4中，該200V MM的放電電流波形有振鈴的情形，是因為測試設備導線的雜散等效電感與電容互相耦合而引起的。

圖4、人體放電模式（2KV）與機器放電模式（200V）放電電流的比較圖

另外在國際電子工業(yè)標準（EIA/JEDECSTANDARD）中，也對此機器放電模式制定了測試規(guī)范(EIA/JESD22-A115-A)，詳情請參考具體標準。

 

1.3、元件充電模式（Charged-Device Model，CDM）

此放電模式是指IC先因摩擦或其他因素在IC內部累積了靜電，但在靜電累計過程中IC并未被損傷。此帶有靜電的IC在處理過程中，當其pin去觸碰接地面時，IC內部的靜電便會經(jīng)由pin自IC內部流出來，而造成了放電現(xiàn)象。

此種模式的放電時間更短，僅約幾納秒以內，而且放電現(xiàn)象更難以被真實模擬。因為IC內部積累的靜電會因IC元件本身對地等效電容而變，IC擺放的角度和位置以及IC所用的包裝形式都會造成不同的等效電容。由于具有多項變化因素難以確定，因此，有關此模式放電的工業(yè)測試標準仍在討論中，但已有此類測試設備在銷售。該元件充電模式（CDM）ESD可能發(fā)生的原因以及放電的情形由圖5.a和圖5.b所示。該元件充電模式靜電放電的等效電路圖由圖6.a所示，IC在各種角度擺放下的等效電容值由圖6.b所示，此電容值會導致不同的靜電電量累積與IC內部。

圖5.aCharged-Device Mode靜電放電可能發(fā)生的情形。

IC自IC管中滑出后，帶電的IC腳接觸到地面而形成放電現(xiàn)象。

圖5.bCharge-Device Mode靜電放電可能發(fā)生的情形。

IC自IC管中滑出后，IC腳朝上，但經(jīng)由接地的金屬工具而放電。

圖6.a、Charged-Device Model靜電放電的等效電路圖

圖6.b、IC在各種角度下的等效雜散電容值

有關2KV HBM，200V MM，與1KV CDM的放電電流比較，如下圖7所示。其中，該1KV CDM的放電電流在不到1ns的時間內，便已經(jīng)沖到月15安培的尖峰值，但其放電的總時間段約在10ns的時間內便已經(jīng)結束。此種放電現(xiàn)象更易造成積體電路的損傷。

圖7、人體放電模式（2KV），機器放電模式（200V），與元件充電模式（1KV）放電電流的比較圖。

 

1.4、電場感應模式（Field-Induced Model，F(xiàn)IM）

此FIM模式的靜電放電發(fā)生是因電場感應而起的。當IC因輸送帶或其他因素而經(jīng)過一電場時，其相對極性的電荷可能會由一些IC引腳而泄放掉，等IC通過電場后，IC本身便積累了靜電荷，此靜電荷會以類似CDM的模式放電出來。有關FIM的放電模式早在變栽子（bipolar）電晶體時代就已被發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)今已有測試標準。在國際電子工業(yè)標準(EIA/JEDECSTANDARD)中，也已對此電場感應模式制定測試規(guī)范(JESD22-C101)，詳情請參閱該工業(yè)標準。

 

2、靜電放電標準

2.1、IEC-61000-4-2or EN-61000-4-2 p.19

圖8、標準規(guī)定的靜電波形

從這張圖可以看出，EMC法規(guī)是以電流波形來定義靜電槍的輸出。又輸出能量分兩段，第一段的上升時間很短（0.7~1ns），但電流峰值極高（3.75A/KV），此段反映的是HBM（Human Body Mode）放電時，手臂累積的靜電荷瞬間放電的結果；第二段（10~60ns）則反映身體累積電荷的釋放結果。

注意要點：

（1）.  第一根

（2）.  第二波放電的高點出現(xiàn)在30ns前

（3）.  60ns處的電流值為30ns處電流值的1/2

 

 

2.2、ESD GunModel

 2.2.1、法規(guī)提供的基本模型（EN-61000-4-2p.11）

圖9、靜電槍基本模型

從這張圖可以看出，靜電槍（ESD Gun/generator）模型除了由RLC lump所組成，還需要兩個時序錯開的開關，實現(xiàn)充電與放電控制。

這開關在實際電路中采用繼電器（relay），而這個繼電器有額外引入RLC寄生效應。

 2.2.2、國外教科書的（放電）模型

圖10、國外教科書中的放電模型

 2.2.3、法規(guī)定義放電電流數(shù)學方程式(EN-61000-4-2 , P13)

圖11、EN規(guī)定的放電電流方程

 

3、靜電放電模型

3.1、以兩級RLC模擬身體（135~150pF）與手臂（12~15pF）的兩波放電模型，輸出端以V_Probe與I_Probe觀察

圖12、模擬電路拓撲及放電電流波形

驗證此結果是否滿足法規(guī)所定義的放電電流波形

2KV：，I=4A at 30ns滿足，第一電流點高點出現(xiàn)在0.18ns，且第二波的電流點高點出現(xiàn)在30ns前

4KV：，I=8A at 30ns滿足，且第二波的電流高點出現(xiàn)在30ns前

（C2，R3）直接影響第一根的大小，（L1，R2）直接影響第二段（18ns）的波峰大小與出現(xiàn)的時間前后。而充電電容C3對地路徑的寄生RLC，則影響第一電流峰值與第二電流峰值間的凹陷特性，這部分對ESD Gun的影響很關鍵。

 

3.2、從法規(guī)所提供的基本模型加上靜電槍對地寄生RLC的放電模型

3.2.1、在200V放電模式下查看放電電壓波形

圖13、200V放電電壓下的電壓波形

3.2.2、在2KV放電模式下的放電電流波形

圖14、2KV放電電壓下的電流波形

 

 

3.3、根據(jù)paper【4】【8】所建的ESD Gun等效模型

這個模型雖然是IEEE Trans.的paper，但實際模擬結果卻發(fā)現(xiàn)其電流輸出波形與法規(guī)所定義的略有差異：

a. 第一段電流高點出現(xiàn)時間較慢1.82ns（大于0.7~1ns），且圖片（大于7.5A）

b. 第二段電流高點出現(xiàn)時間較慢（30ns之后），且 圖片on 30+1ns （小于4A）

圖15、根據(jù)paper【4】【8】所建的ESD Gun等效模型及放電電流

將靜電槍對地的（L133，C4）從（3.5uH，20pF）改成（2uH，12pF），以及把充點電容C2從110pF改成135pF，波形就較理想了。

在paper【4】中有提到，實際ESD Gun內的充電電容150pF，但模擬/測量重建用的值卻是110pF，為的是讓電流衰減速度匹配測量值。

圖16、優(yōu)化后的ESD Gun及其放電電流波形

 

4. 采用ESD GunModel進行產品EMC設計

原文采用RLC lump boundary搭建放電槍模型，在HFSS內模擬產品在外加ESD波形下的情況。實際中將PCB和產品外殼放置于HFSS中進行仿真，效率會很低。筆者利用SIwave內含有的HFSS高頻求解器，結合circuit designer仿真PCB在外加ESD Gun Model下的端口電壓及近場分布情況。

4.1、采用Siwave快速設計PCB靜電參數(shù)

下面對一塊PCB進行仿真，這是一塊顯卡，視頻接口會在使用中外接視頻線，因此有ESD風險。我們對其中的一根線進行仿真，采用的ESD Gun Model為3.1節(jié)中的放電模型，我們希望分析其在不做任何ESD處理狀態(tài)下的芯片管腳電壓波形（由于沒有IC內部芯片模型，我們只分析靜電是否會導致信號電平無法識別，而不去分析IC內部是否會由于靜電原因燒毀）。因為靜電過程中不僅會影響放電pin所在trace的電壓，也會影響相鄰pin的電壓，所以我們選取相鄰的幾個pin一同分析。

圖17、PCB模型及ESD仿真拓撲

下圖為分析結果，可以看到在不加靜電處理措施下的PCB，其芯片管腳的電壓在ESD沖擊下可以達到14.5V之高，而且在初次放電結束后會有眾多的振蕩產生，這些噪聲信號都將使信號電平被淹沒其中而不被識別。相鄰的信號管腳感應到2.5V的共模噪聲，并不會影響到差分電平的識別。對于分析結果，我們會選擇相應的措施進行優(yōu)化，比如常見的加TVS，靜電電容等等，關于具體優(yōu)化措施及其深入討論后續(xù)有時間會另行總結。

圖18、分析得到的IC管腳電壓波形和近場電場分布

4.2、ESD的頻率分布

經(jīng)過前面幾節(jié)的分析，相信讀者已經(jīng)對ESD的時域波形印象深刻了，但EMC措施的使用往往是基于頻域的，ESD的頻域特征如何呢，我們用傅里葉變換對標準電壓波形進行處理，得到下面結果。

圖19、2KV靜電放電下的電壓頻率分布

標準ESD放電波形在實際測試中，由于產品內不同分布參數(shù)的影響會產生變化，如圖18中結果一樣，那么實際ESD放電中的頻率分布特性是什么樣的？我們對圖18進行傅里葉變換得到下面結果，對比發(fā)現(xiàn)，前面能量最多的10MHz和20MHz沒有變化，490MHz和更高頻的1.43GHz，2.35GHz出現(xiàn)明顯的包絡。因此來講，實際ESD放電可以產生頻率豐富的諧波，也正因如此，采用電容等無源器件去處理這些高頻諧波來達到抑制ESD變成可能。

圖20、實際ESD放電在產品內部的頻譜分布

4.3、采用CST進行ESD分析

CST的時域算法為EMC分析提供了便利，下面采用CST進行PCB的全三維ESD仿真，為了準確性，我們可以將產品外殼結構等一同倒入軟件，本文不做深入討論，有興趣的讀者可以自行研究?。

 

Reference

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【2】網(wǎng)際星空-ESD GunModel and ESD Simulation

【3】IEC-61000-4-2 orEN-61000-4-2

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