【ESD专题】1.ESD基础及IEC61000-4-2标准

ESD是 Electro Static Discharge（静电放电）的缩写，是一种高能脉冲瞬态干扰，电荷从一个物体转移到另一个物体。

ESD产生：

 摩擦或接触引起的电荷累积 

 如在干燥或者摩擦时人手容易丢失电子，从而使人手带有正电荷。当携带正电荷的人手接触外部导体时，导体的电子会向人手转移，从而产生电流，在这个过程中产生的电压可达上千伏特。

为什么要关注ESD？

器件越做越小，越来越集成时，核心电压越来越低时，器件对ESD的敏感性增加

ESD引起的问题

ESD击中半导体器件后可能会导致氧化物穿孔、硅融化等事件

ESD模型：

器件级ESD

①HBM（Human Body Model：人体模型）：假设由人体静电放电时的测试

例：人接触到电子设备放电

②MM（Machine Model：机械模型）：假设由机械静电放电时的测试

例：带电设备接触到其他电子设备后放电

③CDM（Charged DevIEC Model：带电设备模型）：假设由带电设备静电放电时测试

例：用带电的镊子去碰芯片

在制造环境下，IC一般能承受2KV HBM的ESD电击，小型器件静电规定低于500V。

系统级ESD：

IEC61000-4-2标准模拟现实世界中终端用户ESD事件。

系统级ESD与器件级ESD标准的不同

1.电流差异：

强电流可以引起结点损坏和栅氧化损坏，8KV的HBM保护芯片（峰值电流5.33A）可能会因为2KV IEC模型电击（峰值电流7.5A）而损坏。系统设计人员不能把HBM额定值同IEC模型额定值混淆

2.电压尖峰上升时间差异

HBM规定上升时间为25ns，IEC模型上升时间小于1ns，在最初的3ns消耗掉大部分能量。如果HBM额定器件需要25ns做响应，则在保护电路激活前器件已经损坏。

3.测试电击次数不同

HBM模型只要求测试1次正电击，一次负电击。IEC模型要求10次正电击，10次负电击。器件可能能够承受第一次电击，但初次电击带来的损坏仍然存在，其会在后续电击中失效。右图显示，相比所有器件级模型脉冲，IEC模型脉冲携带更多能量。

IEC61000-4-2标准

IEC61000-4-2规定的系统级测试用于模拟现实世界中终端用户ESD事件。

IEC规定了两种系统级测试：

接触式放电：测试模拟器与受测试器件（DUT）保持接触。

非接触式（空气）放电：模拟器带电电极靠近DUT，同DUT之间产生火花促使放电。

IEC61000-4-2标准ESD 等级和测试电压：

IEC61000-4-2标准ESD电流波形如下：在最初的3ns内消耗主要的ESD能量

IEC61000-4-2标准测试条件

要求在如下条件下进行ESD测试：

环境温度：15℃~35℃

环境湿度：30%~60%

大气压力：86kPa(860mbar)~106kPa(1060mbar)

ESD测试后的结果可能如下：

A类：•功能正常

B类：•功能异常但可自恢复

C类：•功能异常需要操作员干预或系统重置(操作员可以是最终用户)

D类：•设备、软件损坏或数据丢失而无法恢复

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作者：李光熠

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