目前的ESD測試標(biāo)準(zhǔn)有很多種，一般可分為芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)，芯片級(jí)的測試包括多種靜電放電模型，主要有人體模型(HBM)、機(jī)器模型(MM)、組件充電模型(CDM)等，系統(tǒng)級(jí)測試則包含直接放電和間接放電兩種方式，以下將詳細(xì)介紹各模型相應(yīng)的測試標(biāo)準(zhǔn)。
一、芯片級(jí)ESD測試
1.1、人體模型(HBM)
人體模型是*常見的，也是*早提出的模型，人體模型是根據(jù)帶有靜電的人體在操作過程中與其它裝置或元器件接觸或接近，并將貯存于人體的靜電通過裝置或元器件等對地放電致使其失效而建立的ESD模型。當(dāng)帶有靜電的人體接觸元器件時(shí)，在短到幾百納秒的時(shí)間內(nèi)將產(chǎn)生數(shù)安培的瞬間放電電流。
20世紀(jì)80年代，美國**司令部發(fā)布的DOD1686標(biāo)準(zhǔn)中用100pF的電容器串聯(lián)1.5KΩ的電阻作為標(biāo)準(zhǔn)人體ESD模型，后續(xù)發(fā)布的美軍標(biāo)MIL-STD-883C仍使用這一人體ESD模型。HBM測試標(biāo)準(zhǔn)主要有:MIL-STD-883E，JESD22-A114E;圖1和圖2分別是JESD22-A114E中規(guī)定的HBM測試電路模型和典型放電電流波形。
圖1 HBM測試電路模型
圖2HBM電流波形
按JESD22-114E進(jìn)行測試時(shí)波形發(fā)生器提供的峰值電流與信號(hào)上升時(shí)間如下表:
JESD22-114E標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的人體模型下靜電敏感度分級(jí)如下表:
1.2、機(jī)器模型(MM)
靜電敏感器件在組裝過程中會(huì)涉及到許多金屬夾具如機(jī)械手臂等，當(dāng)這些金屬帶上靜電并靠近組件時(shí)，會(huì)發(fā)生金屬-組件之間的快速放電，機(jī)器模型表現(xiàn)出來的特征是低壓高流，會(huì)直接燒壞組件本身。機(jī)器模型的等效電路與人體模型類似，等效電容為200pF，等效電阻為0，由于機(jī)器模型放電時(shí)沒有電阻，且等效電容大于人體模型，因此在同等電壓條件下，機(jī)器模型比人體模型對器件的損害更大。MM測試標(biāo)準(zhǔn)主要有:EIAJ-IC-121，JESD22-A115B;圖3和圖4分別是JESD22-A115B中規(guī)定的MM測試電路模型和典型放電電流波形。
圖3 MM測試電路模型
圖4 MM電流波形
按JESD22-114E進(jìn)行測試時(shí)波形發(fā)生器提供的峰值電流與信號(hào)上升時(shí)間如下表:
1.3、組件充電模型(CDM)
半導(dǎo)體器件在生產(chǎn)裝配、傳遞、試驗(yàn)、測試和運(yùn)輸及存貯過程中，由于外殼與其它材料相互摩擦或是其它因素產(chǎn)生電荷的積累，當(dāng)帶有靜電的器件任一引腳與地接觸時(shí)，器件內(nèi)部的電荷會(huì)通過該引腳流出從而造成放電現(xiàn)象，此種模型的放電時(shí)間更短，僅幾個(gè)納秒。由于器件內(nèi)部累積的靜電會(huì)因?qū)Φ氐牡刃щ娙葜刀?，而等效電容值又和器件擺放的角度與位置以及器件所用的包裝型式有關(guān)，所以放電現(xiàn)象更難以真實(shí)模擬。CDM測試標(biāo)準(zhǔn)主要有:JESD22-C101，ESD STM5.3;圖5、圖6分別為JESD22-C101中規(guī)定的CDM測試電路模型和典型放電電流波形。
圖5CDM測試電路模型
圖6CDM電流波形
按JESD22-C101D進(jìn)行測試時(shí)信號(hào)發(fā)生器提供的峰值電流與信號(hào)上升時(shí)間如下表:
JESD22-114E標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的組件充電模型下靜電敏感度分級(jí)如下表:
二、系統(tǒng)級(jí)ESD測試
系統(tǒng)級(jí)ESD測試又稱為靜電放電抗擾度測試，是模擬操作人員或物體在接觸設(shè)備時(shí)產(chǎn)生的放電或是人或物體對鄰近物體的放電，以檢測被測設(shè)備抗靜電干擾的能力。靜電抗干擾度測試標(biāo)準(zhǔn)主要有:IEC61000-4-2。
IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的靜電放電方式有兩種:
(1)直接放電:直接對受試設(shè)備實(shí)施放電;
(2)間接放電:對受試設(shè)備附近的耦合板實(shí)施放電，以模擬人員對受試設(shè)備附近的物體的放電。
圖7、圖8分別為IEC61000-4-2中規(guī)定的靜電放電發(fā)生器電路和典型放電波形。
圖7 靜電放電發(fā)生器電路
圖8 電流波形
直接放電有兩種方式，接觸放電和空氣放電。
接觸放電是針對半成品電子產(chǎn)品或是含有金屬外殼的電子產(chǎn)品，即人體可以接觸到的部份，對這一部分采用接觸式放電，模擬在生產(chǎn)或運(yùn)輸以及使用過程中可能存在的人體放電導(dǎo)致電子產(chǎn)品損壞的情況。
空氣放電是針對塑料外殼或者金屬外殼外面涂有絕緣漆的一種放電方式，這種放電方式不通過直接接觸而是通過高壓靜電脈沖擊穿空氣，傳輸?shù)疆a(chǎn)品內(nèi)部導(dǎo)致電子產(chǎn)品或元器件損壞的一種方式，主要考驗(yàn)的是塑料外殼接縫或按鍵縫隙的緊密性、絕緣性能。
標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，接觸放電是優(yōu)先選擇的試驗(yàn)方法，凡可以用接觸放電的地方一律用接觸放電，空氣放電則用在不能使用接觸放電的場合。如對于有鍍膜的產(chǎn)品，如制造商未說明漆膜是絕緣層，試驗(yàn)時(shí)需使用接觸放電的電極頭**刺破漆膜進(jìn)行放電試驗(yàn)，若漆膜為絕緣層，則采用空氣放電。
IEC中規(guī)定的靜電放電試驗(yàn)等級(jí)如下表:
“X”是開放等級(jí)，如果規(guī)定高于表格中的電壓，則可能需要專用的設(shè)備。
試驗(yàn)點(diǎn)主要選擇以下位置:
(1)金屬外殼。
(2)控制或鍵盤區(qū)域任何點(diǎn)或是操作人員易接近的區(qū)域如開關(guān)、按鍵、旋鈕、按鈕等。
(3)指示器、發(fā)光二極管、外殼縫隙、柵格、連接器罩等。
每一個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)上應(yīng)至進(jìn)行10次放電實(shí)驗(yàn)(正或負(fù)極性)，連續(xù)單次放電時(shí)間間隔應(yīng)至少大于1秒。
間接放電指對水平耦合板和垂直耦合板進(jìn)行放電，耦合板距離設(shè)備一定距離(通常為0.1m)，并通過兩個(gè)470K歐的電阻接地，所以當(dāng)對耦合板放電時(shí)，通過耦合板形成可重復(fù)的靜電場，對設(shè)備進(jìn)行干擾，模擬設(shè)備抗靜電場干擾的能力。
由于受試設(shè)備和系統(tǒng)的多樣化，靜電試驗(yàn)會(huì)對設(shè)備和系統(tǒng)產(chǎn)生何種影響比較難以明確，若產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范沒有給出明確的技術(shù)要求，則試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)該按受試設(shè)備的運(yùn)行條件和功能規(guī)范進(jìn)行如下分類:
(1)在技術(shù)要求限值內(nèi)性能正常;
(2)功能或性能暫時(shí)喪失或降低，但在實(shí)驗(yàn)停止后能自行恢復(fù)，不需要操作者干預(yù);
(3)功能或性能暫時(shí)喪失或降低，但需操作者干預(yù)或系統(tǒng)復(fù)位才能恢復(fù);
(4)因設(shè)備硬件或軟件損壞，或數(shù)據(jù)丟失而造成不能恢復(fù)的功能喪失或性能降低。
技術(shù)規(guī)范中可以定義靜電試驗(yàn)對受試設(shè)備產(chǎn)生的影響，并規(guī)定哪些影響是可以接受的。
一般來說，如果受試設(shè)備在整個(gè)試驗(yàn)期間顯示較強(qiáng)的抗靜電干擾性，并且在試驗(yàn)結(jié)束后，受試設(shè)備滿足技術(shù)規(guī)范中的功能要求，則表明試驗(yàn)合格。
