静电放电ESD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，下面介绍常用的三种：

 

1.HBM：Human Body Model，人体模型：(1500Ω±10% / 100PF±10%)    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。

 

2.MM：Machine Model，机器模型：(0Ω±10% / 200PF±10%)    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。

 

 

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：

 

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。

 

ESD防护是一项系统工程，需要各个环节的控制。下图是一个ESD防护的流程图：

 

ESD防护设计可分为单板防护设计、系统防护设计、加工环境设计和应用环境防护设计，单板防护设计可以提高单板ESD水平，降低系统设计难度和系统组装的静电防护要求。当系统设计还不能满足要求时，需要进行应用环境设计防护设计。ESD敏感器件在装联和整机组装时，环境的ESD直接加载到器件，所以加工环境的ESD防护是至关重要的。

 

一般整机、单板、接口的接触放电应达到±2000V(HBM)以上的防护要求。器件的ESD防护设计是在器件不能满足ESD环境要求的情况下，通过衰减加到器件上的ESD能量达到保护器件的目的。ESD是电荷放电，具有电压高，持续时间短的特点，根据这些特点，ESD能量衰减可通过电压限制、电流限制、高通滤波、带通滤波等方式实现，所以防护电路的形式多种多样。