靜電放電ESD三種模型及其防護設計

ESD：Electrostatic Discharge，即是靜電放電，每個從事硬件設計和生產的工程師都必須掌握ESD的相關知識。為了定量表征ESD特性，一般將ESD轉化成模型表達方式，ESD的模型有很多種，下面介紹常用的三種：

1．HBM：Human Body Model，人體模型：(1500Ω±10％ / 100PF±10％)    該模型表征人體帶電接觸器件放電，Rb為等效人體電阻，Cb為等效人體電容。等效電路如下圖。圖中同時給出了器件HBM模型的ESD等級。


2．MM：Machine Model，機器模型：(0Ω±10％ / 200PF±10％)    機器模型的等效電路與人體模型相似，但等效電容（Cb）是200pF，等效電阻為0，機器模型與人體模型的差異較大，實際上機器的儲電電容變化較大，但為了描述的統一，取200pF。由于機器模型放電時沒有電阻，且儲電電容大于人體模式，同等電壓對器件的損害，機器模式遠大于人體模型。


3．CDM：Charged Device Model，充電器件模型：
    半導體器件主要采用三種封裝型式（金屬、陶瓷、塑料）。它們在裝配、傳遞、試驗、測試、運輸及存貯過程中，由于管殼與其它絕緣材料（如包裝用的塑料袋、傳遞用的塑料容器等）相互磨擦，就會使管殼帶電。器件本身作為電容器的一個極板而存貯電荷。CDM模型就是基于已帶電的器件通過管腳與地接觸時，發生對地放電引起器件失效而建立的，器件帶電模型如下：

    

器件的ESD等級一般按以上三種模型測試，大部分ESD敏感器件手冊上都有器件的ESD數據，一般給出的是HBM和MM。
    通過器件的ESD數據可以了解器件的ESD特性，但要注意，器件的每個管腳的ESD特性差異較大，某些管腳的ESD電壓會特別低，一般來說，高速端口，高阻輸入端口，模擬端口ESD電壓會比較低。
ESD防護是一項系統工程，需要各個環節的控制。下圖是一個ESD防護的流程圖：

 ESD防護設計可分為單板防護設計、系統防護設計、加工環境設計和應用環境防護設計，單板防護設計可以提高單板ESD水平，降低系統設計難度和系統組裝的靜電防護要求。當系統設計還不能滿足要求時，需要進行應用環境設計防護設計。ESD敏感器件在裝聯和整機組裝時，環境的ESD直接加載到器件，所以加工環境的ESD防護是至關重要的。
    一般整機、單板、接口的接觸放電應達到±2000V（HBM）以上的防護要求。器件的ESD防護設計是在器件不能滿足ESD環境要求的情況下，通過衰減加到器件上的ESD能量達到保護器件的目的。ESD是電荷放電，具有電壓高，持續時間短的特點，根據這些特點，ESD能量衰減可通過電壓限制、電流限制、高通濾波、帶通濾波等方式實現，所以防護電路的形式多種多樣。