静电放电模型

击穿前 击穿后
二次击穿前后的TLP输出电压波形
击穿后 击穿前
二次击穿前后的TLP输出电流波形
电流IDUT/A
泄漏电流 雪崩阈值
保持 点
二次击穿点 触发点
泄漏电流
电压VDUT/V
NMOS ESD结构的TLP数据曲线实例
TLP测试是无破坏性的准确测试，这是由于TLP 测试具有易于控制而且短暂的持续时间。设计者在 调试和优化设计过程中，瞬态I-V曲线和泄漏电流信 息是很重要的。通过设置TLP参数，例如脉冲持续 时间和上升时间，可以保证测试模型结果的相关性。 例如持续时间为100ns，上升时间为10ns的TLP脉 冲与HBM模型相关。
面的电流波形有所区别，区别来源是由于小金属器件对空间
有3-10pF无感电容导致的，由此形成了双RLC人体静电放电
模型。电路如图所示：
பைடு நூலகம்RB
LB
RHA
LHA
放电端
CB
CHA
其中CB、RB、LB分别为人体电容、电阻及电感，CHA、RHA、 LHA分别为手、前臂及手持的小金属物件的电容、等效电阻及 电感。
IEC-1000-4-2和IEC61000-4-2人体-金属模型规定模型的电 网络为双RLC结构，模型参数为：CB =150pF±10%，RB =330Ω±10%，LB =0.04～0.2μH，CHA =3～10pF，RHA =20～200Ω,LHA =0.05～0.2μH。除此之外，标准也对模型 的放电电流波形作出了新的要求，即放电电压分别为2kV、 4kV、6kV、8kV时，用带宽不小于1GHz的测量系统测，放 电网络的放电电流波形应与标准中给出的参考波形相吻合。 标准中给出的波形如图所示。 我国在IEC61000-4-2基础上制定了GB/T17626.2-1998标准。
电容器的放电电流的峰值为I0 =V/1000，而人体放电电流的峰值 为IP =V/(1000+RB )，其中，RB 为人体等效电阻。
由此得到RB =(V-1000Ip )/Ip =1000(I0 -Ip )/Ip，测出I0与Ip 之 后，可通过上式得到RB 。通过计算人体放电电流波形的时间常数 τ，由τ/RB 可得到人体电容CB。根据这种测试方法，科克等得 到的人体参数：
如对电火工品进行静电敏感度测试时，根据美军 标MIL-STD-1512采用的ESD人体模型的参数为电 容500pF，电阻5kΩ。而在汽车制造行业中，人体 模型通常采用的参数为电容330pF，电阻2kΩ。
9.2 机器模型
9.2.1 模型概述 机器模型(Machine Model)，简称MM。用来模拟带电导体对电
一种固定阻抗TLP测试系统装置
TLP测试仪的等效电路
例子：电压方波脉冲的高度VTLP =VC/2，VC为充电 电压；电流值I=(VTLP -VDUT )/R；脉冲持续时间取决 于传输长度，t=2(L/c)，c为电缆中传播的相速度； 脉冲上升时间保持不变，取决于50Ω固定阻抗。逐 步增加TLP脉冲高度，获得受试器件过压时的I-V曲 线，通过查看第二个击穿点和直流泄漏雪崩阈值来 判定可能的ESD失效水平，TLP测试曲线如图所示。
IPs
Ir
短路波形的上升沿 和峰值的确定
5ns/div IPs
短路波形的下降 时间的确定
100ns/div
IPr 90%
10% tr
5ns/div
通过500Ω电阻放电的典型电流波形
上述的标准人体ESD模型主要用于对电子器件的 静电敏感度测试。而在一些特殊行业中，根据行业 的特点采用的人体ESD模型应有所不同。
9.1.3 人体静电参数测定 1976年，科克(Kirk)等人提出代表性的测量方法。分别用高压
电流通过10MΩ的电阻，把被测人体和C=2700pF的电容器充电到 某一电压V，之后分别让人体和电容器通过一个1kΩ的电阻对地
放电，并用电流探头和示波器采集放电电流波形，通过比较人体 和电容器的放电电流的峰值来确定人体放电参数。
IP2
20ns/div
MM ESD典型短路电流波形
IPR
I100
20ns/div
通过500Ω电阻放电的MM ESD典型电流波形
9.3 传输线脉冲(TLP)模型
HBM和MM的ESD测试模型具有相同特点，是模型测试方法 对器件都具有破坏性，提供的是静电放电敏感元器件的失效阈 值，不提供元器件可能的失效机理方面的信息，而传输线脉冲 (TLP)技术能获得这方面的信息。
机器模型静电放电模拟器研制开发过程中，由于电 路很难做到足够低的电感，所以各种机器模型静电放 电模拟器的差别很大。比对元器件MM模型和HBM模 型测试结果表明，元器件对MM模型静电放电比HBM 模型静电放电更敏感。
9.2.2 国际电工委员会IEC标准（包括美ESD协会）： IEC61340-3-2规定了标准人体模型的电路参数，MM模型放电
其中电流上升时间应在5ns左右，两50%峰值电流的间隔时间 为30ns。另外，在放电电压为2kV时，放电峰值电流应达到 9A，在15kV时，应达到70A。
I×100
t/ns
IEC-801-2 （1984年版，带宽100MHz示波器）规定的放电电流波形
9.4.3 IEC的61000-4-2标准
随着测试仪器精度的提高，采用1GHz示波器测得波形和前
主要人体模型、机器模型、传输线模型和人体金属 模型的ESD测试模型，以及静电放电模拟器。
9.1 人体模型
9.1.1 人体模型概述 人体模型 (Human Body Model)，简称HBM，用来模拟人体静
电放电对敏感电子器件的作用。人体是产生静电危害的最主要的 静电源之一，人们对人体静电及其放电过程研究的比较早，也比 较深入，人体模型也比其他模型建立的更早。
子器件发生的静电放电事件。机器模型也称日本模型。基本电路 模型是，200pF的电容不经过电阻直接对器件进行静电放电。机 器模型模拟导体带电后对器件的作用，如在自动装配线上的元器 件遭受带电金属构件对器件的静电放电，也可模拟带电的工具和 测试夹具等对器件的作用。原理如图所示：
机器模型(MM)的电路配置与人体模型(HBM)相同， 不同的是MM包括200pF的放电电容以及阻值尽可能 低的放电电阻。MM模型可以看作是“最严酷”的人体 模型。
CB =132～190pF，RB =87～190Ω。
9.1.4 标准人体模型 （1）美军标：1980年5月，美国海军司令部在广泛地研究、考查 了电子行业中各种人体ESD模型之后，发布了DOD1686标准，规 定了标准的人体ESD模型，用100pF的电容器串联1.5kΩ的电阻 作为标准人体ESD模型。1988年和1989年分别发布的美军标MILSTD-1686A和MIL-STD-883C中仍使用这一人体电气模型。
9.4.2 IEC的801-2标准 在1984年发布的静电放电测试标准IEC801-2中给出了人体-金
属模型。标准中规定模型的基本电网络为单RC结构，放电参数 R和C分别取150Ω和150pF。
除此之外，该标准还对放电网络的放电电流波形提出了要求， 当放电电压分别为2kV、4kV、8kV、15kV时，用带宽不低于 100MHz的测量系统，测得它对特定的低阻抗接地靶放电的电流 波形，应具有标准中所给出的典型波形的主要特点。
9.1.2 人体电容 一般认为人体电容由两部分组成，一部分是人体的脚通过鞋底
与地面构成的平行板电容器的电容Cg，另一部分则是把人体看成 孤立导体，对自由空间的电容Cs。人体的总电容为这两部分电容 的并联，即： CB =Cg +Cs 。其中，
Cg = ε0ε r A / t = 0.0885ε r A / t( pF )
I/Ip×100
t/ns
IEC61000-4-2 （1995年版，带宽1GHz示波器）规定的放电电流波形
总之，人体-金属放电过程包含高速、低速两种放电模式。 高速放电模式与手、前臂及手持小金属物件的“自由电容”相联 系，它产生的初始放电电流尖脉冲的上升速度很高，峰值很大， 可产生强烈的电磁脉冲。而且它速度高，持继时间短，往往使得 许多电子设备的ESD保护装置还没有来得及有动作便已侵入设 备，造成设备的损伤。因而也较难防护，不过由于与之相联系的 放电电容容量较小，其放电中释放的能量也较小，它造成的损伤 往往是软损伤或形成随机干扰。 低速放电模式则与人体电容相联系，在放电时释放的能量较 大，引起意外爆炸及电子器件、系统的硬损伤等等。 这两种放电模式各具特点，人体-金属放电模型应能全面地反映 出这两种不同的放电模式。人体-金属模型主要用于对系统的人体 静电敏感度的测试。
人体能储存一定的静电电量，因此人体明显地存在电容。人体 也有电阻，人体电阻依赖于人体肌肉的弹性、水份、接触电阻等 因素。其实人体也有电感，不过这一电感的量值仅为零点几个微 亨，在多数情况下可以不加考虑。
电容器串联电阻的人体电气模型，如何选取典型的人体电容和 电阻值却产生了很大的分歧。许多研究机构和研究人员为了确定 这些参数的量值进行了许多测试和计算。
在MIL-STD-883C中对ESD模拟器输出的放电电流波形作了规 定，模拟器通过另一阻值为1.5kΩ的无感电阻对地放电时，用带 宽为100MHz的示波器和特定的电流探头得到的放电电流波形应 与规定的波形相类似。
（2）国际电工委员会IEC标准（包括美ESD协会）： IEC61340-3-1规定了标准人体模型的电路参数，还规定了放电
TLP技术大量应用于ESD防护设计领域。TLP测试原理是用 一段传输线来产生易于控制的稳定方波，利用此方波对ESDS 受试设备进行过压试验。如图所示为一种固定阻抗TLP测试。
将传输线电缆预充电至特定电位，然后通过固定匹配电阻对 ESDS受试设备放电，固定匹配电阻由另一50Ω传输线电缆组成。 用示波器同时测量受试设备的瞬时电流和电压波形。每次ESD作 用后都测器件的直流泄漏电流。在TLP系统的等效电路中，用方 波源代替充电电容。衰减器用来吸收受试设备的反射信号。
式中，A为两个鞋底的总面积(cm2)，t为鞋底的厚度(cm)。 计算Cs时需把人体等效为形状较为规则的导体，如柱形、十字形 或球形等。球形较常用，球的半径一般取人体身高的一半，得：
Cs = 4πε0r = 0.55H ( pF )
式中，H为人体的身高（cm）
根 据 上 面 的 计 算 方 法 当 一 个 人 身 高 为 173cm 时 ， 其 Cs =95pF。假设此人的鞋底与地面的接触面积约为360cm2，鞋 底厚度t为1cm，鞋底的相对电容率εr=5，则Cg=158pF。此 人的总电容CB =Cs +Cg =253pF。
电流波形发生器试验电路及典型MM模型放电电流波形参数。MM ESD波形发生器试验电路，如图所示：
图中，1：MM ESD波形发生器（200pF/0Ω） ；2：接线端A； 3：开关；4：接线端B；5：受试元器件；6：放电负载； 7：短路电缆；8：电阻500Ω；9：电流传感器
IP1 tpm
t1
t3
t0
t2
从这一结果可以看出，由这种计算方法得到的人体电容要
比一些报导中测量的人体电容大，造成这一结果的原因是，总 的说来人体的高度要比其宽度和厚度大的多，在计算时取球体 半径r=H/2往往会过高的估计了人体对自由空间的电容。考虑 到这一因素，一般在计算Cs时不管人体的高度如何，通常取 等效球的半径r=50cm，这样得到Cs =56pF。
第十章 静电放电模型
静电放电是一个复杂多变的随机过程。再加上静电 放电有许多不同的放电形式，产生静电放电的静电源 多种多样，而且同一静电源对不同的物体放电时产生 的结果也不一样，会受气候、环境等条件的影响，不 利于得到具有重复性的放电结果，难以有效地对ESD 的效应和危害进行正确的评估。为此，根据不同场合 静电放电的主要特点可以建立相应的静电放电模型， 来模拟静电放电的主要特征。
9.4 人体-金属模型
9.4.1 模型概述 人体-金属模型(BMM)也叫场增强模型。用来模拟带电人体通过
手持的小金属物件，如螺丝刀、钥匙等，对其他物体产生放电时 的情形，因此这一模型又被称为人体-金属模型。
当带电人体手持小金属物件时，由于金属物件的尖端效应，使 得其周围的场强大大增强，再加上金属物件的电极效应，导致放 电时的等效电阻大大减小。因此在同等条件下，它产生的放电电 流峰值比单独人体放电的要大，放电持续时间短。
电流波形及电流参数。IEC61340-3-1中提到，电子元器件测试的 HBMESD波形发生器，规定通过短路和负载放电的电流波形。 HBMESD波形发生器试验电路，如图所示：
图中，1：HBM ESD波形发生器（100pF/1.5kΩ） ；2：接线端；3：开关；4： 接线端；5：受试元器件；6：放电负载；7：短路电缆；8：电阻500Ω； 9：电流传感器