ESD(Electro-Static discharge)的意思是"靜電放電"。

靜電是一種自然現(xiàn)象，它可以通過(guò)接觸、摩擦、電器間感應(yīng)等方式產(chǎn)生。由于多種因素的影響，靜電電荷會(huì)不斷積累，直到與一個(gè)導(dǎo)電體接觸，電荷會(huì)突然釋放出來(lái)，或者積累到一個(gè)臨界值，甚至擊穿周圍的電介質(zhì)，從而迅速恢復(fù)電荷平衡。這個(gè)電荷的快速釋放與中和的過(guò)程，就是靜電放電。靜電的特點(diǎn)是長(zhǎng)時(shí)間積聚、高電壓、低電量、小電流和作用時(shí)間短的特點(diǎn)。

ESD的危害

靜電在多個(gè)領(lǐng)域造成嚴(yán)重危害。特別是半導(dǎo)體行業(yè)，靜電已經(jīng)成為集成電路產(chǎn)品的“質(zhì)量殺手”。在集成電路失效案例中，靜電導(dǎo)致失效的原因占比達(dá)40%左右。電子電器產(chǎn)品運(yùn)行不穩(wěn)定，甚至損壞，最大的可能原因就是靜電對(duì)產(chǎn)品電子元件造成的損害。

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展和生產(chǎn)工藝的逐漸完善，元件集成度越來(lái)越高，特征尺寸也越來(lái)越小，但電子元件ESD防護(hù)能力大大降低。元件中極薄的導(dǎo)電路徑往往不能承受參與其中的高ESD電壓作用，靜電放電過(guò)程可持續(xù)數(shù)納秒至數(shù)百納秒，放電電壓可能高達(dá)幾百伏甚至上千伏，放電電流可能高達(dá)數(shù)安培甚至數(shù)十安培，電子元件在這樣高壓、大電流的作用下會(huì)發(fā)生不可逆的破壞，導(dǎo)致產(chǎn)品明顯損壞或功能受損。

ESD的測(cè)試方法

ESD產(chǎn)生的原因較多，對(duì)于集成電路電子元件產(chǎn)品，常見(jiàn)的ESD 被分類為下列三類，分別是：人體放電模式(HBM, Human Body Model), 機(jī)器放電模式(MM, Machine Model)以及元件充電模式(CDM, Charge Device Model).

人體放電模式

指人體通過(guò)磨擦或其他原因積累了靜電，而靜電沒(méi)有釋放時(shí)，當(dāng)人碰觸到電子元件時(shí)，人體積累的靜電便會(huì)經(jīng)由電子元件的管腳進(jìn)入電子元件內(nèi)，再經(jīng)由電子元件放電到地。該模型表征人體帶電接觸元件放電，人體等效電阻定為1.5kΩ，人體等效電容定為100pF。等效電路如下圖。

圖1 HBM ESD等效電路模型

HBM的電流波形如下圖中所示，對(duì)于消費(fèi)類電子產(chǎn)品一般要通過(guò)2kV的 HBM ESD電壓，通常電流峰值在1.2A-1.48A左右，電流上升時(shí)間在2-10ns，電流持續(xù)時(shí)間在130ns-170ns之間，放電速度非?？?。

圖2 HBM ESD電流波形示意圖

HBM ESD敏感元器件靜電敏感度等級(jí)，參考JS-001標(biāo)準(zhǔn)共分為九個(gè)等級(jí)。

表1 HBM ESD靜電敏感度等級(jí)

機(jī)器放電模式

用于模擬帶電導(dǎo)體在電子元件上產(chǎn)生靜電放電。是指機(jī)器（例如機(jī)械手臂）本身積累了靜電，當(dāng)此機(jī)器碰觸IC時(shí)，該靜電便經(jīng)由IC的PIN腳放電。該放電過(guò)程持續(xù)時(shí)間較短、電流較大。由于機(jī)器多為金屬，金屬的阻抗可以認(rèn)為是0Ω，所以機(jī)器放電模式中的等效電阻為0Ω，等效電容定為200pF，并且相比于HBM, 等效電路中多出了一個(gè)電感。

圖3 MM ESD等效電路模型

機(jī)器模式下電流波形見(jiàn)下圖，因?yàn)闄C(jī)器在放電模式下不存在電阻，所以放電過(guò)程較短，儲(chǔ)電電容比人體模式大，從幾個(gè)ns至幾十個(gè)ns之間，會(huì)出現(xiàn)幾安放電電流。相同電壓下，機(jī)器模式產(chǎn)生的放電電流比人體模式更大，對(duì)元器件的破壞性遠(yuǎn)大于人體模式。

圖4 MM ESD電流波形示意圖

MM ESD敏感元器件靜電敏感度等級(jí)，參考JEDEC標(biāo)準(zhǔn)共分為三個(gè)等級(jí)。

表2 MM ESD靜電敏感度等級(jí)

不過(guò)MM ESD測(cè)試方法已經(jīng)基本不再使用了，例如AECQ質(zhì)量認(rèn)證要求中已經(jīng)刪除了MM模式ESD測(cè)試的要求。只有部分企業(yè)做產(chǎn)品研發(fā)時(shí)可能還會(huì)沿用這種方法。

元件充電模式

由于摩擦或其他原因，電子元件在生產(chǎn)運(yùn)輸過(guò)程中積累了靜電，但由于沒(méi)有快速釋放電荷，因此沒(méi)有受到損傷。這種帶有靜電的元件的管腳接近或者觸碰到導(dǎo)體或人體時(shí)，元件內(nèi)部的靜電便會(huì)瞬間放電，此種模式的放電時(shí)間可能只在幾ns內(nèi)。

圖5 CDM ESD測(cè)試設(shè)備簡(jiǎn)化示意圖

CDM ESD放電時(shí)間更短、電流峰值更高，導(dǎo)致器件承受的ESD應(yīng)力更大，相比于前兩種模式，CDM更容易導(dǎo)致IC損壞。

圖6 CDM ESD電流波形示意圖

CDM ESD敏感元器件靜電敏感度等級(jí)，參考JS-002標(biāo)準(zhǔn)共分為五個(gè)等級(jí)。

表3 CDM ESD靜電敏感度等級(jí)

AECQ認(rèn)證的ESD測(cè)試要求

AECQ車載電子認(rèn)證對(duì)集成電路芯片，分立器件，被動(dòng)元器件及其他組件均提出了相應(yīng)ESD測(cè)試需求。

AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q102、AEC-Q103、AEC-Q104等標(biāo)準(zhǔn)都是依據(jù)JS-001及JS-002進(jìn)行HBM模式和CDM模式的ESD測(cè)試。

與其他系列的標(biāo)準(zhǔn)不同，AEC-Q200測(cè)試方法依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 10605，分為接觸放電和空氣放電兩種模式。

接觸放電是針對(duì)可以接觸到的半成品電子產(chǎn)品或金屬外殼的電子產(chǎn)品，采用接觸式放電，模擬在生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用過(guò)程中可能出現(xiàn)的人體放電對(duì)電子產(chǎn)品造成損壞的情況。

空氣放電以絕緣外殼或在外殼表面涂覆絕緣防護(hù)層為放電目標(biāo)，該放電不與試樣表面直接接觸，而是由高壓靜電脈撞擊穿空氣并傳送到產(chǎn)品內(nèi)造成電子產(chǎn)品或元器件破壞的一種方式。

圖7 被動(dòng)元器件HBM ESD等效電路模型

圖8 接觸放電和空氣放電ESD電流波形示意圖

被動(dòng)元器件HBM ESD靜電敏感度等級(jí)，參考AEC-Q200-002標(biāo)準(zhǔn)等級(jí)如下表。

表4 被動(dòng)元器件HBM ESD靜電敏感度等

ISO 10605規(guī)范的ESD測(cè)試方法同IEC 61000-4-2，僅在儲(chǔ)能電容及放電電阻方面存在差異。針對(duì)AEC-Q200的被動(dòng)元器件測(cè)試要求，等效電阻定為2000Ω，等效電容定為150pF，相比之下，IEC 61000-4-2規(guī)定的330Ω、150pF/330pF更加嚴(yán)酷。