ESD测试模型与系统级模型

📚 Voldman ESD 补充：本页基于 ESD: Circuits and Devices Ch.1 §1.4-1.5，系统介绍 IC 级和系统级 ESD 测试模型的完整参数与波形特征。本页大幅扩展 IC电磁兼容建模技术 中的 ESD 模型内容，增加 VF-TLP、系统级模型（HMM/CBM/CDE）和完整时间常数对比。

---

前后关系

前置知识：

• IC电磁兼容建模技术 — HBM/MM/CDM/TLP 基础参数（EMC of ICs 教材视角）
• ESD基础概念与设计原则 — ESD 物理基础

本书内部链条：

• ESD基础概念与设计原则 → ESD测试模型（本文）→ ESD时间常数体系

---

1. IC 级 ESD 测试模型

1.1 人体模型（HBM）

等效电路：$C_{HBM}=100\text{pF}$，$R_{HBM}=1500\Omega$，$L\approx 5\text{-}10\mu \text{H}$

放电波形参数：

• 上升时间（10%-90%）：$t_r\approx 2\text{-}10\text{ns}$
• 峰值电流时间：$t_p\approx 50\text{-}100\text{ns}$
• 脉冲持续时间：$\sim 150\text{-}200\text{ns}$
• 2kV HBM 峰值电流：$I_{peak}\approx V/R=2000/1500\approx 1.33\text{A}$

电流波形：双指数衰减 $i(t)=\frac{V_0}{R}\left(e^{-t/{\tau }_1}-e^{-t/{\tau }_2}\right)$

标准：

• MIL-STD-883 Method 3015.7
• JEDEC JESD22-A114-B
• AEC-Q100-002（汽车级）

HBM 等级分类：

等级	HBM 电压	典型应用
0	< 250V	无保护
1A	250-500V	基本保护
1B	500-1000V	一般 IC
1C	1000-2000V	商业 IC 最低要求
2	2000-4000V	工业级 IC
3	4000-8000V	高可靠性 IC
4	> 8000V	特殊应用

1.2 机器模型（MM）

等效电路：$C_{MM}=200\text{pF}$，$R_{MM}=0\Omega$（实际 $\sim 5\text{-}10\Omega$ 寄生），$L\approx 2\text{-}5\mu \text{H}$

放电波形参数：

• 上升时间：$t_r<1\text{ns}$（比 HBM 更快）
• 峰值电流：远高于 HBM（低阻放电）
• 振荡特征：寄生电感导致电流振荡
• 200V MM 峰值电流：$\sim 5\text{-}25\text{A}$

标准：EIAJ IC-121（日本）、JEDEC JESD22-A115

MM vs HBM 对比：

参数	HBM	MM
电容	100pF	200pF
电阻	1500Ω	~0Ω
峰值电流（相对）	1×	5-25×
上升时间	2-10ns	<1ns
失效模式	热失效	热失效 + 振荡应力

1.3 带电设备模型（CDM）

等效电路：设备自身电容 $C_{CDM}$ 通过内部电阻 $R_{CDM}$ 和电感 $L_{CDM}$ 放电

放电波形参数：

• 上升时间：$t_r<0.5\text{ns}$（极快）
• 脉冲宽度：$\sim 1\text{-}5\text{ns}$
• 峰值电流：可达数十安培
• 特征频率：GHz 范围

CDM 失效特点：

• 极快放电 → 栅氧击穿（pinhole）为主要失效模式
• 不同于 HBM/MM 的热失效（结失效/金属熔断）
• 随栅氧变薄（< 5nm），CDM 重要性显著增加
• 设备自身带电 → 自动化制造/装配过程中主要威胁

标准：JEDEC JESD22-C101

1.4 传输线脉冲（TLP）

原理：通过 50Ω 同轴传输线放电产生高电流方波脉冲。

标准参数（ANSI/ESD SP5.5.1-2004）：

• 脉冲宽度：$t_w=100\text{ns}$
• 上升时间：$t_r\approx 200\text{ps}\text{-}2\text{ns}$
• 传输线阻抗：$Z_0=50\Omega$
• 脉冲电流范围：$0.1\text{-}10\text{A}$

TLP 测试流程：

1. 逐步增加预充电电压 $V_{pre}$
2. 每次放电产生方波电流脉冲
3. 测量准静态 I-V 特性曲线（$I_{ESD}$ vs $V_{ESD}$）
4. 每次放电后测量漏电流 $I_{leak}$
5. 失效判据：$I_{leak}$ 超过阈值（通常 $1\mu \text{A}$）

TLP 提取参数：

• 动态导通电阻 $R_{on}$
• 保持电压 $V_{hold}$
• 触发电压 $V_{t1}$
• 失效电流 $I_{t2}$
• 失效功率 $P_{fail}=V_{clamp}\times I_{t2}$

TLP 优势：

• 非破坏性表征（在失效前）
• 可重复测量
• 提供完整 I-V 曲线洞察
• 关联 HBM 失效电流：$I_{HBM}\approx I_{TLP}\times 1.3\text{ns}/100\text{ns}$（功率等效）

1.5 非常快速 TLP（VF-TLP）

原理：缩短传输线长度，获得更窄脉冲。

参数：

• 脉冲宽度：$t_w=0.2\text{-}5\text{ns}$
• 上升时间：$t_r<200\text{ps}$
• 目标：表征 CDM 级别超快 ESD 事件

应用：

• CDM 相关性建立
• 栅氧完整性评估
• 薄栅氧器件 ESD 表征

---

2. 系统级 ESD 模型

2.1 IEC 61000-4-2（ESD 抗扰度）

等效电路：$C=150\text{pF}$，$R=330\Omega$

放电波形：

• 上升时间：$t_r<1\text{ns}$（接触放电）
• 30ns 处电流：$I_{30}$（规范参数）
• 峰值电流：远大于 IC 级模型

IC 级 vs 系统级对比：

参数	IC 级 HBM	系统级 IEC 61000-4-2
电容	100pF	150pF
电阻	1500Ω	330Ω
2kV 峰值电流	~1.3A	~7.5A
上升时间	2-10ns	<1ns
能量	~200μJ	~300μJ

测试等级：

等级	接触放电	空气放电
1	±2kV	±2kV
2	±4kV	±4kV
3	±6kV	±8kV
4	±8kV	±15kV

2.2 人体金属模型（HMM）

等效电路：$C=150\text{pF}$，$R=330\Omega$，$L=0\text{H}$（无电感）

• 结合 HBM 的人体电容和 IEC 61000-4-2 的低阻特性
• 用于评估系统级 ESD 对 IC 的影响

2.3 IEC 61000-4-5（浪涌抗扰度）

等效电路：$C=12\mu \text{F}$（开路电压），$R=2\Omega$（峰值电流）

• 模拟雷击感应浪涌
• 脉冲宽度：$8/20\mu \text{s}$（上升 8μs，半值 20μs）
• 能量远高于 ESD 模型
• 属于 EOS 范畴

2.4 电路板模型（CBM）

• 模拟 PCB 带电后通过连接器引脚放电
• 电容：$10\text{-}100\text{pF}$
• 电阻：$<1\Omega$
• 上升时间：< 1ns

2.5 充电器件模型扩展（CDE）

• 设备在充电状态下通过连接器放电
• 与 CDM 类似但模拟系统级场景
• 峰值电流更高

---

3. ESD 事件时间常数汇总

模型	上升时间	脉冲宽度	特征时间
HBM	2-10ns	~200ns	~200ns
MM	<1ns	~100ns	~100ns
CDM	<0.5ns	~5ns	~5ns
TLP	0.2-2ns	100ns	100ns
VF-TLP	<200ps	0.2-5ns	~2ns
IEC 61000-4-2	<1ns	~60ns	~60ns

---

参考文献

1. S. H. Voldman, ESD: Circuits and Devices, 2nd ed., Wiley, 2015, Ch.1 §1.4-1.5.
2. JEDEC JESD22-A114-B, HBM Standard.
3. JEDEC JESD22-A115, MM Standard.
4. JEDEC JESD22-C101, CDM Standard.
5. ANSI/ESD SP5.5.1-2004, TLP Standard.
6. IEC 61000-4-2, ESD Immunity Test.

---

相关页面

• ESD基础概念与设计原则 — ESD 物理基础
• ESD时间常数体系 — ESD 时间常数分析
• IC电磁兼容建模技术 — HBM/MM/CDM/TLP 基础参数（EMC of ICs 视角）
• IC电磁兼容测量方法与标准 — IEC 62215 瞬态抗扰度
• ESD Circuits and Devices 深度解析 — 来源页