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CEPREI－RAC

ESD试验方法和标准

报告人： 来萍

laiping@ceprei.com

Comparison of Electrostatic Discharge Testing Methods between IC and Electrical/Electronic

Equipment

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主要编制人员

中国赛宝实验室可靠性研究分析中心：

来萍 罗宏伟 邝贤军 梁晓思

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• 中国赛宝实验室• CEPREI

• 信息产业部电子第五研究所• 中国电子产品可靠性与环境试验研究所

• China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute

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研讨内容

• 1 1 引言引言• 2 2 电子元器件电子元器件ESDESD试验方法和标准试验方法和标准• 3 3 电子设备电子设备ESDESD试验方法和标准试验方法和标准•• 4 4 试验方法对比试验方法对比•• 5 5 一些问题一些问题

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为何要对电子元器件（包括IC）和电子设备进行静电放电试验？

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静电试验的目的和意义

• 重要的性能或质量指标；• 设计和制造方－改进提高• 使用方 －选择和防护

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2 元器件ESD试验方法和标准

• 2.1 相关标准• 2.2 标准电路模型和放电波形• 2.3 常见的标准内容和试验方法• 2.4 委托试验

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CEPREI－RAC 2.1 相关标准• 元器件ESD试验的相关标准有：

电子元器件//CDMESDA ESD STM5.3.1-19996

电子元器件1s±3MMESDA ESD STM5.2-19995

电子元器件0.3s±3HBMESDA ESD STM5.1-20014

电子元器件//CDMJEDEC JESD22-C101-C (2004)3

电子元器件1s±1MMJEDEC JESD22-A115-A2

电子元器件0.3s±1HBMANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2010（Revision and Replacement of

ANSI/ESD STM5.1-2007 &JEDEC JESD22-A114F）

1

适用范围最小放电间隙

放电次数

放电模型

标准号序号

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CEPREI－RAC 2.1 相关标准

• 元器件ESD试验的相关标准

电子元器件//HBM/MMEIA/J ED 4701/30515

光电器件1s±3HBMBellcore TR-NWT-0087016

IC Card5s±1HBMISO/IEC 10373:1993(E) 6.417

电子元器件0.3s±1HBM/MMEIA/J ED 4701/30414

军用分立元器件1s±3HBMGJB128B-2006 102013

军用微电路1s±3HBMGJB548B-2005 3015 12

军用分立元器件1s±3HBMMIL-STD-750D 102011

军用微电路1s±3HBMMIL-STD-883H 3015.710

汽车用器件//CDMAEC-Q100-011-REV-A9

汽车用器件1s±1MMAEC-Q100-003-REV-E8

汽车用器件0.5s±1HBMAEC-Q100-002-REV-C7

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2.2 标准电路模型和放电波形

• 2.2.1 人体模型（HBM）• 2.2.2 机器模型（MM）• 2.2.3 充电器件放电模型（CDM）• 2.2.4 其他

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2.2.1人体模型（HBM）

• HBM电路模型

R1 = 10 6 ohms to 10 7 ohmsC1 = 100 picofarads ±10 percent (Insulation resistance 10 12 ohms minimum)R2 = 1,500 ohms ±1 percentS1 = High voltage relay (Bounceless, mercury wetted, or equivalent)S2 = Normally closed switch (Open during discharge pulse and capacitance measurement)

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2.2.1人体模型（HBM）

• HBM波形

Tri (rise time) ---------------Less than 10 nanoseconds.Tdi (delay time) -------------150 ±20 nanoseconds. Ip (peak current) ------------Within ±10 percent of the Ip value shown in table II for the voltage step selected. Ir (ringing) --------------------The decay shall be smooth, with ringing, break points, double time constants ordiscontinuities less than 15 percent Ip maximum, but not observable 100 nanoseconds after start of the pulse.

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CEPREI－RAC2.2.1人体模型（HBM）

• HBM波形参数要求

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2.2.1人体模型（HBM）• 选项要求

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2.2.2 机器模型（MM）

• MM电路模型

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2.2.2 机器模型（MM）

• MM波形

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2.2.2 机器模型（MM）• MM波形参数要求

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2.2.3充电器件放电模型（CDM）• 作用：

–1. 器件因感应或摩擦而带电荷；

–2. 器件上的电荷藉由管脚对外放电

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2.2.3充电器件放电模型（CDM）

• CDM电路模型及波形

讯程提供

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2.2.3充电器件放电模型（CDM）

• CDM电路模型及波形

(a) CDM 电路 (b) CDM 负载短路波形

图 3.3 CDM 模型的电路及波形

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2.2.3充电器件放电模型（CDM）• CDM波形参数要求

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2.2.3充电器件放电模型（CDM）

1.上升时间极短

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2.2.3充电器件放电模型（CDM）

0.0 0.3 0.5 0.8 1.0 1.3 1.5 1.8 2.0-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

TIME (NANOSECONDS)

Ip1

Ip2

Ip3

90% Ip1

t d

rt

10% Ip1

上升速度快,

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2.2.3充电器件放电模型（CDM）

• The CDM discharge is 100x faster than HBM or MM

• The peak current can be 40x that of an HBM pulse

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

0 50 100 150 200

MM

HBM (0.66A Peak)

CDM (30pf Test Module)

A

ns

讯程提供

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2.2.4 其他模型

• Transmission Line Pulse (TLP)• The Charged Strip Model（CSM）• Charged Board Model (CBM)

26

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2.2.4 其他模型

• TLP模型（ESD DSP5.5.2-2007)

0

10

20

30

40

50

60

-5.00E-08 0.00E+00 5.00E-08 1.00E-07 1.50E-07 2.00E-07

图1 TLP方法的基本结构 图2 典型TLP脉冲曲线

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2.2.4 其他模型

• TLP

栅接地nMOS晶体管的典型I－V击穿特性

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2.2.4 其他模型IC保护网络的设计要求• 1) Vt1-开启电压，针对不同器件要求

It1-漏电流，越小越好；• 2) Vsp(Vh)-维持电压 越小越好(Vdd－Vss)• 3) Snapback斜率越小越好;• 4) It2-击穿电压 ，越大越好

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2.2.4 其他模型

• TLP– Wunsch-Bell根据失效电流（It2）与失效时间（tf）关系预测It2与 Vfail为线性关系。ESD作用时间小于10μs时遵守Wunsch-Bell关系。

– 理想情况下，HBM－ESD失效电压与二次击穿的脉冲电流存在以下公式，

Vfail=1500Ω×It2这里1500Ω是人体模型源电阻值。

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2.3 常用的标准内容和试验方法MIL883F 微电路试验标准3015.7 静电放电敏感度的分类

1 目的 2 设备 3 程序 4 说明

1.1 定义 2.1试验设备

2.2测量仪器

2.3校准

2.4鉴定

3.1总则

3.2波形验证

3.3分类试验

3.4引线组合

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2.3- （1）仪器设备

• 高压和波形发生器• 高压和波形检测仪器• 校准和计量要求

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2.3- （1）仪器设备

人体放电模式（HBM）: ±8kV

机器放电模式（MM）: ±2kV

闩锁(Latch-up):触发电流±1A最大触发电压±100V；JEDEC、ESDA、AEC、MIL及

GJB；768PIN

ESD&Latchup

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2.3- （1）仪器设备充电器件放电模式（CDM） :±4kV

• 1. 插座式器件充電模型 SCDM (Sockted CDM)

• 2. 非插座式器件充電模型 CDM (Non-Socketed CDM)

– *ESDA STM5.3.1– *JEDEC EIA/JESD22-C101-B– *AEC-Q100-011-REV-A

•• 机械式机械式CDM=Robotic CDMCDM=Robotic CDM

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2.3- （1）仪器设备• 校验仪器

– 示波器 ：350MHz/1GHz 带宽，1Gs/s– 电流探头: 350MHz/1GHz 带宽

(CT－1/CT－2)

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2.3- （2）程序

• -放电电压确定• -放电脉冲的次数及间隔• -管脚组合方式（HBM/MM)• -失效阈值电压的确定等。

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2.3- （2）程序

• 表 3.5 试验管脚组合（MIL-STD）1) A 端

（分别将每一个管脚依次连接

到 A端，而其他的悬空）

B 端

（所有同类名称管脚的

组合连接到 B端）

1 除 Vpsl外的所有管脚2) 所有 Vpsl管脚

2 所有输入和输出管脚 所有其他的输入和输出管脚

1)不连接（NC）的管脚是不被试验的；

2)对各类电源和地，重复管脚组合 1的试验（如 Vpsl是 VDD、VCC、VSS、VBB、 GND、＋VS、－VS、VREF等）。

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2.3- （2）程序

假设器件的只有VCC、VSS和GND共3个Vpsl管脚，其余是输入和输出脚，试验管脚组合数NC和静电放电次数ND统计如下式，

具体的计算结果见左表:

NC＝3×（NP－1）＋（NP－3）

ND＝6×NC

2396439941000

167642794700

119641994500

4764794200

2364394100

188431480

92415440

4447420

2043410

放电次数ND试验组合数Nc管脚数NP

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2.3-（3）等级分类

表 3.2 HBM 常用标准的 ESD 电压阈值分类方法 JESD22-A114-B & ESD STM5.1

AEC-Q100-002-REV-C

MIL-STD-883G 3015.7& GJB548A-96 3015

Bellcore TR-NWT-00870

Class0:

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2.3－（3）等级分类表 3.3 MM 常用标准的 ESD 电压阈值分类方法

JESD22- A115-A (1997) ESD STM5.2-1999 AEC-Q100-003-REV-E Class A:

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2.3－（3）等级分类

• IC的ESD等级一般要求*HBM:>=2kV (军标也要求>2kV)*MM: >=200V*CDM: >=700V~1000V

讯程提供

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2.4 委托试验

• （一）提供信息：–样品型号名称；

–样品的封装形式及管脚数；

–样品的参数规范；

–参照的相关标准*；

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2.4 委托试验

• （二）确定方案：– 参照标准– 试验模型– 电压等级– 失效判据

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2.4 委托试验

• （三）委托试验评价方式：– 委托试验和功能参数测试– 委托试验和来人现场功能及参数测试– 委托试验和做I－V特性；– 仅委托试验

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3 电子设备ESD试验方法和标准

• 3.1 相关标准• 3.2 标准波形• 3.3 常见的标准内容和试验方法

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3.1 相关标准

•

信息技术设备静电放电敏感度试验SJ 20154-925

量度继电器和保护装置的电气干扰试验第2部分：静电放电试验GB/T 14598.14-984

电子测量仪器电磁兼容性试验规范静电放电敏感度试验

GB/T 6833.3-19873

电磁兼容试验和测量技术

静电放电电抗扰度试验GB/T 17626.2-982

Electromagnetic compatibility (EMC)—Part 4-2: Testing and measurement techniques—

Electrostatic discharge immunity test.电磁兼容性 (EMC) 第4-2部分

:静电放电抗干扰试验

IEC 61000-4-2-2001 1

标准名称标准编号序号

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2.2 标准电路模型和放电波形

• 电路模型－HBM

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2.2 标准电路模型和放电波形

• 参数要求

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2.2 标准电路模型和放电波形

• 放电波形

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2.2 标准电路模型和放电波形

• 波形参数

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3.3 常见的标准内容和试验方法

• 6100－4－2

1 范围 2 引用 3 概述 4 定义 5 试验等级

6 试验发生器 7 试验配置 8 试验程序 9 结果和报告

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3.3-（1）试验发生器

• 波形发生器

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3.3-（1）试验发生器

• 校验仪器– 示波器:1GHz 带宽– 法拉第笼– 靶: 1GHz 带宽

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3.3-（1）试验发生器

• 校验仪器

• 讯程提供

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3.3-（2）试验配置

• 接地参考平面• 安全规定• 受试设备的布置和连接（间距1m）• 放电回路电缆2m• 水平耦合板和垂直耦合板• 耦合面接地470Ω• ……

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3.3-（2）试验配置

• 台式设备

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CEPREI－RAC3.3-（2）试验配置

• 落地设备

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3.3-（3）试验程序

• 1）确定试验方案

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3.3-（3）试验程序

• 2）对受试设备直接施加的放电：– 选择放电点– 接触放电– 空气放电（尽可能快速）– 10次（最敏感的极性），间隔1s

•电压步进•电极垂直，电缆0.2m •涂漆层

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3.3-（3）试验程序

• 放电点的选择– 操作人员正常使用时可能接触的点和面上– 在受试设备内部，被允许用户维修的点和（或）表面；

– 例如（附录A的A5）：• 与地绝缘的金属外壳上的一些点• 控制或键盘区域任何点和人机通信的其他任何点，如开关、键、旋钮、按钮以及其他操作人员容易接近的区域

• 指示器，如LED、缝隙、栅格、连接器罩等

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3.3-（3）试验程序

• 3）间接施加的放电– 只有接触放电– 在受试设备下面的水平耦合板– 垂直耦合板– 10次（最敏感的极性），间隔1s

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3.3-（4）试验电压

• 放电方式：接触、空气；直接、间接

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3.3-（5）试验结果和报告

• 试验结果分类– 在技术要求限制内的性能正常– 功能或性能暂时降低或丧失，但能自行恢复– 功能或性能暂时降低或丧失，但要求操作人员干预或系统复位

– 功能永久降低或丧失

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4 试验方法对比

重复性较差准确，重复性好（10）试验结果

试验过程中及试验后设备性能试验后器件性能（9）失效判据

接触放电：2.0kV,4.0kV,6.0kV,8.0kV空气放电：2.0kV,4.0kV,8.0kV,15.0kV

HBM :0.5kV,1.0kV,2.0kV,4.0kV,8.0kV

（8）试验电压

设备处于加电工作状态器件不加电，不工作（7）试验过程的状态

接触放电，空气放电；直接放电，间接放电

只有直接接触放电（6）试验过程的放电方式

有一定的灵活性和不确定性确定的管脚组合（6）放电点选择

需要辅助配置和装置：接地参考面，耦合板等

基本不需要（5）试验配置

简单，便宜复杂，昂贵（4）试验设备

HBM（330Ω，150pf）HBM（1.5kΩ，100pf）MM，CDM

（3）试验电路模型

IEC 61000-4-2-2001 JEDEC JESD22-A114-B等（2）依据标准

电子设备元器件（1）试验对象

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5 一些问题

• 端口（管脚）之间的I-V测试• 同型号产品不同厂家或Foundry线• 同厂家不同型号产品• 器件工作电压与抗静电放电电压的关系• 模块/PCBA与器件（芯片）的关系• ESD试验的累积效应• 先入为主的现象

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5 一些问题• 对PCBA如何进行ESD？

–标准和方法？

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内容回顾

• 1 引言• 2 电子元器件ESD试验方法和标准• 3 电子设备ESD试验方法和标准• 4 试验方法对比• 5 一些问题

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• 联系方式：联系人：来萍

单位：中国赛宝实验室

地址：广州市天河区东莞庄路110号电话：020－87234661邮箱：laiping@ceprei.com,

laiping@21cn.com