AEC--Q中的ESD测试

什么是ESD

ESD(Electro-Static discharge)的意思是"静电放电"。

静电是一种自然现象，它可以通过接触、摩擦、电器间感应等方式产生。由于多种因素的影响，静电电荷会不断积累，直到与一个导电体接触，电荷会突然释放出来，或者积累到一个临界值，甚至击穿周围的电介质，从而迅速恢复电荷平衡。这个电荷的快速释放与中和的过程，就是静电放电。静电的特点是长时间积聚、高电压、低电量、小电流和作用时间短的特点。

ESD的危害

静电在多个领域造成严重危害。特别是半导体行业，静电已经成为集成电路产品的“质量杀手”。在集成电路失效案例中，静电导致失效的原因占比达40%左右。电子电器产品运行不稳定，甚至损坏，最大的可能原因就是静电对产品电子元件造成的损害。

随着集成电路产业高速发展和生产工艺的逐渐完善，元件集成度越来越高，特征尺寸也越来越小，但电子元件ESD防护能力大大降低。元件中极薄的导电路径往往不能承受参与其中的高ESD电压作用，静电放电过程可持续数纳秒至数百纳秒，放电电压可能高达几百伏甚至上千伏，放电电流可能高达数安培甚至数十安培，电子元件在这样高压、大电流的作用下会发生不可逆的破坏，导致产品明显损坏或功能受损。

ESD的测试方法

ESD产生的原因较多，对于集成电路电子元件产品，常见的ESD 被分类为下列三类，分别是：人体放电模式(HBM, Human Body Model), 机器放电模式(MM, Machine Model)以及元件充电模式(CDM, Charge Device Model)。

人体放电模式

指人体通过磨擦或其他原因积累了静电，而静电没有释放时，当人碰触到电子元件时，人体积累的静电便会经由电子元件的管脚进入电子元件内，再经由电子元件放电到地。该模型表征人体带电接触元件放电，人体等效电阻定为1.5kΩ，人体等效电容定为100pF。等效电路如下图。

图1 HBM ESD等效电路模型

HBM的电流波形如下图中所示，对于消费类电子产品一般要通过2kV的 HBM ESD电压，通常电流峰值在1.2A-1.48A左右，电流上升时间在2-10ns，电流持续时间在130ns-170ns之间，放电速度非常快。

图2 HBM ESD电流波形示意图

HBM ESD敏感元器件静电敏感度等级，参考JS-001标准共分为九个等级。

表1 HBM ESD静电敏感度等级

机器放电模式

用于模拟带电导体在电子元件上产生静电放电。是指机器（例如机械手臂）本身积累了静电，当此机器碰触IC时，该静电便经由IC的PIN脚放电。该放电过程持续时间较短、电流较大。由于机器多为金属，金属的阻抗可以认为是0Ω，所以机器放电模式中的等效电阻为0Ω，等效电容定为200pF，并且相比于HBM, 等效电路中多出了一个电感。

图3 MM ESD等效电路模型

机器模式下电流波形见下图，因为机器在放电模式下不存在电阻，所以放电过程较短，储电电容比人体模式大，从几个ns至几十个ns之间，会出现几安放电电流。相同电压下，机器模式产生的放电电流比人体模式更大，对元器件的破坏性远大于人体模式。

图4 MM ESD电流波形示意图

MM ESD敏感元器件静电敏感度等级，参考JEDEC标准共分为三个等级。

表2 MM ESD静电敏感度等级

不过MM ESD测试方法已经基本不再使用了，例如AECQ质量认证要求中已经删除了MM模式ESD测试的要求。只有部分企业做产品研发时可能还会沿用这种方法。

元件充电模式

由于摩擦或其他原因，电子元件在生产运输过程中积累了静电，但由于没有快速释放电荷，因此没有受到损伤。这种带有静电的元件的管脚接近或者触碰到导体或人体时，元件内部的静电便会瞬间放电，此种模式的放电时间可能只在几ns内。

图5 CDM ESD测试设备简化示意图

CDM ESD放电时间更短、电流峰值更高，导致器件承受的ESD应力更大，相比于前两种模式，CDM更容易导致IC损坏。

图6 CDM ESD电流波形示意图

CDM ESD敏感元器件静电敏感度等级，参考JS-002标准共分为五个等级。

表3 CDM ESD静电敏感度等级

AECQ认证的ESD测试要求

AECQ车载电子认证对集成电路芯片，分立器件，被动元器件及其他组件均提出了相应ESD测试需求。

AEC-Q100、AEC-Q101、AEC-Q102、AEC-Q103、AEC-Q104等标准都是依据JS-001及JS-002进行HBM模式和CDM模式的ESD测试。与其他系列的标准不同，AEC-Q200测试方法依据标准ISO 10605，分为接触放电和空气放电两种模式。

接触放电是针对可以接触到的半成品电子产品或金属外壳的电子产品，采用接触式放电，模拟在生产、运输和使用过程中可能出现的人体放电对电子产品造成损坏的情况。

空气放电以绝缘外壳或在外壳表面涂覆绝缘防护层为放电目标，该放电不与试样表面直接接触，而是由高压静电脉撞击穿空气并传送到产品内造成电子产品或元器件破坏的一种方式。

图7 被动元器件HBM ESD等效电路模型

图8 接触放电和空气放电ESD电流波形示意图

被动元器件HBM ESD静电敏感度等级，参考AEC-Q200-002标准等级如下表。

表4 被动元器件HBM ESD静电敏感度等

ISO 10605规范的ESD测试方法同IEC 61000-4-2，仅在储能电容及放电电阻方面存在差异。针对AEC-Q200的被动元器件测试要求，等效电阻定为2000Ω，等效电容定为150pF，相比之下，IEC 61000-4-2规定的330Ω、150pF/330pF更加严酷。