ESD放电模型：HBM&IEC61000-4-2&ISO10605差异对比
大家好，我是硬件微讲堂。这是我第114篇原创文章。上周在公 众号上提了一个问题，有不少同学在评论区参与讨论，感谢各位的积极参与。同学们的真知灼见，已经把问题的重点说出来。今天我们就来聊一聊这个问题。 01 一道问题 照例，先抛出一道问题：为什么芯片标称可以支持到8kV，但实际产品做ESD测试，却扛不住8kV？这个问题，可浅可深。搞清楚这个问题，需要对静电测试有一定的了解。如果是没接触过的，可能会一脸懵。 02 ESD相关标准的差异 ESD标准分器件级和系统级。网上关于这部分的文章很多，小编这里就不展开介绍，简明扼要，提一下。器件级ESD标准主要参考JEDEC，主要有HBM（Human Body Model）、MM（Machine Model）、CDM（Charged Device Model）三种模式。系统级ESD标准主要有IEC61000-4-2和ISO10605。小编整理了不同标准间的主要差异，具体如下：在上图的基础上，我们需要重点关注不同应用场景下的放电模型。不同放电模型在储能电容、放电电阻、峰值电流等参数存在差异。以IEC6100-4-2标准为例，其中有明确定义ESD放电模型以及模型中各参数的范围，如下图所示：Cd+Cs：储能电容，模拟人体电容；Rd：放电电阻 。在JEDEC的HBM模型下，储能电容取值为100pf，放电电阻取值为1.5kΩ。而在IEC61000-4-2中，储能电容取值为150pf，放电电阻取值为330Ω。可到了ISO10605中，又变了！！！ISO10605标准中定义的ESD储能电容和放电电阻取值如下，共有4种：150pf/330Ω，150pf/2kΩ，330pf/330Ω，330pf/2kΩ，分别针对汽车上不同的应用场景。不仅如此，测量的电压也有区别。IEC61000-4-2只定义了2kV~15kV，其中接触放电是2kV~8kV，空气放电是2kV~15kV。而ISO10605是定义了2kV~25kV，其中接触放电还是2kV~8kV，而空气变成了2kV~25kV。说明汽车场景对ESD的要求等级更高。下图为IEC61000-4-2的ESD电压范围。鉴于各个标准的差异项比较多，为了方便同学学习，小编已经默默把关键差异点整理出来，直接看下表即可，重点都在这里了！（敲黑板！！！）PS：峰值电流一定是在某个电压条件下。因此提到峰值电流，需要明确对应的电压条件。上表只是列出了在某电压下对应的峰值电流，并不代表全电压范围的最大峰值电流。 03 关注ESD的峰值电流 仔细看上表最右边一列的峰值电流，发现：①HBM模式在8kV时，峰值电流为5.33A；②IEC61000-4-2在8kV时，峰值电流为30A；③ISO10605的330pf/330Ω时，峰值电流为30A；我们再看下电流的波形，同样是8kV，差异挺大！（图片来自网页链接：https://www.esdguns.com/images/Human-Body-Model-vs-IEC-61000-4-2.pdf）聊到这里，又产生一个新问题，峰值电流怎么出来的呢？下图为IEC61000-4-2标准中给出的电流计算公式，是由两个函数曲线叠加生产。看着公式很复杂，实际计算起来一点也不简单！说实话，上面的一堆公式，小编也不太会。那有没有简单粗暴的估算方式呢？注意这里只是“估算”。小编没有找到直接的说明材料，索性咨询下AI，给出的答复如下。针对上述答复的正确性，小编不做评判，各位同学也请抱着辩证的态度来看。以HBM的150pf/1.5kΩ为例，峰值电流Ip可以近似估算为：再以ISO10605的330pf/330Ω为例，峰值电流Ip可以近似估算为：实际测量值更高（~30 A），因放电回路的寄生电感会导致电流振荡。当再追问到“ISO10605使用330pf 2000Ω的模型，打8kV，峰值电流是多少”时，给出的答复峰值电流为4~6A。这里应该是和ISO10605标准有出入的，因为在ISO10605里面有给出330pf/150pf，2000Ω，5kV的电流曲线，峰值电流在18A左右，如下图。 04 再看Datasheet 说到这里，再回头看文章开头的问题：芯片标称可以支持到8kV，但实际产品做ESD测试，却扛不住8kV？如上图，芯片规格上标称支持8kV，实际规格书上写的很清楚是HBM模式（100pf/1.5kΩ）下，可以支持到8kV，此时所承受的峰值电流只有5.33A。而如果实际产品做ESD测试，是按照系统级进行测试，150pf/330Ω，在8kV时，峰值电流达到30A。如下图所示，我们可以明显看出Ipk-HBM和Ipk-IEC总是相差5.6倍。（图片来自网页链接：https://www.renesas.cn/zh/document/oth/tb505-understanding-difference-between-hbm-and-iec-61000-4-2-esd-immunity?language=en）从上图中可以看出，8kV HBM模式的8kV峰值电流是5.33A，而IEC61000-4-2的2kV峰值电流是7.5A。这样HBM-8kV的芯片可能因为2kV的IEC模型ESD脉冲而击穿损坏。由此，我们再看文章开头规格书的截图，其实已经说明了芯片虽然HBM能支持到8kV，但所能达到的ISO10605 ESD等级是6kV。如果非要按照ISO10605 8kV去打ESD，那就必须要外加ESD防护器件，否则肯定会出问题！因此，切记不能将HBM的ESD等级和IEC61000-4-2或ISO10605的ESD等级混淆！ 05 总 结 先聊到这里，梳理下今天讨论的内容：①简单介绍了不同ESD标准的差异项；②重点说明了不同ESD标准下峰值电流差异；③简述峰值电流的计算和估算（请辩证来看）；④回复文章开头问题，区分HBM-IEC-ISO的ESD等级；参考文档：《IEC61000-4-2-2008》《ISO 10605-2008》（汽车电子防静电_英文版）《ISO 10605 道路车辆静电放电所产生电气干扰的测试方法》《Human-Body-Model-vs-IEC-61000-4-2.pdf》《Understanding the Difference between HBM and IEC 61000-4-2 ESD Immunity》《系统级 ESD 电路保护设计考虑因素》来源：硬件微讲堂
