Simulace elektrostatických výbojů

(přepínač VLEVO) Nabíjení kondenzátoru C přes rezistor cca 1 Mohm na ss napětí Vdc; (přepínač VPRAVO) Objekt o kapacitě C se vybíjí přes rezistor R a indukčnost L do DUT, tj. zkoušené součástky/sestavy

Elektrostatický výboj (electrostatic discharge, ESD) značí přenos náboje z materiálu nebo z předmětu s odlišným elektrickým potenciálem vzhledem k nejbližšímu okolí (včetně průrazu příslušného dielektrika). Takové výboje mohou ohrozit mj. elektronické součástky i sestavy.

Poznámka: anglický termín electrostatic discharge však zahrnuje i pomalé vybíjení elektrostatického náboje přes galvanický kontakt (a ochranný rezistor).

Citlivost součástek na elektrostatický výboj (Component Sensitivity Classification) lze klasifikovat napětím v modelu HBM, resp. CDM, které bylo použito při měření citlivosti.

Model HBM

Human Body Model (model lidského těla) je vhodný pro simulaci výboje z nabité osoby do zkoušené součástky nebo systému. Tento historický model reprezentuje pracovníka (lidské tělo) jako součástku C o kapacitě cca 100 pF, která se např. chůzí po nevodivé podlaze nabije na vysoké napětí (např. 10 kV). Pracovník potom manipuluje se součástkami citlivými na ESD. Taková manipulace se v modelu HBM vyjádří vybíjením C přes součástku R o rezistanci cca 1 kOhm.

Model HBM se běžně používá pro zkoušení ESD citlivosti elektronických součástek a systémů v průběhu výroby a používání. Model byl původně používán při hodnocení iniciační citlivosti pyrotechnických prachů. Podrobnosti o zkoušení podle modelu HBM jsou specifikovány v příslušné normě, která uvádí mj. podrobnosti o nabíjení modelu a časové průběhy proudů do zkušební zátěže: „zkratovací drát“ a „rezistor 500 W“, pro zadané ss napětí zdroje, např. „1 kV HBM“.

Model MM

Model MM, Machine Model (model strojový) simuluje výboj z velkého kovového předmětu, jako jsou např. díly osazovacího stroje. Nejnovější verze dokumentů ESDA i IEC posouvají tento model mezi méně závažné.

Model CDM

Model CDM, Charged Device Model (model nabité součástky) simuluje situaci, kdy se malá nabitá součástka nebo předmět přiblíží k nabitému povrchu a dojde k elektrostatickému výboji. Tato situace nastává při měření ESD citlivosti elektronických součástek. Uvedené modely ESD lze simulovat pomocí jednoduchého obvodu, ve kterém je zpočátku elektrostatický náboj uložen v kondenzátoru C (pomalé nabíjení C). Při hodnocení citlivosti elektronické součástky/sestavy (simulaci výboje) se vyžaduje, aby se uložená elektrostatická energie vybila do zátěže, součástky, sestavy atp.

Tabulka – Hodnoty R, C a L pro simulační modely ESD (Values used in ESD simulation models)

Model		R (Ω)	C (pF)	L (nH)
Model lidského těla,	HBM	1 000 – 3 000	100 – 300	Parazitní
Model nabité součástky	CDM	< 10	3 – 30	Parazitní
Strojový model	MM	8,5	200	0,5

Související publikace, normy a specifikace

Model HBM

• ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2024, ESDA/JEDEC Joint Standard for Electrostatic Discharge Sensitivity Testing - Human Body Model (HBM) - Device Level
• ANSI/ESD SP5.1.3-2017: Human Body Model (HBM) testing.
• IEC 60749-26, Semiconductor devices – Mechanical and climatic test methods – Part 26: Electrostatic discharge (ESD) sensitivity testing – Human body model
• ČSN EN 60749-26, Polovodičové součástky – Mechanické a klimatické zkoušky – Část 26: Zkoušení citlivosti na elektrostatický výboj (ESD) – Model lidského těla (HBM)

Model MM

• ANSI/ESD SP5.2.1-2012 Machine Model (MM) Alternative Test Method: Supply Pin Ganging
• ESD SP5.2-2019: ESD Standard Practice for Machine Model (MM) testing.
• IEC 60749-27, Semiconductor devices – Mechanical and climatic test methods – Part 27: Electrostatic discharge (ESD) sensitivity testing – Machine model
• ČSN EN 60749-27, Polovodičové součástky – Mechanické a klimatické zkoušky – Část 27: Zkoušení citlivosti na elektrostatický výboj (ESD) – Strojový model (MM)

Model CDM

• ANSI/ESD S5.3.1-2009, For Electrostatic Discharge Sensitivity Testing – Charged Device Model (CDM) – Component Level
• ANSI/ESDA/JEDEC JS-002: CDM Test Standard (often considered the primary real-world model).
• IEC 60749-28, Semiconductor devices – Mechanical and climatic test methods – Part 28: Electrostatic discharge (ESD) sensitivity testing – Charged device model (CDM)– device level
• ČSN EN 60749-28, Polovodičové součástky – Mechanické a klimatické zkoušky – Část 28: Zkoušení citlivosti na elektrostatický výboj (ESD) – Model nabité součástky (CDM) – úroveň součástky

Industry Council on ESD Target Levels

Jde o nezávislou instituci zaměřenou na cílové kvalifikační úrovně ESD při zkoušení součástek, při respektování norem na modely HBM, MM, CDM, včetně správných úrovní při návrhu systémů:

• White Paper 1, A Case for Lowering Component Level HBM/MM ESD Specifications and Requirements, 2010
• White Paper 2, A Case for Lowering Component Level CDM ESD Specifications and Requirements, 2010
• White Paper 3, System Level ESD, 2010

EOS/ESD Association, Inc.

EOS/ESD Association, Inc. je nezávislá obchodní a normalizační organizace zaměřená na ochranu před elektrickým přetížením a před elektrostatickým výbojem. Sdružuje významné nadnárodní organizace, pro které je důležitá ochrana součástek pro elektrotechniku a pro elektroniku, elektronických systémů atp. Volně dostupný dokument Fundamentals of electrostatic discharge popisuje postupy používané k charakterizaci, stanovení a klasifikaci citlivosti součástí na ESD. Tyto testovací postupy jsou založeny na dvou primárních modelech ESD událostí: Model lidského těla (HBM) a Model nabité součástky (CDM)

Soubor IEC 61340_Elektrostatika

• ČSN IEC/TR 61340-1 Elektrostatika – Část 1: Elektrostatické jevy – Principy a měření
• ČSN EN 61340-3-1 ed.2 Elektrostatika – Část 3-1: Metody simulace elektrostatických jevů – Časové průběhy elektrostatického výboje pro model lidského těla (HBM)
• ČSN EN 61340-5-1 ed.2 Elektrostatika – Část 5-1: Ochrana elektronických součástek před elektrostatickými jevy – Všeobecné požadavky

Odkazy

Reference

V tomto článku byl použit překlad textu z článku ESD-Simulationsmodelle na německé Wikipedii.