一、概述
前文介紹了HBM、MM、CDM等面向半導體器件的ESD測試模型標準和敏感度分級，這些ESD模型標準用于評測半導體器件的ESD防護能力。產品設計工程師在進行方案的器件選型時應給予特別關注。同時也意味著，半導體器件在封裝、測試、轉運、焊接等生產制造的全部過程中都需要控制ESD環境（包括人體、設備、材料等）電壓不超過器件的ESD耐受閾值。
不幸的是，這些標準經常被誤解，有時會和面向“整機產品/設備”的ESD試驗標準IEC61000-4-26（國標GB-T17626.2等同于此國際標準）混淆，甚至被互換使用。實際上，制定這兩類不同的標準用于不同的目的。IEC 61000-4-2標準則是針對電子產品的整機系統級（裝置、設備、系統、子系統）的ESD試驗標準，以模擬評估電氣電子產品在真實世界的ESD應力環境條件下對ESD的抗干擾（EMS）能力，它是評測電氣電子產品電磁兼容性（EMC）的一個重要組成部分。
二、IEC61000-4-2介紹
2.1 標準適用范圍
IEC61000-4-2由國際電工委員會（The International Electrotechnical Commission - IEC）制定，其標準文本的名稱為：”Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2: Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge imminity test“，即“電磁兼容性-第4-2部分：試驗和測量技術-靜電放電抗擾度試驗“。
IEC61000-4-2的不同版本內容略有修改和差異，本文主要參考IEC61000-4-2 Edition 2.0 -2008.12 發布的版本進行說明。
該標準規定了電氣電子設備（equipment）遭受來自操作人員或物體直接接觸產生放電（直接放電）時、以及人或物體對關鍵設備的鄰近物體放電（間接放電）時的抗擾度要求和試驗方法，還包括了不同環境和安裝條件下試驗等級的范圍和試驗程序。 該標準的通用性和可重現性（reproducible）使人們可以量化評估電氣電子設備、即受試設備（EUT - equipment under test）在遭受靜電放電時的抗干擾性能。
該試驗標準中有幾個關于放電方式的重要術語：
（1） 直接放電 direct application
-- 直接對受試設備實施放電，即通過傳導直接耦合方式實施干擾。
（2） 間接放電 indirect application
-- 對受試設備附近的耦合板實施放電，以模擬人體對受試設備附近的物體的放電，即透過空間輻射耦合方式實施干擾。耦合板（coupling plane）就是一塊金屬板。HCP：水平耦合板；VCP：垂直耦合板。
（3） 接觸放電方法 contact discharge method
-- 試驗發生器的電極保持與受試設備的接觸并由發生器內的放電開關激勵放電的一種試驗方法。 屬于直接放電方式。
（4） 空氣放電方法 air discharge method
-- 將試驗發生器的充電電極靠近受試設備并產生電火花對受試設備激勵放電的一種試驗方法。屬于間接放電方式。
標準規定：接觸放電是優先選擇的試驗方法，空氣放電則用于不能使用接觸放電的場合（如表面涂有絕緣層、計算機鍵盤縫隙等情況）。對于有金屬外殼或對外接口的大部分產品或設備，目前這兩種試驗方法通常都被用戶要求進行。兩種試驗方法的電壓等級分別如下表1所示。
2.2 試驗配置
整個試驗配置由試驗發生器、受試設備和所需的輔助儀器組成。受試設備應根據制造廠家的安裝說明書（如果有的話）進行布置。設備的靜電抗擾度試驗通常在實驗室進行，設備安裝后的試驗只供有選擇地進行，不強制實施，只在經制造商和用戶雙方協商同意時才進行。
2.2.1 試驗發生器
“試驗發生器”又稱“靜電放電發生器”。原理簡圖如圖1。
靜電放電發生器應滿足以下規格要求：
（1）接觸放電輸出電壓 至少1kV~8kV(標稱值)
（2）空氣放電輸出電壓 至少1kV~15kV(標稱值)
（3）輸出電壓允許偏差 ±5%
（4）保持時間 至少5s (放電前，由于電荷泄露使試驗電壓下降不超過10%的維持時間)
（5）輸出電壓極性 正極性和負極性（可切換）
（6）放電操作方式 單次放電（連續放電之間的間隔時間不少于1s）
儲能電容器、放電電阻以及放電開關應盡可能靠近放電電極/放電頭（discharge tip）。靜電放電發生器應具備至少20次/s的重復頻率產生放電的能力并要求滿足表2（以接觸放電方式驗證）的放電特征參數，其放電電流波形見圖2。
另外，接觸放電和空氣放電使用的放電電極頭有所不同，尺寸規定如圖3。
靜電放電發生器的電極頭在進行放電試驗時通常應垂直于受試設備的表面。
靜電放電發生器（如圖4），又稱靜電放電模擬器、靜電放電模擬發生器、靜電放電測試儀器、靜電放電抗擾度測試儀器。
靜電放電發生器在出廠前以及使用期間定期例行按上述要求進行校驗，以確保使用其進行的測試結果具有可重復性、可對比性。IEC61000-4-2標準給出了利用具有標準電阻負載的“法拉第籠子”（如圖5）進行測試校驗的方法。
2.2.2 實驗室內設備測試布置要求
測試實驗室的地面應設置接地參考平面，它是一種最小厚度為0.25mm的銅或鋁的金屬薄板，其它金屬材料雖可使用但厚度應不小于0.65mm。接地參考平面的最小尺寸為 1?2 ，實際的尺寸取決于受試設備的尺寸，而且每邊至少應伸出受試設備或水平耦合板之外0.5m，并將它與保護接地系統相連。
受試設備與實驗室墻壁和其他金屬性結構之間的距離最小1m。受試設備應遵守安全規范并按其使用要求布置和連線。按照受試設備的安裝技術條件，應該將它與接地系統連接。不允許有其他附加的接地線。電源與信號電纜的布置應能反映實際安裝條件。
靜電放電發生器的放電回路電纜應與接地參考平面連接，該電纜的總長度一般為2m。如果這個長度超過所選放電點需要的長度，如可能將多余的長度以無感方式離開接地參考平面放置，且與試驗配置的其他導電部分保持不小于0.2m的距離。
與接地參考平面連接的接地線和所有連接點均應是低阻抗的，例如在高頻場合下采用夾具等。
規定有耦合板的地方，例如允許采用間接放電的地方，這些耦合板采用和接地參考平面相同的金屬和厚度，而且應經過兩端各帶有一個470kΩ電阻的電纜與接地參考平面連接，當電纜置于接地參考平面上時，這些電阻器應能耐受住放電電壓且具有良好的絕緣，以避免對接地參考平面的短路。
不同類型設備在實驗室內進行ESD放電試驗時布置要求及實例如下。
（1）臺式設備（Table-top equipment）
臺式受試設備放置在接地參考平面上0.8m高的木桌上，桌上的水平耦合板（HCP）面積為1.6m x 0.8m。受試設備和連接線纜應當用0.5mm厚的絕緣襯墊與水平耦合板隔開。
如果受試設備過大而不能保持與水平耦合板各邊的最小距離為0.1m，則應使用另一塊相同的水平耦合板，并與第一塊短邊側距離0.3m。但此時必須將桌子擴大或使用二個桌子，這些水平耦合板不必焊在一起，而應經過另一根帶電阻電纜接到接地參考平面上。所有受試設備的安裝腳架應保持原位。
（2）落地式設備（Floor-standing equipment）
落地式受試設備應當用0.05~0.15m厚的絕緣臺架與接地參考平面隔開。受試設備的線纜也應當用0.5mm厚的絕緣襯墊與接地參考平面隔開。所有受試設備的安裝腳架應保持原位。
（3）不接地設備（Ungraounded equipment）
對于不與任何接地系統連接的設備或設備部件，包括便攜式、內置或外部電池供電（不帶或帶充電器但沒有接地的電源線）和雙重絕緣設備(II類設備)不能像I類供電設備那樣自行放電。若在下一個靜電放電脈沖施加前電荷未消除，受試設備或受試設備的部件上的電荷累積可能使電壓高達預期試驗電壓的兩倍。如此，這類雙重絕緣設備的絕緣體電容經受多次靜電放電累積電荷后可能超過絕緣擊穿電壓，從而瞬間以很高能量放電。
試驗布置（對于臺式設備或落地式設備）應分別與上述（1）（2）的描述基本相同。為模擬單次靜電放電(空氣放電或者接觸放電）或新的一次靜電放電測試，在施加靜電放電脈沖之前應消除受試設備上以及已施加過靜電放電脈沖的金屬點或部位上的電荷，如連接器外殼、電池充電插腳、金屬天線。
消除施加靜電放電點的電荷應使用類似水平耦合板和垂直耦合板用兩端帶有470kΩ泄放電阻的電纜。
因受試設備和水平耦合板(臺式)之間以及受試設備和接地參考平面(落地式)之間的電容取決于受試設備的尺寸，靜電放電試驗時，如果功能允許，應安裝帶泄放電阻的電纜。放電電纜的一個電阻應盡可能靠近受試設備的試驗點，最好小于20mm，第二個電阻應靠近電纜的末端。對于臺式設備電纜連接于水平耦合板上(見圖8)，對于臺式設備電纜連接于接地參考平面上（見圖 9)。
帶泄放電阻電纜的存在可能會影響某些設備的試驗結果。有爭議時，若在連續放電之間累積的電荷能有效地衰減，施加靜電放電脈沖時斷開泄放電纜的試驗優先于連接上泄放電纜的試驗。
以下選擇可作為替代方法：
— 連續放電試驗的時間間隔應長于受試設備的電荷自然衰減所需的時間；
一 使用炭纖維刷清掃，炭纖維刷連接到兩端帶470 kΩ泄放電阻的接地電纜；
注：在電荷衰減有爭議時，可用非接觸式電場測試儀監測受試設備上的電荷。當放電衰減至低于初始值的10%后，受試設備被認為已充分放電。2008年發布的標準中刪除了使用離子風機消除累積電荷的方式。
1） 臺式設備
對于臺式設備，如圖8 所述，受試設備放于絕緣村墊(厚0.5mm）上，絕緣襯墊位于水平耦合板上。對受試設備上可觸及的金屬部分施加靜電放電，其金屬部分和水平耦合板之間應使用帶泄放電阻的電纜連接。
2） 落地式設備
對于與接地參考平面無任何金屬連接的落地式設備，安裝應類似于圖9。 對受試設備上可觸及的金屬部分施加靜電放電，其金屬部分和接地參考平面(GRP)之間應使用帶泄放電阻的電纜連接。
2.2.3 現場安裝后設備測試布置要求
要求進行安裝后鑒定試驗時必須考慮相鄰的設備可能受到不利的影響。 設備和系統應在其最終安裝完畢條件下進行試驗。但是經受現場ESD試驗的設備可能導致其內部電路或元器件的性能顯著下降，從而大大降低了它的MTTF時間，這或許不是一個明智的試驗要求。
為了便于放電回路電纜的連接，應將接地參考平面鋪設在地面上并保持與受試設備約0.1m 的距離，該接地平面應當用厚度不小于0.25mm的銅或鋁板，或使用最小厚度為0.65mm的其它金屬材料，條件允許時接地參考平面應是寬約0.3m和長約2m。 應將這個接地參考平面連接到保護接地系統上，或連接到受試設備的接地端上。
靜電放電發生器的放電回路電纜應連接到靠近受試設備的接地參考平面的某個點上。當受試設備安裝在金屬臺面上時,應將臺面通過每端接有470kΩ的電纜連接到參考平面上，以防止電荷的累積。 圖10提供了安裝后試驗配置的實例。
2.3 試驗過程
2.3.1 實驗室環境條件
實驗室的環境參數應對試驗結果的影響降至最低。試驗和校驗應在規定的電磁環境和氣候條件下進行。實驗室的電磁環境不應影響試驗結果。在空氣放電試驗的情記下，氣候條件應在下述范圍內：
一 環境溫度：15°C~35°
一 相對濕度：30%~60%
一 大氣壓力：86kPa~106kPa
如果設備工作于特殊的氣候條件，則按設備的規格要求設置環境條件。
2.3.2 EUT的運行
應對受試設備的試驗程序和軟件進行選擇，使EUT能在所有的工作模式下正常運行。也可以采用特殊的測試軟件并確保受試設備能被全面評估。對于符合性試驗，受試設備應在由初步試驗所確定的最敏感方式下連續運行（程序循環）。如果要求有監測設備，為減少出現故障誤指示的可能性，應對監測設備去耦。
2.3.3 試驗的實施
試驗應按照試驗計劃，采用對受試設備直接和間接的放電方式進行。試驗計劃包括
-- 受試設備的典型工作條件；
-- 受試設備是按臺式設備還是落地式設備進行試驗；
-- 確定施加放電點;
-- 在每個點上，是采用接觸放電還是空氣放電；
-- 所使用的試驗等級；
-- 符合性試驗中在每個點上施加的放電次數；
-- 是否還進行安裝后的試驗。
為了確定試驗計劃的上述內容，可能需要先期進行一些試探性試驗。
(1) 對EUT直接放電試驗
除非在通用標淮、產品標準或產品類標準中有其他規定，靜電放電只施加在正常使用時人員可接觸到的受試設備上的點和面。以下是例外的情況(亦即，放電不施加在下述點)：
a） 在維修時才接觸得到的點和表面。這種情況下，特定的靜電放電簡化方法應在相關文件中注明。
b） 最終用戶保養時接觸到的點和表面。這些極少接觸到的點，如換電池時接觸到的電池、錄音電話中的磁帶等。
c） 設備安裝固定后或按使用說明使用后不再能接觸到的點和面。例如，底部和/或設備的靠墻面或安裝端子后的地方。
d） 外殼為金屬的同軸連接器和多芯連接器可接觸到的點。該情況下，僅對連接器的外殼施加接觸放電。
非導電(例如，塑料)連接器內可接觸到的點，應只進行空氣放電試驗。試驗使用靜電放電發生器的圓形電極頭。
通常應考慮以下六種情況：
由于功能原因對靜電放電敏感并有靜電放電警告標簽的連接器或其他接觸部分可接觸到的點,如測量、接收或其他通訊功能的射頻輸入端。
基本原理：許多連接器端子用于處理模擬或數字的高頻信息，因而不能使用充分的過壓保護裝置。 過壓保護二極管的寄生電容妨礙受試設備工作頻段內的工作。對于模擬信號,帶通濾波器可能是解決方案。
在上述情況中，推薦的特定靜電放電簡化步藥應在相關文件中注明。 為了確定故障的臨界值，試驗電壓應從最小值到選定的試驗電壓值逐漸增加(見第2.1章節中的試驗等級)。最后的試驗值不應超過產品的規范值，以避免損壞設備。
試驗應以單次放電的方式進行。在預選點上，至少施加十次單次放電(以最敏感的極性)。
連續單次放電之間的時間間隔建議至少1s，但為了確定系統是否會發生故障，可能需要更長的時間間隔。
注：通過施加20 次/s或以上放電重復率來進行試探掃描選擇放電點（尋找較薄弱處）。
靜電電放電發生器應保持與實施放電的表面垂直，以改善試驗結果的可重復性。
在實施放電的時候，發生器的放電回路電纜與受試設備的距離至少應保持0.2m。
在接觸放電的情況下，放電電極的頂端應在操作放電開關之前就接觸受試設備。
對于表面涂漆的情況，應采用以下的操作程序：
如設備制造廠家末說明涂膜為絕緣層，則發生器的電極頭應穿入漆膜，以便與導電層接觸。
如廠家指明涂漆是絕緣層，則應只進行空氣放電，這類表面不應進行接觸放電試驗。
在空氣放電的情況下，放電電極的圓形放電頭應盡可能快地接近并觸及受試設備(不要造成機械損傷)。每次放電之后，應將靜電放電發生器的放電電極從受試設備移開，然后重新觸發發生器，進行新的單次放電，這個程序應當重復至放電完成為止。在空氣放電試驗的情況下，用作接觸放電的放電開關應當閉合。
(2) 對EUT間接放電試驗
對放置于或發裝在受試設備附近的物體的放電應用靜電放電發生器對耦合板接觸放電的方式進行模擬。
除了遵循上述（1）描述的測試過程之外，還需滿足 下述1）和2）中所提出的要求。
1） 在受試設備下面的水平耦合板
對水平耦合板放電應在水平方向對其邊緣施加。
在距受試設備每個單元(若適用)中心點前面的0.1m處水平耦合板邊緣，至少施加10次單次放電（以最敏感的極性）。放電時，放電電極的長軸應處在水平耦合板的平面，并與其前面的邊緣垂直。
放電電極應接觸水平耦合板的邊緣(見圖 6)。
另外，應考慮對受試設備的所有面都施加放電試驗。
2）垂直耦合板
對耦合板的一個垂直邊的中心至少施加十次的單次放電(以最敏感的極性)(圖6和圖7)，應將尺寸為0.5m x 0.5m 的耦合板平行于受試設備放置且與其保持0.1m的距離。
放電應施加在耦合板上，通過調整耦合板位置，使受試設備四面不同的位置都受到放電試驗。
2.4 試驗結果評價
試驗結果應依據受試設備在試驗中的功能喪失或性能降低現象進行分級（classified），相關的性能水平由設備的制造商或需求方確定，或由產品的制造商和購買方雙方協商一致。推薦按如下要求分級，作為評判依據：
a）在制造商、委托方或購買方規定的限值內性能正常；
b) 功能或性能暫時喪失或降低，但在騷擾停止后能自行恢復，不需要操作者干預；
c) 功能或性能暫時喪失或降低，但需操作者干預才能恢復；
d) 因設備硬件或軟件損壞，或數據丟失而造成不能恢復的功能喪失或性能降低。
制造商的技術規格可以具體說明對受試設備造成的某些影響是輕微的，因而是可以接受的。
這種分級(classification)可以作為負責相關產品通用標準、產品標準和產品類標準的技術委員會制定產品技術規格的指南。或在沒有合適的通用、產品或產品類標準時，可作為制造商和購買方協商產品性能規格的框架。
三、HBM 與IEC61000-4-2比較
盡管HBM模型和IEC61000-4-2標準所模擬的ESD來源都是外部帶靜電的人體或物體，但兩種標準面向的被放電的具體對象是不同的，并且他們的測試要求有幾個最重要的差別值得注意。
（１） 靜電放電的電流和泄放能量
兩種標準的一個關鍵差別就是靜電電壓放電的峰值電流。如下表列示，8KV HBM放電的峰值電流相較低于2KV IEC61000-4-2放電的峰值電流。而在8KV（系統級靜電放電的通常要求）靜電電壓水平下，IEC61000-4-2放電的峰值電流甚至比最高性能的半導體器件的設計閾值電流高22倍。
放電電流的大小對于集成電路芯片在ESD放電下是否遭受損傷至關重要，大的放電電流可能導致結失效以及金屬化走線燒融，對于標稱8KV HBM靜電防護等級的芯片有可能被2KV IEC標準放電損壞。因此，系統設計工程師不能根據HBM等級來確定產品發送到終端客戶后系統是否幸免于ESD放電。
（２） 靜電放電的上升時間
另一個不同之處就是靜電電壓放電的上升時間。HBM模型規定放電上升時間可以是25ns@500Ω負載。而IEC的放電脈沖上升時間少于1ns, 并在30ns內耗散了大部分能量。對于以HBM標準標定靜電防護等級的芯片而言，假如其內部保護電路的響應時間為25ns，器件可能在內部的保護電路起作用之前就被IEC模式的靜電放電損傷了。
（３） 測試過程靜電放電次數
再一個不同就是HBM和IEC標準對測試試驗的樣本數量和放電次數的規定。HBM標準要求采用3個待測芯片樣本，但每個芯片僅被進行一次正向和負向靜電脈沖放電測試。而IEC則要求對待測的整機系統在預選點上，至少施加十次單次放電(以最敏感的極性)。一個裝置有可能在遭到第一次放電沖擊后幸存下來，但在承受后續的多次放電后失效，這是由于在失效之前的幾次放電中受到損傷。在當今的應用環境中，系統在其生命周期內完全可能會受到多次外部靜電沖擊的影響，因此系統供應商采用比IEC 61000-4-2標準中規定的最少10次放電試驗更多的放電次數來測試他們的系統也是很常見的。
再次強調HBM（以及MM、CDM）是面向半導體器件的靜電放電測試模型，主要用于指導半導體的生產制造和加工，包括半導體的生產封測廠、以及使用成品芯片進行PCBA裝聯電路板和裝配調測生產廠內全過程中的ESD管控標準應遠低于所有被加工的元器件中最低ESD耐壓等級，即廠內所有靜電防護區域（EPA）的ESD電壓通常被要求低于100V、甚至更低。 而在進行產品設計選擇元器件時，應盡量選用ESD耐壓等級較高的元器件，以提高產品的可靠性。
IEC61000-4-2則是針對系統或設備的整機測試標準。用于衡量整機系統在現實環境中承受外部ESD直接或間接干擾的能力。
四、參考文獻
1) Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2: Testing and measurement techniques – Electrostatic discharge immunity test, International Standard. IEC61000-4-2, Edition 2. 2008-12
2) 電磁兼容 試驗和測量技術-靜電放電抗擾度試驗 中華人民共和國國家標準 GB/T 17626.2-2006/ IEC61000-4-2：2001，2006-12-19發布，2007-09-01實施
3）Human Body Model(HBM) vs. IEC IEC61000-4-2 White Paper，Jan. 2008 California Micro Devices
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