产品整机ESD抗扰度试验标准IEC61000-4-2/GB-T 17626.2

一、概述

前文介绍了HBM、MM、CDM等面向半导体器件的ESD测试模型标准和敏感度分级，这些ESD模型标准用于评测半导体器件的ESD防护能力。产品设计工程师在进行方案的器件选型时应给予特别关注。同时也意味着，半导体器件在封装、测试、转运、焊接等生产制造的全部过程中都需要控制ESD环境（包括人体、设备、材料等）电压不超过器件的ESD耐受阈值。

不幸的是，这些标准经常被误解，有时会和面向“整机产品/设备”的ESD试验标准IEC61000-4-26（国标GB-T17626.2等同于此国际标准）混淆，甚至被互换使用。实际上，制定这两类不同的标准用于不同的目的。IEC 61000-4-2标准则是针对电子产品的整机系统级（装置、设备、系统、子系统）的ESD试验标准，以模拟评估电气电子产品在真实世界的ESD应力环境条件下对ESD的抗干扰（EMS）能力，它是评测电气电子产品电磁兼容性（EMC）的一个重要组成部分。

二、IEC61000-4-2介绍

2.1 标准适用范围

IEC61000-4-2由国际电工委员会（The International Electrotechnical Commission - IEC）制定，其标准文本的名称为：”Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4-2: Testing and measurement techniques - Electrostatic discharge imminity test“，即“电磁兼容性-第4-2部分：试验和测量技术-静电放电抗扰度试验“。

IEC61000-4-2的不同版本内容略有修改和差异，本文主要参考IEC61000-4-2 Edition 2.0 -2008.12 发布的版本进行说明。

该标准规定了电气电子设备（equipment）遭受来自操作人员或物体直接接触产生放电（直接放电）时、以及人或物体对关键设备的邻近物体放电（间接放电）时的抗扰度要求和试验方法，还包括了不同环境和安装条件下试验等级的范围和试验程序。 该标准的通用性和可重现性（reproducible）使人们可以量化评估电气电子设备、即受试设备（EUT - equipment under test）在遭受静电放电时的抗干扰性能。

该试验标准中有几个关于放电方式的重要术语：

（1）    直接放电    direct application

-- 直接对受试设备实施放电，即通过传导直接耦合方式实施干扰。

（2）    间接放电  indirect application

-- 对受试设备附近的耦合板实施放电，以模拟人体对受试设备附近的物体的放电，即透过空间辐射耦合方式实施干扰。耦合板（coupling plane）就是一块金属板。HCP：水平耦合板；VCP：垂直耦合板。

       （3）  接触放电方法   contact discharge method

                   -- 试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。 属于直接放电方式。

     （4）  空气放电方法  air discharge method

           -- 将试验发生器的充电电极靠近受试设备并产生电火花对受试设备激励放电的一种试验方法。属于间接放电方式。

标准规定：接触放电是优先选择的试验方法，空气放电则用于不能使用接触放电的场合（如表面涂有绝缘层、计算机键盘缝隙等情况）。对于有金属外壳或对外接口的大部分产品或设备，目前这两种试验方法通常都被用户要求进行。两种试验方法的电压等级分别如下表1所示。

                                    表1 试验等级

2.2 试验配置

整个试验配置由试验发生器、受试设备和所需的辅助仪器组成。受试设备应根据制造厂家的安装说明书（如果有的话）进行布置。设备的静电抗扰度试验通常在实验室进行，设备安装后的试验只供有选择地进行，不强制实施，只在经制造商和用户双方协商同意时才进行。

2.2.1 试验发生器

“试验发生器”又称“静电放电发生器”。原理简图如图1。

                                   图1 试验发生器（静电放电发生器）原理图

静电放电发生器应满足以下规格要求：

（1）接触放电输出电压  至少1kV~8kV(标称值)

（2）空气放电输出电压     至少1kV~15kV(标称值)

（3）输出电压允许偏差   ±5%

（4）保持时间     至少5s (放电前，由于电荷泄露使试验电压下降不超过10%的维持时间)

（5）输出电压极性            正极性和负极性（可切换）

（6）放电操作方式            单次放电（连续放电之间的间隔时间不少于1s）

储能电容器、放电电阻以及放电开关应尽可能靠近放电电极/放电头（discharge tip）。静电放电发生器应具备至少20次/s的重复频率产生放电的能力并要求满足表2（以接触放电方式验证）的放电特征参数，其放电电流波形见图2。

                               表2 接触放电电流波形参数

        图2 理想的接触放电电流波形@4kV放电电压

另外，接触放电和空气放电使用的放电电极头有所不同，尺寸规定如图3。

                          图3 放电电极尺寸

 

静电放电发生器的电极头在进行放电试验时通常应垂直于受试设备的表面。

静电放电发生器（如图4），又称静电放电模拟器、静电放电模拟发生器、静电放电测试仪器、静电放电抗扰度测试仪器。

                            图4 静电放电发生器

静电放电发生器在出厂前以及使用期间定期例行按上述要求进行校验，以确保使用其进行的测试结果具有可重复性、可对比性。IEC61000-4-2标准给出了利用具有标准电阻负载的“法拉第笼子”（如图5）进行测试校验的方法。

                         图5 验证静电放电发生器特性的布置实例

2.2.2 实验室内设备测试布置要求

测试实验室的地面应设置接地参考平面，它是一种最小厚度为0.25mm的铜或铝的金属薄板，其它金属材料虽可使用但厚度应不小于0.65mm。接地参考平面的最小尺寸为1m²，实际的尺寸取决于受试设备的尺寸，而且每边至少应伸出受试设备或水平耦合板之外0.5m，并将它与保护接地系统相连。

受试设备与实验室墙壁和其他金属性结构之间的距离最小1m。受试设备应遵守安全规范并按其使用要求布置和连线。按照受试设备的安装技术条件，应该将它与接地系统连接。不允许有其他附加的接地线。电源与信号电缆的布置应能反映实际安装条件。

静电放电发生器的放电回路电缆应与接地参考平面连接，该电缆的总长度一般为2m。如果这个长度超过所选放电点需要的长度，如可能将多余的长度以无感方式离开接地参考平面放置，且与试验配置的其他导电部分保持不小于0.2m的距离。

与接地参考平面连接的接地线和所有连接点均应是低阻抗的，例如在高频场合下采用夹具等。

规定有耦合板的地方，例如允许采用间接放电的地方，这些耦合板采用和接地参考平面相同的金属和厚度，而且应经过两端各带有一个470kΩ电阻的电缆与接地参考平面连接，当电缆置于接地参考平面上时，这些电阻器应能耐受住放电电压且具有良好的绝缘，以避免对接地参考平面的短路。

不同类型设备在实验室内进行ESD放电试验时布置要求及实例如下。

（1）台式设备（Table-top equipment）

                              图6 实验室试验时台式设备（计算机主机、显示器、键盘）的试验布置实例

台式受试设备放置在接地参考平面上0.8m高的木桌上，桌上的水平耦合板（HCP）面积为1.6m x 0.8m。受试设备和连接线缆应当用0.5mm厚的绝缘衬垫与水平耦合板隔开。

如果受试设备过大而不能保持与水平耦合板各边的最小距离为0.1m，则应使用另一块相同的水平耦合板，并与第一块短边侧距离0.3m。但此时必须将桌子扩大或使用二个桌子，这些水平耦合板不必焊在一起，而应经过另一根带电阻电缆接到接地参考平面上。所有受试设备的安装脚架应保持原位。

 

（2）落地式设备（Floor-standing equipment）

 

                                                  图7 实验室试验时落地式设备的试验布置实例

落地式受试设备应当用0.05~0.15m厚的绝缘台架与接地参考平面隔开。受试设备的线缆也应当用0.5mm厚的绝缘衬垫与接地参考平面隔开。所有受试设备的安装脚架应保持原位。

 

（3）不接地设备（Ungraounded equipment）

对于不与任何接地系统连接的设备或设备部件，包括便携式、内置或外部电池供电（不带或带充电器但没有接地的电源线）和双重绝缘设备(II类设备)不能像I类供电设备那样自行放电。若在下一个静电放电脉冲施加前电荷未消除，受试设备或受试设备的部件上的电荷累积可能使电压高达预期试验电压的两倍。如此，这类双重绝缘设备的绝缘体电容经受多次静电放电累积电荷后可能超过绝缘击穿电压，从而瞬间以很高能量放电。

试验布置（对于台式设备或落地式设备）应分别与上述（1）（2）的描述基本相同。为模拟单次静电放电(空气放电或者接触放电）或新的一次静电放电测试，在施加静电放电脉冲之前应消除受试设备上以及已施加过静电放电脉冲的金属点或部位上的电荷，如连接器外壳、电池充电插脚、金属天线。

消除施加静电放电点的电荷应使用类似水平耦合板和垂直耦合板用两端带有470kΩ泄放电阻的电缆。

因受试设备和水平耦合板(台式)之间以及受试设备和接地参考平面(落地式)之间的电容取决于受试设备的尺寸，静电放电试验时，如果功能允许，应安装带泄放电阻的电缆。放电电缆的一个电阻应尽可能靠近受试设备的试验点，最好小于20mm，第二个电阻应靠近电缆的末端。对于台式设备电缆连接于水平耦合板上(见图8)，对于台式设备电缆连接于接地参考平面上（见图 9)。

带泄放电阻电缆的存在可能会影响某些设备的试验结果。有争议时，若在连续放电之间累积的电荷能有效地衰减，施加静电放电脉冲时断开泄放电缆的试验优先于连接上泄放电缆的试验。

以下选择可作为替代方法：

—   连续放电试验的时间间隔应长于受试设备的电荷自然衰减所需的时间；

一 使用炭纤维刷清扫，炭纤维刷连接到两端带470 kΩ泄放电阻的接地电缆；

注：在电荷衰减有争议时，可用非接触式电场测试仪监测受试设备上的电荷。当放电衰减至低于初始值的10%后，受试设备被认为已充分放电。2008年发布的标准中删除了使用离子风机消除累积电荷的方式。

1） 台式设备

对于台式设备，如图8 所述，受试设备放于绝缘村垫(厚0.5mm）上，绝缘衬垫位于水平耦合板上。对受试设备上可触及的金属部分施加静电放电，其金属部分和水平耦合板之间应使用带泄放电阻的电缆连接。  

 

                                                                  图8 实验室试验时不接地台式设备的试验布置实例

 

2） 落地式设备

对于与接地参考平面无任何金属连接的落地式设备，安装应类似于图9。 对受试设备上可触及的金属部分施加静电放电，其金属部分和接地参考平面(GRP)之间应使用带泄放电阻的电缆连接。

                                               图9 实验室试验时不接地落地式设备的试验布置实例

2.2.3 现场安装后设备测试布置要求

要求进行安装后鉴定试验时必须考虑相邻的设备可能受到不利的影响。 设备和系统应在其最终安装完毕条件下进行试验。但是经受现场ESD试验的设备可能导致其内部电路或元器件的性能显著下降，从而大大降低了它的MTTF时间，这或许不是一个明智的试验要求。

为了便于放电回路电缆的连接，应将接地参考平面铺设在地面上并保持与受试设备约0.1m 的距离，该接地平面应当用厚度不小于0.25mm的铜或铝板，或使用最小厚度为0.65mm的其它金属材料，条件允许时接地参考平面应是宽约0.3m和长约2m。 应将这个接地参考平面连接到保护接地系统上，或连接到受试设备的接地端上。

静电放电发生器的放电回路电缆应连接到靠近受试设备的接地参考平面的某个点上。当受试设备安装在金属台面上时,应将台面通过每端接有470kΩ的电缆连接到参考平面上，以防止电荷的累积。 图10提供了安装后试验配置的实例。

 

                                      图10 安装后的落地式设备的试验布置实例

2.3 试验过程

2.3.1 实验室环境条件

实验室的环境参数应对试验结果的影响降至最低。试验和校验应在规定的电磁环境和气候条件下进行。实验室的电磁环境不应影响试验结果。在空气放电试验的情记下，气候条件应在下述范围内：

一 环境温度：15°C~35°

一 相对湿度：30%~60%

一 大气压力：86kPa~106kPa

如果设备工作于特殊的气候条件，则按设备的规格要求设置环境条件。

2.3.2 EUT的运行

应对受试设备的试验程序和软件进行选择，使EUT能在所有的工作模式下正常运行。也可以采用特殊的测试软件并确保受试设备能被全面评估。对于符合性试验，受试设备应在由初步试验所确定的最敏感方式下连续运行（程序循环）。如果要求有监测设备，为减少出现故障误指示的可能性，应对监测设备去耦。

2.3.3 试验的实施

试验应按照试验计划，采用对受试设备直接和间接的放电方式进行。试验计划包括

-- 受试设备的典型工作条件；

-- 受试设备是按台式设备还是落地式设备进行试验；

-- 确定施加放电点;

-- 在每个点上，是采用接触放电还是空气放电；

-- 所使用的试验等级；

-- 符合性试验中在每个点上施加的放电次数；

-- 是否还进行安装后的试验。

为了确定试验计划的上述内容，可能需要先期进行一些试探性试验。

 

(1)   对EUT直接放电试验

除非在通用标淮、产品标准或产品类标准中有其他规定，静电放电只施加在正常使用时人员可接触到的受试设备上的点和面。以下是例外的情况(亦即，放电不施加在下述点)：

a）   在维修时才接触得到的点和表面。这种情况下，特定的静电放电简化方法应在相关文件中注明。

b）  最终用户保养时接触到的点和表面。这些极少接触到的点，如换电池时接触到的电池、录音电话中的磁带等。

c）   设备安装固定后或按使用说明使用后不再能接触到的点和面。例如，底部和/或设备的靠墙面或安装端子后的地方。

d）  外壳为金属的同轴连接器和多芯连接器可接触到的点。该情况下，仅对连接器的外壳施加接触放电。

非导电(例如，塑料)连接器内可接触到的点，应只进行空气放电试验。试验使用静电放电发生器的圆形电极头。

通常应考虑以下六种情况：

                               表4 – 对连接器进行ESD放电试验的情况

由于功能原因对静电放电敏感并有静电放电警告标签的连接器或其他接触部分可接触到的点,如测量、接收或其他通讯功能的射频输入端。

 基本原理：许多连接器端子用于处理模拟或数字的高频信息，因而不能使用充分的过压保护装置。 过压保护二极管的寄生电容妨碍受试设备工作频段内的工作。对于模拟信号,带通滤波器可能是解决方案。

在上述情况中，推荐的特定静电放电简化步骤应在相关文件中注明。 为了确定故障的临界值，试验电压应从最小值到选定的试验电压值逐渐增加(见第2.1章节中的试验等级)。最后的试验值不应超过产品的规范值，以避免损坏设备。

试验应以单次放电的方式进行。在预选点上，至少施加十次单次放电(以最敏感的极性)。

连续单次放电之间的时间间隔建议至少1s，但为了确定系统是否会发生故障，可能需要更长的时间间隔。

 注：通过施加20 次/s或以上放电重复率来进行试探扫描选择放电点（寻找较薄弱处）。

静电电放电发生器应保持与实施放电的表面垂直，以改善试验结果的可重复性。

在实施放电的时候，发生器的放电回路电缆与受试设备的距离至少应保持0.2m。

在接触放电的情况下，放电电极的顶端应在操作放电开关之前就接触受试设备。

对于表面涂漆的情况，应采用以下的操作程序：

如设备制造厂家末说明涂膜为绝缘层，则发生器的电极头应穿入漆膜，以便与导电层接触。

如厂家指明涂漆是绝缘层，则应只进行空气放电，这类表面不应进行接触放电试验。

在空气放电的情况下，放电电极的圆形放电头应尽可能快地接近并触及受试设备(不要造成机械损伤)。每次放电之后，应将静电放电发生器的放电电极从受试设备移开，然后重新触发发生器，进行新的单次放电，这个程序应当重复至放电完成为止。在空气放电试验的情况下，用作接触放电的放电开关应当闭合。

 

(2)  对EUT间接放电试验

对放置于或发装在受试设备附近的物体的放电应用静电放电发生器对耦合板接触放电的方式进行模拟。

除了遵循上述（1）描述的测试过程之外，还需满足 下述1）和2）中所提出的要求。

1） 在受试设备下面的水平耦合板

对水平耦合板放电应在水平方向对其边缘施加。

在距受试设备每个单元(若适用)中心点前面的0.1m处水平耦合板边缘，至少施加10次单次放电（以最敏感的极性）。放电时，放电电极的长轴应处在水平耦合板的平面，并与其前面的边缘垂直。

放电电极应接触水平耦合板的边缘(见图 6)。

另外，应考虑对受试设备的所有面都施加放电试验。

2）垂直耦合板

对耦合板的一个垂直边的中心至少施加十次的单次放电(以最敏感的极性)(图6和图7)，应将尺寸为0.5m x 0.5m 的耦合板平行于受试设备放置且与其保持0.1m的距离。

放电应施加在耦合板上，通过调整耦合板位置，使受试设备四面不同的位置都受到放电试验。

2.4 试验结果评价

试验结果应依据受试设备在试验中的功能丧失或性能降低现象进行分级（classified），相关的性能水平由设备的制造商或需求方确定，或由产品的制造商和购买方双方协商一致。推荐按如下要求分级，作为评判依据：

a）在制造商、委托方或购买方规定的限值内性能正常；

b) 功能或性能暂时丧失或降低，但在骚扰停止后能自行恢复，不需要操作者干预；

c) 功能或性能暂时丧失或降低，但需操作者干预才能恢复；

d) 因设备硬件或软件损坏，或数据丟失而造成不能恢复的功能丧失或性能降低。

 

制造商的技术规格可以具体说明对受试设备造成的某些影响是轻微的，因而是可以接受的。

这种分级(classification)可以作为负责相关产品通用标准、产品标准和产品类标准的技术委员会制定产品技术规格的指南。或在没有合适的通用、产品或产品类标准时，可作为制造商和购买方协商产品性能规格的框架。

三、HBM 与IEC61000-4-2比较

尽管HBM模型和IEC61000-4-2标准所模拟的ESD来源都是外部带静电的人体或物体，但两种标准面向的被放电的具体对象是不同的，并且他们的测试要求有几个最重要的差别值得注意。

（１）  静电放电的电流和泄放能量

两种标准的一个关键差别就是静电电压放电的峰值电流。如下表列示，8KV HBM放电的峰值电流相较低于2KV IEC61000-4-2放电的峰值电流。而在8KV（系统级静电放电的通常要求）静电电压水平下，IEC61000-4-2放电的峰值电流甚至比最高性能的半导体器件的设计阈值电流高22倍。

    放电电流的大小对于集成电路芯片在ESD放电下是否遭受损伤至关重要，大的放电电流可能导致结失效以及金属化走线烧融，对于标称8KV HBM静电防护等级的芯片有可能被2KV  IEC标准放电损坏。因此，系统设计工程师不能根据HBM等级来确定产品发送到终端客户后系统是否幸免于ESD放电。

（２）  静电放电的上升时间

另一个不同之处就是静电电压放电的上升时间。HBM模型规定放电上升时间可以是25ns@500Ω负载。而IEC的放电脉冲上升时间少于1ns, 并在30ns内耗散了大部分能量。对于以HBM标准标定静电防护等级的芯片而言，假如其内部保护电路的响应时间为25ns，器件可能在内部的保护电路起作用之前就被IEC模式的静电放电损伤了。

 

（３）  测试过程静电放电次数

再一个不同就是HBM和IEC标准对测试试验的样本数量和放电次数的规定。HBM标准要求采用3个待测芯片样本，但每个芯片仅被进行一次正向和负向静电脉冲放电测试。而IEC则要求对待测的整机系统在预选点上，至少施加十次单次放电(以最敏感的极性)。一个装置有可能在遭到第一次放电冲击后幸存下来，但在承受后续的多次放电后失效，这是由于在失效之前的几次放电中受到损伤。在当今的应用环境中，系统在其生命周期内完全可能会受到多次外部静电冲击的影响，因此系统供应商采用比IEC 61000-4-2标准中规定的最少10次放电试验更多的放电次数来测试他们的系统也是很常见的。 

再次强调HBM（以及MM、CDM）是面向半导体器件的静电放电测试模型，主要用于指导半导体的生产制造和加工，包括半导体的生产封测厂、以及使用成品芯片进行PCBA装联电路板和装配调测生产厂内全过程中的ESD管控标准应远低于所有被加工的元器件中最低ESD耐压等级，即厂内所有静电防护区域（EPA）的ESD电压通常被要求低于100V、甚至更低。 而在进行产品设计选择元器件时，应尽量选用ESD耐压等级较高的元器件，以提高产品的可靠性。

IEC61000-4-2则是针对系统或设备的整机测试标准。用于衡量整机系统在现实环境中承受外部ESD直接或间接干扰的能力。 

四、参考文献

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) 电磁兼容 试验和测量技术-静电放电抗扰度试验  中华人民共和国国家标准 GB/T 17626.2-2006/ IEC61000-4-2：2001，2006-12-19发布，2007-09-01实施

3）Human Body Model(HBM) vs. IEC IEC61000-4-2  White Paper，Jan. 2008 California Micro Devices