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Livelli ESD e modelli HBM/CDM

Comprendi livelli ESD HBM e CDM, forme d'onda, classi di sensibilità, limiti e conseguenze per la qualificazione dei componenti e la progettazione delle schede.

Livello: Avanzato
Tempo di lettura: 16 min
Norma o fonte principale: ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2024 e JS-002-2022
Ultima verifica: 13 settembre 2026
Strumento associato: Nessun calcolatore correlato

Redazione e revisione tecnica:Team di ingegneria ElectroDesignForge

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📖 In breve

I livelli HBM (Human Body Model, modello del corpo umano) e CDM (Charged Device Model, modello del dispositivo carico) indicano la capacità di un componente di sopportare due eventi standardizzati di scarica elettrostatica a livello di componente. HBM rappresenta una persona carica che tocca un pin; CDM un componente carico che tocca una superficie conduttiva. Le tensioni dei due modelli non sono intercambiabili e nessuno dei due risultati sostituisce le prove IEC 61000-4-2 a livello di sistema.

Perché l'ESD danneggia i componenti

Una scarica elettrostatica trasferisce molto rapidamente la carica accumulata in un circuito. Anche un evento impercettibile per una persona può superare la capacità di un ossido di gate, una giunzione, una sottile pista metallica o una rete di protezione d'ingresso, a causa della corrente e della rapidità con cui cresce.

Il danno può essere immediato, per esempio un cortocircuito, un'interruzione o una dispersione eccessiva, oppure latente: il componente supera ancora una prova funzionale, ma ha perso margine di affidabilità. Un valore HBM o CDM in una scheda tecnica è quindi una classificazione di sensibilità per una prova definita, non la promessa che il prodotto sopravviva a ogni scarica della stessa tensione.

Tieni distinti questi tre concetti:

Termine	Che cosa valuta	Da non confondere con
HBM / CDM	Robustezza ESD di un componente o circuito integrato	Immunità del prodotto assemblato
IEC 61000-4-2	Immunità ESD di un'apparecchiatura accessibile o di un sistema	Qualificazione HBM/CDM di un chip
EOS	Danno elettrico da sovratensione, sovracorrente o energia prolungata	Impulso ESD standardizzato

Superare una qualificazione HBM/CDM non elimina la necessità di progettare la protezione ESD della scheda e di effettuare le pertinenti prove di sistema.

I due eventi rappresentati

	HBM — modello del corpo umano	CDM — modello del dispositivo carico
Situazione fisica	Una persona carica tocca un pin o il contenitore.	Il dispositivo è carico e un suo pin tocca un conduttore a potenziale inferiore.
Energia principalmente immagazzinata	In un condensatore standardizzato da 100 pF.	Nella capacità del dispositivo, del contenitore e della piastra di campo.
Percorso di scarica	Resistenza serie di 1.5 kΩ.	Contatto a impedenza molto bassa.
Forma dell'impulso	Impulso smorzato, generalmente dell'ordine di 150 ns.	Impulso molto più rapido, dipendente dal contenitore, spesso sotto 2 ns.
Rischio principale	Energia e corrente immesse nei percorsi di protezione.	Elevatissima velocità di crescita della corrente, oscillazioni e distribuzione locale della corrente nel contenitore.
Norma congiunta attuale	ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2024.	ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2022.

Le prove sono complementari. Un componente può avere una buona classificazione HBM ed essere comunque sensibile al CDM, soprattutto in un contenitore piccolo con percorso di ritorno a bassa induttanza o durante la movimentazione automatizzata.

HBM: scarica di una persona carica

Un generatore HBM carica un condensatore da 100 pF e lo scarica nel dispositivo sotto prova attraverso una resistenza serie di 1.5 kΩ. Rappresenta il contatto della punta di un dito di una persona in piedi con una connessione conduttiva del componente.

Uno schema semplificato è:

sorgente ad alta tensione → C = 100 pF → interruttore → R = 1.5 kΩ → pin del DUT

In prima approssimazione, la corrente di picco è:

Ipeak ≈ VHBM / 1,500 Ω ≈ 0.67 A/kV

Per esempio, una sollecitazione di 2 kV produce una corrente di picco nominale vicina a 1.33 A, prima di considerare gli elementi parassiti del banco prova e la risposta del dispositivo. L'energia inizialmente immagazzinata nel condensatore è:

E = ½ × C × V²

A 2 kV e 100 pF corrisponde a 0.2 mJ. La sola energia non descrive il pericolo: sono decisivi la forma d'onda, il percorso di corrente e l'intervento della protezione.

Il fronte iniziale HBM tipico dura alcuni nanosecondi, seguito da un decadimento smorzato. La resistenza da 1.5 kΩ limita la corrente e rende HBM molto meno brusco di CDM.

Livelli di classificazione HBM

Le classi seguenti sono recenti classi di sensibilità HBM ESDA/JEDEC. Sono condizioni di prova per la classificazione, non tensioni di esercizio.

Classe HBM	Intervallo di tensione della classificazione
0Z	< 50 V
0A	Da 50 V a < 125 V
0B	Da 125 V a < 250 V
1A	Da 250 V a < 500 V
1B	Da 500 V a < 1,000 V
1C	Da 1,000 V a < 2,000 V
2	Da 2,000 V a < 4,000 V
3A	Da 4,000 V a < 8,000 V
3B	≥ 8,000 V

Il comune obiettivo HBM 1 kV è un obiettivo di progettazione o qualificazione, non un permesso di allentare le misure ESD in produzione. Una sensibilità minore o una diversa architettura di protezione può essere giustificata da vincoli di velocità, dispersione, capacità o tensione di alimentazione.

CDM: il dispositivo è la sorgente di carica

In un evento CDM, il dispositivo acquisisce carica elettrostatica, per esempio passando in un alimentatore automatico, nastro, vassoio o macchina, e un pin tocca improvvisamente un conduttore a potenziale inferiore. La carica presente sul dispositivo stesso si scarica allora attraverso quel pin.

Il metodo CDM standardizzato a induzione di campo posa il dispositivo su una piastra di campo, lo carica e poi scarica ciascun pin pertinente con polarità positiva e negativa. Geometria, dimensioni, contenuto metallico, altezza dei terminali e capacità parassita del contenitore modificano direttamente la forma d'onda della corrente: non esiste quindi un condensatore CDM universale analogo ai 100 pF dell'HBM.

Il contatto ha un'impedenza molto bassa. La corrente può raggiungere decine di ampere per un tempo brevissimo e l'intero evento può durare meno di 2 ns. Questa rapidità spiega perché induttanza del contenitore, percorsi di ritorno e geometria dei pin contano quanto il limitatore ESD stesso.

Livelli di classificazione CDM

Classe CDM	Condizione di prova della classificazione
C0a	< 125 V
C0b	Da 125 V a < 250 V
C1	Da 250 V a < 500 V
C2a	Da 500 V a < 750 V
C2b	Da 750 V a < 1,000 V
C3	≥ 1,000 V

La sola tensione CDM non determina corrente o energia immesse nel chip. Due contenitori dello stesso silicio possono produrre comportamenti CDM diversi. Un rapporto di prova utile indica quindi norma, revisione, contenitore, piano dei pin e polarità, invece di riportare soltanto «CDM 500 V».

Perché 1 kV HBM non equivale a 1 kV CDM

Le tensioni sono le tensioni iniziali di carica dei modelli, ma i circuiti equivalenti differiscono. Confrontare solo la tensione è un errore comune.

Domanda	HBM	CDM
Dove si trova la capacità?	Nel generatore, fissata a 100 pF.	Nel dispositivo e nel banco prova, quindi dipende dal contenitore.
Che cosa limita la corrente?	Principalmente la resistenza serie da 1.5 kΩ.	Principalmente induttanza e resistenza parassite del percorso di contatto.
Quanto è rapida la sollecitazione?	Salita di alcuni ns e decadimento dell'ordine di centinaia di ns.	È possibile un fronte inferiore al nanosecondo; l'evento dura circa ns.
A che cosa deve rispondere per prima la protezione?	Percorsi di conduzione ESD e capacità del limitatore di sopportare l'energia.	Distribuzione rapidissima della corrente nel contenitore e ingressi localmente esposti.

Un limitatore abbastanza robusto per l'energia HBM può essere troppo lento o troppo lontano per limitare una sovratensione CDM locale. Al contrario, rafforzare eccessivamente la protezione HBM può aggiungere capacità o dispersione e peggiorare una porta RF, ad alta velocità o di precisione. L'obiettivo ESD richiede quindi un compromesso fra processo, contenitore e sistema, da verificare con entrambi i metodi quando applicabili.

Leggere correttamente una scheda tecnica

Una voce come HBM ±2 kV, CDM ±500 V va letta con metodo:

Identifica norma e revisione: JS-001, JS-002, AEC-Q100 e un metodo interno non sono automaticamente equivalenti.
Verifica se il livello è un obiettivo, un minimo garantito, il massimo livello superato o un valore tipico.
Conferma il contenitore provato: il CDM ne dipende in modo particolare.
Leggi polarità, pin e criteri di guasto: non tutti i pin sono necessariamente equivalenti.
Per l'automotive, verifica i requisiti aggiuntivi AEC-Q100-002 (HBM) e AEC-Q100-011 (CDM), comprese sequenza e numero delle scariche.
Non estendere il risultato a un'interfaccia accessibile all'utente finché immunità di sistema, diodi esterni, messa a terra e cablaggio non sono stati convalidati.

Se un fornitore indica soltanto una tensione ESD, senza norma, contenitore o polarità, richiedi il relativo rapporto di qualificazione o la dichiarazione di conformità.

Conseguenze per la progettazione della scheda

HBM e CDM qualificano il chip; una scheda esposta tramite cavi, connettori, pulsanti o parti metalliche dell'involucro deve inoltre convogliare l'energia in un percorso esterno controllato.

Interfacce accessibili

Posiziona il TVS o la rete di protezione il più vicino possibile al connettore, per ridurre area e induttanza dell'anello di corrente.
Fornisci alla protezione un ritorno breve, largo e a bassa induttanza verso il telaio o il piano di riferimento appropriato.
Non far passare il transitorio attraverso aree sensibili, circuiti flessibili, masse rumorose o i diodi interni dell'IC.
Scegli il TVS in base a tensione di esercizio, tensione di limitazione, corrente impulsiva, capacità parassita e norma di sistema prevista; la sola dicitura «ESD rated» non basta.

Porte ad alta velocità, RF e analogiche

La capacità e la non linearità della protezione possono peggiorare integrità del segnale, rumore o calibrazione. Controlla banda, parametri S o capacità al punto di polarizzazione effettivo e ottimizza l'instradamento insieme al ritorno di massa. Un protettore esterno non corregge un anello di ritorno troppo lungo.

Produzione e movimentazione

I risultati HBM/CDM aiutano a definire un programma di controllo ESD: area protetta EPA, messa a terra, bracciali e calzature, ionizzazione quando un isolante non può essere messo a terra, imballaggi dissipativi o schermanti, controllo degli alimentatori automatici e formazione. ANSI/ESD S20.20 riguarda programmi di questo tipo per elementi sensibili all'ESD.

Errori comuni

Errore	Perché è rischioso	Prassi migliore
«8 kV HBM significa conformità a IEC 61000-4-2»	Modelli, correnti, reti e livelli di prova sono diversi.	Qualifica il prodotto secondo IEC 61000-4-2 se l'interfaccia è accessibile.
«Il TVS protegge automaticamente l'IC»	Posizione e ritorno possono comunque consentire una sovratensione locale.	Riduci l'anello connettore–TVS–riferimento.
«Basta il livello HBM»	Un chip può essere molto più sensibile al CDM.	Leggi e specifica sia HBM sia CDM.
«Più alto è sempre meglio»	La robustezza può penalizzare dispersione, capacità, area e prestazioni.	Definisci un obiettivo giustificato e una strategia di controllo ESD.
«Basta una busta antistatica»	Alcune buste dissipano la carica senza schermare un campo o una scarica esterna.	Usa un imballaggio adatto a sensibilità e rischio del trasporto.

Lista di controllo per la specifica ESD

Distingui i componenti interni dalle interfacce realmente accessibili all'utente.
Chiedi al fornitore i livelli HBM e CDM con norma, revisione, contenitore, polarità e definizione del superamento.
Stabilisci i requisiti HBM/CDM del componente secondo flusso produttivo, contenitore e applicazione.
Definisci separatamente i requisiti di immunità del sistema, come IEC 61000-4-2, per le interfacce esterne.
Dimensiona la rete esterna alla corrente reale: contano tensione di intervento, tensione di limitazione, capacità e induttanza del montaggio.
Simula o misura il percorso di ritorno e controlla la disposizione prima di aggiungere un protettore più grande.
Stabilisci controlli ESD per montaggio, prova, stoccaggio e trasporto.
Convalida il prodotto finito con metodi e livelli contrattuali, non soltanto con il dato ESD dell'IC in scheda tecnica.

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