規格・安全電子部品

ESDレベルとHBM・CDMモデル

HBMとCDMのESDレベル、波形、感度クラス、限界を理解し、部品認定と基板設計への影響を確認します。

難易度: 上級者向け
読了時間: 16分
主な規格・出典: ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2024およびJS-002-2022
最終確認日: 2026年9月13日
関連ツール: 関連する計算器なし

執筆・技術レビューElectroDesignForge Engineering Team

📖 概要

HBM（人体モデル）とCDM（帯電デバイスモデル）のレベルは、標準化された二種類のデバイス単体の静電気放電に対する部品の耐性を表します。HBMは帯電した人がピンに触れる状況、CDMは帯電した部品が導電性の表面に触れる状況を表します。両者の電圧を同等に扱うことはできず、どちらもIEC 61000-4-2のシステムレベルの試験に代わるものではありません。

ESDが部品を損傷する理由

静電気放電は蓄積した電荷を極めて短時間で回路へ移します。人が感じないほどの放電でも、その電流と電流の立ち上がり速度によって、ゲート酸化膜、接合部、細い金属配線、入力保護回路の許容範囲を超える場合があります。

損傷は短絡、断線、漏れ電流の増加として直ちに現れることもあれば、潜在的なものもあります。部品が機能試験に合格しても、信頼性の余裕を失っている場合です。したがってデータシートのHBM値やCDM値は、定義された試験条件に対する感受性区分であり、同じ電圧のあらゆる放電に製品が耐える保証ではありません。

次の三つを区別してください：

用語	評価対象	混同してはいけないもの
HBM / CDM	部品または集積回路のESD耐性	組立済み製品のイミュニティ
IEC 61000-4-2	使用者が触れ得る機器やシステムのESDイミュニティ	チップのHBM/CDM認定
EOS	過電圧、過電流、持続的なエネルギーによる電気的損傷	標準化されたESDパルス

HBM/CDM認定に合格しても、基板レベルのESD設計と該当するシステム試験は必要です。

モデル化される二種類の放電

	HBM — 人体モデル	CDM — 帯電デバイスモデル
物理的な状況	帯電した人がピンまたはパッケージに触れる。	デバイスが帯電し、その一つのピンがより低い電位の導体に触れる。
主な蓄積エネルギー	標準化された100 pFのコンデンサ。	デバイス、パッケージ、フィールドプレートの静電容量。
放電経路	1.5 kΩの直列抵抗。	極めて低いインピーダンスの接触。
波形の特徴	減衰するパルスで、一般に約150 nsの時間幅。	パッケージに依存するはるかに速いパルスで、2 ns未満となることも多い。
主なリスク	保護経路へ注入されるエネルギーと電流。	非常に速い電流の立ち上がり、リンギング、パッケージ内の局所的な電流分布。
現行の共同規格	ANSI/ESDA/JEDEC JS-001-2024。	ANSI/ESDA/JEDEC JS-002-2022。

二つの試験は補完関係にあります。HBM定格が高い部品でもCDMには敏感な場合があります。特にインダクタンスの低いリターンパスを持つ小型パッケージや自動搬送中には注意が必要です。

HBM：帯電した人からの放電

HBM発生器は100 pFのコンデンサを充電し、1.5 kΩの直列抵抗を通して被試験デバイスへ放電します。立っている人の指先がデバイスの導電性端子に触れる状況を表します。

簡略化した回路は次のとおりです：

高電圧源 → C = 100 pF → スイッチ → R = 1.5 kΩ → DUTのピン

最初の近似では、ピーク電流は次のとおりです：

Ipeak ≈ VHBM / 1,500 Ω ≈ 0.67 A/kV

例えば2 kVのストレスでは、治具の寄生成分とデバイスの応答を考慮する前の公称ピーク電流は約1.33 Aです。コンデンサに最初に蓄積されるエネルギーは次式で表されます：

E = ½ × C × V²

2 kV、100 pFでは0.2 mJです。ただし、危険性はエネルギーだけでは分かりません。波形、電流経路、保護回路の動作開始が決定的です。

HBMの立ち上がりは通常数ナノ秒で、その後に減衰します。1.5 kΩの抵抗が電流を制限するため、HBMはCDMより急激さが大幅に小さくなります。

HBMの感受性区分

次のクラスは、近年のESDA/JEDECによるHBM感受性区分です。分類試験の条件であり、動作電圧ではありません。

HBMクラス	分類電圧範囲
0Z	< 50 V
0A	50 V～< 125 V
0B	125 V～< 250 V
1A	250 V～< 500 V
1B	500 V～< 1,000 V
1C	1,000 V～< 2,000 V
2	2,000 V～< 4,000 V
3A	4,000 V～< 8,000 V
3B	≥ 8,000 V

よく引用される1 kV HBMは設計または認定の目標値であり、製造現場のESD対策を緩めてよいという意味ではありません。速度、漏れ電流、静電容量、電源電圧などの制約によって、別の感受性区分や保護構造を選ぶ場合があります。

CDM：デバイス自身が電荷源

CDMでは、部品がフィーダー、テープ、トレー、自動機の中を移動するなどして帯電し、ピンがより低い電位の導体に突然接触します。このときデバイス自身の電荷がそのピンを通して放出されます。

標準化された電界誘導CDM法では、デバイスをフィールドプレートに置いて帯電させ、関係する各ピンを正負両極性で放電させます。パッケージの形状、サイズ、金属量、リード高さ、寄生容量は電流波形を直接変えます。そのため、HBMの100 pFに相当する一律のCDM用コンデンサはありません。

接触部のインピーダンスは非常に低く、電流は極短時間で数十アンペアに達する場合があり、放電全体が2 ns未満で終わることもあります。この速さのため、ESDクランプ自体と同じくらい、パッケージのインダクタンス、リターンパス、ピン形状が重要です。

CDMの感受性区分

CDMクラス	分類試験の条件
C0a	< 125 V
C0b	125 V～< 250 V
C1	250 V～< 500 V
C2a	500 V～< 750 V
C2b	750 V～< 1,000 V
C3	≥ 1,000 V

CDMの電圧だけでは、チップに流れ込む電流やエネルギーは判断できません。同じ半導体でもパッケージが異なればCDMの挙動も変わります。有用な試験報告書には「CDM 500 V」だけでなく、規格、改訂版、パッケージ、ピンの試験計画、極性が記されています。

1 kVのHBMと1 kVのCDMが等しくない理由

電圧は各モデルの初期充電電圧ですが、等価回路は異なります。電圧だけを比較するのはよくある間違いです。

確認事項	HBM	CDM
静電容量はどこにあるか	発生器内で100 pFに固定。	デバイスと治具内にあり、パッケージによって変わる。
電流を制限するものは何か	主に1.5 kΩの直列抵抗。	主に接触経路の寄生インダクタンスと抵抗。
ストレスの速さはどれくらいか	立ち上がりは数nsで、数百ns程度かけて減衰する。	サブナノ秒のエッジがあり得て、放電時間はns程度。
保護回路がまず対処すべきものは何か	ESDの導通経路とクランプのエネルギー耐量。	パッケージ内での非常に速い電流分布と局所的に露出した入力。

HBMのエネルギーに十分耐えるクランプでも、局所的なCDMのオーバーシュートを抑えるには遅すぎたり、場所が遠すぎたりする場合があります。逆にHBM保護をむやみに強くすると、容量や漏れ電流が増え、RF、高速、高精度ポートの性能を損なう場合があります。したがってESD目標は、製造工程、パッケージ、システムの制約の中で決め、該当する場合は両方の方法で検証すべきです。

データシートの正しい読み方

HBM ±2 kV、CDM ±500 Vのような記載は、次の順に読みます：

規格と改訂版を特定します。JS-001、JS-002、AEC-Q100、社内試験法が自動的に同等になるわけではありません。
そのレベルが目標値、保証下限、合格した最高レベル、代表値のどれかを確認します。
試験されたパッケージを確認します。CDMは特にパッケージに依存します。
極性、ピン、故障判定基準を読みます。すべてのピンが同等とは限りません。
車載用途では、放電順序や回数を含め、追加のAEC-Q100-002（HBM）とAEC-Q100-011（CDM）の要件を確認します。
システムのイミュニティ、外付けダイオード、接地、ケーブル配線を検証するまでは、結果を使用者が触れるインターフェースへそのまま適用しないでください。

メーカーが規格、パッケージ、極性を示さずESD電圧だけを記載している場合は、関連する認定報告書または適合声明を求めてください。

基板設計への影響

HBMとCDMはチップを認定する試験です。ケーブル、コネクタ、ボタン、金属筐体を通して放電にさらされる基板では、エネルギーを外部の制御可能な経路へ逃がす設計も必要です。

外部から触れられるインターフェース

電流ループの面積とインダクタンスを最小にするため、TVSまたは保護回路をできるだけコネクタの近くに配置します。
保護回路から適切なシャーシまたは基準プレーンへ、短く、幅広く、低インダクタンスのリターン経路を設けます。
過渡電流を敏感な領域、フレックス配線、ノイズの多いグランド、ICの内部ダイオードに通さないでください。
動作電圧、クランプ電圧、パルス電流、寄生容量、対象となるシステム規格を基にTVSを選びます。条件のない「ESD対応」という表記だけでは不十分です。

高速、RF、アナログのポート

保護素子の容量や非線形性は、信号品質、雑音、校正を悪化させる場合があります。実際のバイアス点での帯域幅、Sパラメータ、容量を確認し、配線とグランドのリターン経路も最適化します。外付け保護素子を付けても長いリターンループは解消されません。

製造と取り扱い

HBM/CDMの結果は、ESD管理プログラムの設計に役立ちます。EPA、接地、リストストラップと履物、接地できない絶縁体に対するイオナイザー、帯電防止またはシールド包装、フィーダー管理、教育などが対象です。ANSI/ESD S20.20は、ESDに敏感な品物について、このようなプログラムを対象にしています。

よくある誤り

誤り	危険な理由	適切な方法
「8 kV HBMならIEC 61000-4-2に適合」	モデル、電流、回路、試験レベルが異なる。	触れられるインターフェースがある製品はIEC 61000-4-2で認定する。
「TVSがあればICは自動的に保護される」	配置とリターンパス次第では局所的なオーバーシュートが残る。	コネクタ–TVS–基準面のループを最小化する。
「HBMレベルだけで十分」	チップはCDMに対してはるかに敏感な場合がある。	HBMとCDMの両方を読み、指定する。
「高い値ほど常に良い」	耐性を上げると漏れ電流、容量、面積、性能とのトレードオフが生じ得る。	根拠のある目標値とESD管理方針を定める。
「帯電防止袋だけで十分」	電荷を逃がしても、電界や外部放電を遮蔽できない袋がある。	感受性と輸送時のリスクに合う包装を使う。

ESD仕様チェックリスト

内部部品と、使用者が実際に触れられるインターフェースを区別する。
規格、改訂版、パッケージ、極性、合格基準を併記したHBMとCDMのレベルをメーカーに求める。
製造工程、パッケージ、用途からデバイスレベルのHBM/CDM要件を定める。
外部インターフェースについてIEC 61000-4-2などのシステムイミュニティ要件を別に定める。
トリガー電圧、クランプ電圧、容量、実装インダクタンスに注意し、実際の電流に対して外付け保護回路を設計する。
大きな保護素子を加える前に、リターンパスをシミュレーションまたは測定し、配置を確認する。
組立、試験、保管、輸送についてESD管理を確立する。
ICのデータシートにあるESDの記載だけではなく、契約で定めた試験方法とレベルで完成品を検証する。

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