ESD 유형별 차이점,HBM,CDM,MM,HIM 비교, 특징 3가지

Contents

1. 왜 ESD 유형 분류가 중요할까요?
2. ESD의 주요 유형
3. 각 ESD 유형별 특징

1. 왜 ESD 유형 분류가 중요할까요?

제품을 설계하다 보면 “정전기 방전(ESD)”이라는 말을 참 많이 듣게 됩니다.
제품이 잘 작동하는 것 같다가도 고객이 손을 대는 순간 갑자기 오작동하거나, 생산라인에서 납땜까지는 멀쩡하던 칩이 최종 테스트에서 망가지는 일이 생깁니다.
그 원인을 따라가다 보면, 결국 정전기 방전(ESD)에 도달하게 됩니다.

그런데 여기서 한 가지 중요한 질문이 생깁니다.
“도대체 어떤 ESD를 기준으로 보호 회로를 짜야 할까?”
바로 이때 필요한 것이 ESD 유형별 분류, 그리고 그에 따른 ESD 유형별 차이점입니다.

왜 분류가 필요한까요?
정전기 방전(ESD)은 단순히 ‘한 번의 번쩍’으로 끝나는 문제가 아닙니다.
누가, 어떤 방식으로, 어떤 환경에서 방전을 일으켰는가에 따라 전류의 크기, 속도, 파괴력은 완전히 달라집니다.
실제로 정전기 방전은 크게 사람이 방전시키는 경우, 기계가 방전시키는 경우, 장치 자체가 충전된 경우 등으로 나뉘며, 이걸 기준으로 HBM, MM, CDM이라는 대표적인 모델이 생긴 겁니다.

예를 들어, 사람 손이 IC를 만졌을 때와 기계 암(robot arm)이 부품을 놓을 때, 방전되는 방식은 완전히 다릅니다.
그런데도 같은 ESD 대책으로 설계를 해버리면 어떻게 될까요?
어떤 상황에선 과잉 설계가 되고, 어떤 상황에선 보호 부족으로 고장이 발생합니다.

이처럼 ESD 유형별 차이점을 모른 채로 보호 소자를 넣는 건, 마치 모르는 처방전으로 약을 고르는 것과 같습니다.

설계, 테스트, 품질 관점에서 왜 중요할까요?

설계 단계
HBM 기준으로만 보호 소자를 넣으면, CDM처럼 순간적인 고속 방전에는 대응하지 못할 수 있습니다.
반대로 CDM만 기준으로 보면, HBM처럼 천천히 흐르는 방전엔 과잉 설계가 될 수도 있습니다.
특히 ESD 유형별 차이점에 따라 TVS 다이오드, 저전압 클램프, RC 필터 등의 선택이 달라집니다.
제품 시험 (Test)
국제 표준(예: IEC 61000-4-2)은 HBM보다 더 높은 전압을 요구합니다.
실험실에서 HBM만 테스트하고 “문제 없다”고 해도, 최종 사용 환경에서는 망가질 수 있습니다.
시험 기준이 ESD 유형별 차이점을 반영하지 못하면, 실제 신뢰성과는 무관한 시험이 되어버립니다.
현장 문제와 고객 클레임
많은 고객 클레임은 실제 사용 환경에서 발생하는 CDM 유형 ESD 때문입니다.
그런데 내부에서는 대부분 HBM 기반의 설계와 시험만 하기 때문에 문제를 재현하지 못합니다.
이럴 때마다 “왜 실험실에서는 괜찮은데 현장에선 죽지?”라는 말이 나오는 겁니.

실무에 어떤 의미가 있을까?

중요한 건 “내 제품이 어디에서 어떻게 쓰이느냐”입니다.
즉, 제품의 환경에 따라 ESD 유형별 차이점을 고려해야만 진짜 효과적인 보호가 가능합니다.

결국 ESD 유형별 차이점을 정확히 알고 있어야, 회로 설계할 때 과잉이든 부족이든 피할 수 있고, 제품 시험을 제대로 이해할 수 있으며, 현장에서 터지는 문제를 막을 수 있습니다.

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2. ESD의 주요 유형

정전기 방전(ESD)은 눈에 보이지도 않고, 손으로 잡히지도 않지만 반도체 회로를 한순간에 파괴할 만큼 강력합니다.
이 작은 방전이 왜, 어떻게 문제를 일으키는지를 제대로 이해하려면 ESD 유형별 차이점을 아는 것이 중요합니다.

2-1) HBM (Human Body Model)

ESD 유형별 차이점 중에서 정전기 방전(ESD) 중에서도 가장 대표적이고 자주 언급되는 모델이 바로 HBM(Human Body Model)입니다.
이름 그대로 사람이 IC(집적회로)를 만질 때 발생하는 정전기를 시뮬레이션한 모델로, 실생활에서 발생 가능성이 매우 높기 때문에 IC 제조사나 설계 엔지니어가 반드시 고려해야 할 항목입니다.

왜 HBM이 중요한까요?
작업자가 납땜이나 테스트를 위해 IC를 손으로 만졌을 때, 손끝에서 방전된 정전기가 회로를 타고 들어가면서 내부 다이오드가 파괴되거나 절연막이 뚫리는 일이 생깁니다.
이 현상이 바로 HBM의 본질입니다.

① HBM의 등가 회로 – 사람도 커패시터다?

HBM은 다음과 같은 등가 회로로 구성되어 있습니다.

인체내부에는 커패시터(콘덴서)가 존재하며 마찰에 의한 전하를 축척합니다.
이것이 IC 파괴원으로 작용하여 IC내부의 Diode성분파괴및 절연막 파괴합니다.

Cb (Body Capacitance, 인체의 커패시터 용량): 100~200pF
Rb (Body Resistance, 인체의 저항): 체내 저항 100~200Ω, 손끝의 접촉 저항은 보통 1kΩ~수십 kΩ

즉, 사람은 내부에 작은 콘덴서를 품고 있는 전기 저장체로 볼 수 있습니다.
마찰에 의해 이 콘덴서가 충전되었다가, IC의 핀에 접촉하는 순간 빠르게 방전되며 문제가 발생하는 것입니다.

② 인체에 저장되는 에너지는 얼마나 될까?

우리가 일상에서 느끼는 “찌릿”한 정전기. 과연 얼마나 강할까요?
겨울철, 건조한 환경에서 수삽(손납땜)을 하는 작업자가 4,000V로 대전된 상태에서 방전했다고 가정해 보겠습니다.
인체 등가 콘덴서가 200pF일 경우 저장 에너지는 다음과 같습니다.

E=1/2·CV²=1/2×200×10⁻¹²×(4000)²=1.6×10⁻³J=1.6mJ

실제 현장에선 2~3.6mJ 수준의 방전이 자주 측정되며, 이는 일반적인 IC의 파괴 한계를 훨씬 넘습니다.
어떤 경우엔 4μJ의 방전 에너지로도 이론상 약 900개의 민감한 IC를 파괴할 수 있다고도 알려져 있습니다.

③ HBM 파형 특성

HBM의 방전 파형은 다음과 같은 특징을 가집니다.
t2~t3까지의 시간을 Surge가 인가되는 시간이라고 하고, V_max의 전압이 ESD 전압입니다.

상승 시간 (Rise Time): 약 10ns
감쇠 시간 (Fall Time): 수백 ns
전류 파형: 지수 함수적 감소 (exponential decay)

HBM 파형은 비교적 느리게 방전되므로, 회로 보호 소자(예: 클램핑 다이오드)가 어느 정도 대응할 시간이 있습니다.
하지만 여전히 많은 에너지를 포함하고 있기 때문에 보호 회로가 부실하면 회로가 파괴됩니다

④ HBM의 실제 측정 방법(IC Maker에서의 시뮬레이션)

C 제조사는 HBM 정전기 내성을 다음과 같은 순서로 측정합니다.

테스트 대상 Pin과 GND를 위에 그림처럼 결선
S/W1 ON, S/W2 OFF 상태로 콘덴서(C)에 전압을 충전
S/W1 OFF, S/W2 ON 상태로 전류를 IC로 방전
200V부터 시작해 20V 간격으로 전압을 올리며 테스트
IC가 오동작하거나 완전히 고장나는 전압 = 해당 핀의 ESD 파괴 전압
모든 핀에 대해 동일한 방식으로 반복 측정

이런 방식으로 HBM 기준의 ESD 내성 등급을 얻어 데이터시트에 명기하게 됩니다

이처럼 HBM은 단순한 개념 같지만, 실제 설계나 제조, 테스트 단계에서 매우 중요한 기준이 됩니다.
특히 민감한 저전력 IC나 RF 회로에서는 더욱 세심한 주의가 필요하며, ESD 유형별 차이점을 바탕으로 적절한 보호 전략을 세워야 합니다

2-2) CDM(Charged device model,정전모형)

CDM(Charged Device Model)은 앞서 소개한 HBM(Human Body Model)과는 개념부터 완전히 다릅니다.
HBM이 “사람이 IC를 만지며 발생하는 정전기”를 가정했다면, CDM은 IC 자체가 대전된 상태에서 외부로 급격히 방전되는 상황을 가정합니다.

① 어떤 상황에서 발생할까?
ESD 유형별 차이점 중에서 CDM은 실제로 IC 제조 중 또는 조립라인에서 자주 발생하는 정전기 방전(ESD) 유형입니다.
이 모델에서는 사람이 문제가 아니라, IC 그 자체가 전기를 머금고 있다가 외부 물체에 닿는 순간 ‘퍽’ 하고 방전되는 경우를 가정합니다.

이때 발생하는 방전은 매우 짧고 빠릅니다.
때문에 회로 내부에 과도 전류가 순식간에 흐르며, 다이오드, 게이트 산화막, 금속선 등이 순간적으로 파괴될 수 있습니다.

② HBM과 정반대 개념인 CDM

ESD 유형별 차이점을 이해할 때 이 두 모델이 대표적인 대조쌍이 됩니다.
HBM은 상대적으로 보호 대책이 쉬운 편이지만, CDM은 대응이 어려운 만큼 예방 조치가 중요합니다.

③ CDM 방전이 일어나는 사례

IC가 패키징 또는 제조 중 정전기를 머금음
조립라인에서 IC가 금속 바닥, 유리판, 철제 트레이 등에 닿으면서 갑자기 방전
작업자가 손으로 IC를 잡는 순간, IC 내부 전하가 작업자에게 흐르며 파괴
SMT 라인에서 픽앤플레이스 장비가 정전기 상태의 IC를 금속 노즐로 잡는 경우 등

이로 인해 ESD 방지 스틱(정전기 방지 튜브)나 ESD 스폰지에 IC를 보관하는 것이 필수가 된 것입니다.

④ 왜 CDM이 특히 중요할까요?

최신 IC는 점점 더 작아지고, 내부 트랜지스터 게이트는 얇아지고 있습니다.
이 얇은 절연막은 HBM보다 CDM에 훨씬 더 취약합니다.
특히 FinFET 공정이나 고밀도 CMOS 공정 IC는 250V 이하에서도 CDM 파괴 가능성이 존재합니다.

즉, ESD 유형별 차이점 중에서 CDM은 가장 방전 속도가 빠르고 치명적인 모델이며, 실질적인 반도체 공정 현장에서 가장 많이 문제가 되는 유형입니다.

2-3) HIM(Field induced model,유전모형)

ESD 유형별 차이점 중에서 HIM 모델은 CDM과 유사하지만, “유도 전계”에 의해 IC가 대전되고 방전되는 경우를 다루며, CDM보다 좀 더 현실에 가까운 상황을 시뮬레이션할 수 있는 모델입니다.

HIM(Field-Induced Model, 유전 모형)은 외부의 전기장(Electric field)에 의해 IC가 유도 대전(charged by induction)되고, 이후 전기 접촉에 의해 방전되는 상황을 가정한 ESD 모델입니다.
즉, 직접적으로 전기를 주입하지 않아도, 강한 정전기장을 가진 물체 근처에 놓인 IC가 유도 전하를 머금게 되는 상황이 핵심입니다.

이 방전 메커니즘은 CDM(Charged Device Model)과 유사하지만, 차이점은 IC를 직접 접촉하지 않아도 전하가 유도될 수 있다는 점입니다.

① HIM의 발생 원리와 전형적인 동작
이 모델은 외부의 정전기장 또는 전자기장에 의해 IC 내부의 전하가 표면으로 끌려 나오는 유도 전하 현상을 기반으로 합니다.
IC가 외부 전기장에 노출되면, 마치 커패시터처럼 동작하면서 내부 회로에 영향을 주게 되고, 이 전하가 특정 조건에서 빠르게 방전되면 ESD가 발생합니다.

그런데 여기서 중요한 점이 있습니다.
이 유도 전하가 반드시 방전될 때만 문제가 되는 것이 아니라, 방전되기 전부터 IC의 논리 동작을 왜곡시킬 수 있다는 점입니다.

② HIM에 의한 Micom 오동작
HIM 모델은 특히 Micom(마이크로컨트롤러)에서 민감하게 작용합니다.
외부에서 전기장이나 자기장이 가해지면, Micom 내부의 데이터가 의도치 않게 변경되는 현상이 발생할 수 있습니다.
예를 들어, 논리값 “0”이 “1”로 바뀌는 현상이 일어나면, Micom은 그 순간 잘못된 명령을 실행하게 됩니다.

③ HIM에 대한 회로적/물리적 대책

정리하면, HIM은 외부 전기장에 의해 IC 내부 전하가 유도되는 상황을 재현하는 정전기 방전 모델입니다.
단순한 IC 파괴뿐만 아니라, Micom 내부 논리 신호 왜곡으로 인한 오동작, 오기능 발생이 특징입니다.

즉, ESD 유형별 차이점 중에서 실제 현장에서는 CDM보다 더 현실적인 상황을 반영할 수 있는 모델로, HIM 기반의 설계 대책과 테스트가 점차 중요해지고 있습니다.

2-4) MM(Machine model,기계모형)

MM(Machine Model)은 말 그대로 기계 또는 장비에서 발생하는 정전기 방전(ESD)을 모사한 모델입니다.
ESD 유형별 차이점 중에서 이 모델은 특히 기계 장비와 전자 부품(IC 포함)이 직접 접촉할 때 발생할 수 있는 ESD 위험을 다룹니다.

① 자삽 공정 중 발생하는 정전기 문제, MM의 핵심

이 모델은 실제로 일본에서 처음 만들어진 ESD 모델로….
“IC를 자삽할 때, 자삽기계 자체에 누설 전류(leakage current)가 흐르면서 그 전류가 IC의 핀으로 유입되고, 이 전류가 내부 다이오드나 절연막을 파괴시키는 문제를 해결하기 위해 고안된 것이 바로 MM(Machine Model)입니다.”

즉, 사람이 직접 만지는 HBM과 달리 기계나 로봇이 부품을 잡고 넣을 때 발생하는 손상 유형을 고려한 모델인 것입니다.

② 왜 MM 모델이 중요한가?
MM은 단순히 실험용 모델이 아니라, 실제 현장에서 자주 발생하는 고장 원인을 직접 반영하는 매우 실전적인 모델입니다.
대표적인 발생 상황은 다음과 같습니다.

자삽기계에서 부품을 넣을 때
납땜기 팁이 패드에 닿을 때
테스트 프로브가 IC 핀에 직접 접촉할 때
자동화 로봇이 IC를 잡거나 회로에 위치시킬 때

이처럼 기계 접촉 과정에서 기계 내부의 누설 전류나 충전 전위가 IC로 빠르게 유입되면, 내부 회로가 견디지 못하고 파괴될 수 있습니다.

③ MM 테스트 방식과 ESD 내성 평가
IC 제조사는 MM 내성을 평가하기 위해 다음과 같은 방법으로 실험을 수행합니다.

방전 회로의 커패시터를 충전합니다.
방전 저항 없이 IC 핀에 직접 접촉하며 정전기를 흘려보냅니다.
전압을 50V부터 200V, 400V 등 점차 올리며 IC가 정상 작동하는지 확인합니다.
어느 전압에서 기능 이상 또는 고장이 발생하는지 기록합니다.
이 전압이 해당 IC의 MM 파괴 한계 전압이 됩니다.

④ 회로적 대응 방법
ESD 유형별 차이점에서 MM은 방전 전류가 굉장히 크기 때문에, 아래와 같은 방법으로 사전 예방이 필요합니다.

모든 기계 장비는 철저히 접지(Grounding)해야 함
자삽기계의 노즐이나 헤드에는 정전기 방지 코팅 적용
정전기 방지 핀셋, 프로브, 납땜기 팁 사용
회로 내에 TVS 다이오드, 클램프 다이오드 적용
IC를 자삽 전까지 반드시 ESD 방지 스폰지나 트레이에 보관

2-5) ESD 유형별 차이점 비교 (HBM / CDM / MM)

HBM은 우리가 보통 말하는 ‘정전기’와 가장 가까운 모델.
CDM은 IC 내부가 대전되어, 손이나 금속 접촉 시 “밖으로” 방전됨.
MM은 기계나 자삽장비에 의한 정전기 방전으로, 현장 발생률이 매우 높음.

3. 각 ESD 유형별 특징

회로에서 정전기 방전(ESD)이 문제가 되는 이유는 그 짧은 순간에 높은 전압과 전류가 IC에 직접적으로 유입되기 때문입니다.
하지만, 방전의 형태는 모델마다 다르기 때문에, 회로 설계나 보호 대책을 세울 때는 ESD 유형별 차이점을 명확히 이해하는 것이 필수입니다.

3-1) 방전 전류 특성

ESD는 전류가 얼마나 빨리, 그리고 얼마나 많이 흘러드느냐에 따라 IC 파괴 양상이 달라집니다.

HBM (Human Body Model)
사람이 IC를 만졌을 때처럼 상대적으로 완만하게 방전이 일어납니다.
전류 파형은 비교적 천천히 증가했다가 완만히 감소합니다. 일반적으로 몇 십 ns 수준의 pulse가 발생하며, 전류는 수 A 정도.
CDM (Charged Device Model)
반대로, CDM은 IC 자체가 대전되어 있다가 순간적으로 방전되기 때문에 매우 짧고 강력한 전류 피크가 발생합니다.
전류는 10 A 이상까지도 발생할 수 있으며, 파형은 거의 스파이크처럼 수 ns 안에 발생합니다.
MM (Machine Model)
기계에서 발생한 정전기가 직접적으로 IC로 흘러드는 형태로, HBM보다 rise time은 빠르고, 전류는 더 큽니다.
전류량은 0.5~2 A 정도이며, 파형은 HBM보다 짧고 강력합니다.
HIM (Field Induced Model)
이 모델은 “전기장이 유도한 내부 전하 재배치”가 핵심이기 때문에, 직접적인 방전 전류는 존재하지 않습니다.
그 대신, 전기장에 의해 논리 데이터가 ‘0 → 1’로 바뀌는 오동작이 발생합니다.

3-2) 상승 시간 (Rise Time)

ESD의 rise time은 IC 내부 구조를 파괴하는 데 큰 영향을 줍니다.
rise time이 짧을수록, 그 순간의 전자기 에너지가 크기 때문에 파괴 위험도 증가합니다.

참고로, ESD 유형별 차이점에서 CDM은 rise time이 매우 짧기 때문에, 작은 전하량으로도 쉽게 IC를 파괴할 수 있습니다.
그래서 고속 로직이나 RF/고주파 IC는 CDM을 더 민감하게 봅니다.

3-3) 실제 발생 가능

HBM: 겨울철처럼 건조한 날, 사람 손으로 IC를 직접 만졌을 때 발생.
납땜 전후나 수삽 중 주의 필요.
CDM: IC가 회로 기판에 장착되기 전까지 축전된 전하가, 철판 위에 올리거나 손으로 만질 때 순간 방전.
MM: 자삽기계나 자동화 납땜기계 등 기계설비와 IC 간 접촉 시 발생.
기계 접지가 불량한 환경에서 흔함.
HIM: 강한 전자기장 내에 있는 Micom 등 민감한 IC가 오작동.
CPT, 인버터 등에서 유도된 전기장에 노출될 때.

ESD 유형별 차이점을 알면 왜 HBM만으로는 충분치 않은지 이해할 수 있습니다.
실제 공정에서 IC를 보호하려면, 단순히 Wrist Strap만 착용해서는 부족합니다.
CDM 대응을 위해 스틱이나 스폰지를 쓰고, HIM 대응을 위해 쉴딩을 설계하며, MM 대응을 위해 기계 설비의 접지 상태까지 확인하는 것이 모두 연결되어 있는 이유입니다.