Human Body Model (HBM) – 반도체 ESD

목차

1. Human Body Model (HBM)이란 무엇인가?

2. HBM 모델의 전기적 구성과 동작 원리

3. HBM 시험 절차와 기준 전압 레벨

4. HBM과 다른 ESD 모델과의 비교

5. 반도체 설계에서 HBM을 고려한 보호 기술

6. HBM 시험 결과의 제품 수명과 신뢰성에 미치는 영향

7. 산업별 HBM 요구 수준

 

Human Body Model (HBM), 반도체 ESD 내성을 위한 정전기 방전 모델의 이해와 설계 적용

전자기기의 고속화, 소형화가 가속되면서 민감한 반도체 소자의 보호는 제품 신뢰성과 직결되는 중요한 과제가 되었다. 특히 정전기 방전(Electrostatic Discharge, ESD)은 수십 나노미터 공정의 반도체 소자에 치명적인 영향을 줄 수 있다.

이러한 문제를 해결하고자 국제 반도체 산업에서는 다양한 ESD 모델을 사용해 제품의 내성을 평가한다.

그중에서도 Human Body Model (HBM)은 가장 보편적이며 국제적으로 통용되는 대표적인 정전기 방전 시험 모델이다.

 

반도체 ESD

 

HBM은 인간이 반도체 패키지에 접촉할 때 발생할 수 있는 방전을 모사하며, 반도체 제조 및 품질관리에서 필수적인 인증 항목이다.

1. Human Body Model (HBM)이란 무엇인가?

HBM은 사람의 몸에 축적된 정전기가 반도체 제품에 방전되는 상황을 모사하는 전기적 모델이다. 일반적으로 인간은 다양한 활동(의자에서 일어남, 옷 벗기, 걷기 등)을 통해 수백에서 수천 볼트의 정전기를 축적할 수 있다.

이 상태에서 반도체 소자에 접촉하면 순간적으로 고전압이 흘러 소자가 손상될 수 있는데, HBM은 이러한 상황을 표준화된 회로 모델로 구현한 것이다.

HBM은 정전기 방전 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 저항과 커패시터로 구성된 회로 모델을 사용한다.

모델의 기본 구조는 100 pF의 커패시터와 1.5 kΩ의 직렬 저항으로 구성되어 있으며, 이 구조는 사람의 신체 및 접촉 시의 전기적 특성을 반영한다.

 

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2. HBM 모델의 전기적 구성과 동작 원리

HBM 테스트 회로는 다음과 같은 구성 요소로 이루어진다.

• 100 pF 커패시터 (C1)
  인체의 전기 용량을 모사한다. 이는 사람의 몸이 공기 중에 존재할 때 전하를 저장할 수 있는 능력을 의미하며, 실제 측정치에 기반하여 표준화된 값으로 정의된다.
• 1.5 kΩ 저항 (R1)
  사람의 손이 디바이스에 접촉할 때 전류가 흐르는 경로에서의 저항값을 나타낸다. 이는 인체 및 피부의 저항 특성을 평균적으로 표현한 것이다.
• 스위치 (S1)
  시험 전 충전된 커패시터를 시험 대상 디바이스(DUT, Device Under Test)에 순간적으로 방전시키는 역할을 한다.

이 회로는 커패시터에 고전압을 인가한 후 스위치를 통해 DUT에 방전되도록 설계되며, 방전 전류와 전압 파형은 실제 사람과 유사한 조건을 형성한다.

 

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3. HBM 시험 절차와 기준 전압 레벨

HBM 테스트는 반도체 제품의 패키지 핀 간에 높은 전압을 인가한 후, 제품의 손상 여부를 측정하는 방식으로 이루어진다. 국제적으로 사용되는 표준에는 다음과 같은 두 가지가 있다.

• JEDEC JESD22-A114
  미국 반도체 협회에서 제정한 반도체용 HBM 시험 표준
• IEC 61340-3-1
  국제전기기술위원회(IEC)에서 제정한 HBM 시험 일반 표준

HBM의 시험 전압은 일반적으로 ±500V, ±1000V, ±2000V, ±4000V, ±6000V, ±8000V, ±10000V 등으로 정의되며, 제품의 용도와 신뢰성 목표에 따라 그 수준이 결정된다.

등급시험 전압 (HBM)내성 수준

 

Class 0	< 250 V	매우 민감함
Class 1A	250 V ~ 499 V	민감
Class 1B	500 V ~ 999 V	일반 민감도
Class 1C	1000 V ~ 1999 V	표준 수준
Class 2	2000 V ~ 3999 V	내성 좋음
Class 3	4000 V 이상	매우 강인함

 

HBM 시험 후 반도체의 전기적 특성을 측정하여, 기능 이상 유무, 누설 전류 증가, 파라미터 변화 여부 등을 판단한다. 시험 전후로 비교 분석하여 제품의 내성을 평가하며, 특정 등급 이상을 만족해야 양산에 들어갈 수 있다.

 

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4. HBM과 다른 ESD 모델과의 비교

ESD 평가에는 HBM 외에도 다양한 방전 모델이 존재한다. 각 모델은 서로 다른 시나리오를 기반으로 설계되며, 서로 다른 목적에 사용된다.

모델설명적용 시나리오전류 특성전압 수준

 

HBM	인체로부터의 방전	제조, 취급 중 접촉	수십 A	수백 ~ 수천 V
MM (Machine Model)	기계 장비에서의 방전	자동화 제조설비	수백 A	수십 V
CDM (Charged Device Model)	디바이스 자체에서 방전	포장, 운송 과정	수십 A (짧은 펄스)	수십 ~ 수백 V

 

HBM은 가장 널리 채택된 표준이며, 특히 IC 칩 설계 및 생산 품질 검증의 기본 요건으로 간주된다. 반면, CDM은 고속 공정에서 더 중요한 모델로 간주되고 있다.

5. 반도체 설계에서 HBM을 고려한 보호 기술

HBM 테스트에서 높은 내성을 확보하려면, 설계 단계에서부터 전기적 보호 기술을 반영해야 한다. 대표적인 설계 기술은 다음과 같다.

• 클램핑 회로 도입
  입력단에 TVS 다이오드, 제너 다이오드, ESD Protection IC 등을 삽입하여 순간 전압 상승을 제어한다.
• ESD 보호 트랜지스터 구조
  입력단의 MOSFET 게이트가 손상되지 않도록, 특별한 구조의 보호 트랜지스터를 삽입한다. 예: ggNMOS, SCR 구조 등
• 패드 링(Pad Ring) 구성
  다이 레벨에서 각 핀 주변에 ESD 방전 경로를 설계하여, 전류가 안전하게 우회할 수 있도록 한다.
• 공정 기반 ESD Design Rule 적용
  파운드리에서 제공하는 HBM 대응 Design Rule을 기반으로 설계해야 인증 통과 가능성이 높아진다.

 

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6. HBM 시험 결과의 제품 수명과 신뢰성에 미치는 영향

HBM 시험은 단순히 제품의 물리적 파괴 여부만을 확인하는 것이 아니라, 제품이 시장에서 장기간 안정적으로 동작할 수 있는지를 판단하는 기준이 된다. HBM에 의한 손상은 종종 비가역적이며, 회로에 장기적인 영향을 남길 수 있다.

실제로 많은 고장 분석 보고서에서는 HBM 테스트 미비로 인한 내부 단락, 산화막 파괴, 게이트 누설 등이 원인으로 지적된다. 따라서 신뢰성 높은 제품 생산을 위해서는 설계 초기부터 ESD 내성을 고려한 전략이 필수이다.

7. 산업별 HBM 요구 수준

제품의 사용 환경과 용도에 따라 요구되는 HBM 등급은 달라진다.

• 소비자 가전 (스마트폰, 태블릿)
  일반적으로 ±2000V 이상의 내성이 요구되며, 특히 터치스크린, 포트 부분의 HBM 보호 설계가 중요하다.
• 자동차 전장 시스템
  ISO 11452, ISO 7637 등과 병행하여 HBM ±4000V 이상 수준의 내성이 요구되며, 장기간 내구성과 극한 온도 조건에서도 유지되어야 한다.
• 산업용 장비
  EMI 환경이 강한 산업 시스템에서는 ±6000V 이상의 내성을 요구하며, 제조 공정 중 방전 보호도 고려되어야 한다.
• 의료기기 및 항공전자
  생명과 직결되거나 높은 신뢰성이 요구되는 환경에서는 최고 수준의 HBM 등급을 필요로 한다.

 

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결론

반도체 보호의 기준이 되는 HBM의 전략적 중요성

HBM은 반도체 설계 및 품질 평가에서 가장 널리 사용되는 ESD 내성 평가 모델로, 제품의 시장성, 신뢰성, 고객 만족도를 결정하는 핵심 요소이다.

HBM에 대한 이해와 테스트 수행은 단순한 품질관리 절차가 아니라, 제품의 생존력을 위한 필수 전략이다.

미세공정화가 심화되는 반도체 산업에서는 전기적 내성이 더욱 중요해지고 있으며, HBM 기준을 충족하지 못하는 제품은 출시조차 어려운 환경이 되었다.

따라서 반도체 설계자 및 시스템 엔지니어는 HBM의 구조와 시험 기준을 철저히 이해하고, 회로 설계에 반영해야 한다.

앞으로도 HBM은 반도체 보호 기술과 ESD 안전 설계의 중심에 자리하며, 지속적으로 진화하는 시장 환경 속에서 더 큰 수익성과 경쟁력을 확보하는 기반이 될 것이다.