2.静电放电类型和静电放电模型

2021/5/231第第2讲讲 静电放电和静电放电模型静电放电和静电放电模型 静电放电及其特点静电放电的类型静电放电模型静电放电模拟器 静电放电电流波形的校验 2021/5/232一、静电放电的定义一、静电放电的定义静电放电（ESD）是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。通常把偶然产生的静电放电称为ESD事件。在实际情况中，产生ESD事件往往是物体上积累了一定的静电电荷，对地静电电位较高。带有静电电荷的物体通常被称为静电源，它在ESD过程中的作用是至关重要的。2021/5/233二、静电放电的特点二、静电放电的特点高电位，强电场，瞬时大电流的过程。过去，人们认为静电是一种高电位、强电场、小电流的过程，其实这种看法并不完全正确。的确有些静电放电过程产生的放电电流比较小，如电晕放电，但是在大多数情况下静电放电过程往往会产生瞬时脉冲大电流，尤其是带电导体或手持小金属物体（如钥匙或螺丝刀等）的带电人体对接地导体产生火花放电时，产生的瞬时脉冲电流的强度可达到几十安培甚至上百安培。2021/5/234二、静电放电的特点二、静电放电的特点会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲 过去人们在研究静电放电的危害时，主要关心的是静电放电产生的注入电流对电火工品、电子器件、电子设备及其它一些静电敏感系统的危害和静电放电的火花对易燃易爆气体、粉尘等的引燃、引爆问题，忽视了静电放电的电磁脉冲效应。2021/5/235二、静电放电的特点二、静电放电的特点 在ESD过程中会产生上升时间极快、持续时间极短的初始大电流脉冲，并产生强烈的电磁辐射形成静电放电电磁脉冲（ESD EMP），它的电磁能量往往会引起电子系统中敏感部件的损坏、翻转，使某些装置中的电火工品误爆，造成事故。目前ESD EMP已受到人们的普遍重视，作为近场危害源，许多人已把它与高空核爆炸形成的核电磁脉冲（NEMP）及雷电放电时产生的雷电电磁脉冲相提并论。会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲2021/5/236二、静电放电的特点二、静电放电的特点 总之，随着研究工作的深入，ESD的特性越来越清楚地展现在人们面前。但是应当注意的是：实际的静电放电是一个极其复杂的过程，它不仅与材料、物体形状和放电回路的电阻值有关，而且在放电时往往还涉及到非常复杂的气体击穿过程，因而ESD是一种很难重复的随机过程。2021/5/237三、静电放电类型三、静电放电类型电晕放电火花放电刷形放电 沿面放电大型料仓内的粉堆放电雷状放电电场辐射放电2021/5/238三、静电放电的类型三、静电放电的类型电晕放电（corona discharge)电晕放电以电晕为特点的一种放电，当某气体中的两个电极中有一个的形状导致其表面的电场明显大于两个电极之间电场的时候所发生放电现象。电晕放电是发生在极不均匀的电场中，空气被局部电离的一种放电形式。它又叫尖端放电。2021/5/239三、静电放电的类型三、静电放电的类型电晕放电的特点 电晕放电是一种高电位、小电流、空气被局部电离的放电过程。在放电中，它产生的电流很小，约在1A到几百个之间，因此一般不具备引燃、引爆能力。2021/5/2310电晕放电的形成电晕放电的形成对于两极间的静电放电，只有当某一电极或两个对于两极间的静电放电，只有当某一电极或两个电极本身的尺寸比起极间距离小的多时才会出现电晕电极本身的尺寸比起极间距离小的多时才会出现电晕放电。例如，在空气中两平行细线间的静电放电，当放电。例如，在空气中两平行细线间的静电放电，当细线的半径细线的半径r r与两线间距与两线间距d d之比之比d/r5.85d/r5.85时，才有可能时，才有可能产生电晕放电。否则，随着极间电压的升高，两极间产生电晕放电。否则，随着极间电压的升高，两极间直接产生火花放电而不会产生电晕放电；除两平行细直接产生火花放电而不会产生电晕放电；除两平行细线电极结构之外，其它能产生电晕放电的典型的电极线电极结构之外，其它能产生电晕放电的典型的电极结构还有圆柱筒与其轴线上的细导线构成的电极，细结构还有圆柱筒与其轴线上的细导线构成的电极，细线或尖端与平板构成的电极。另外，处在空气中的带线或尖端与平板构成的电极。另外，处在空气中的带电体当其电位足够高时也会产生电晕放电。电体当其电位足够高时也会产生电晕放电。2021/5/2311电晕放电机制电晕放电机制当两极间的电压小于某当两极间的电压小于某一特定值一特定值Vc时，极间任何时，极间任何部分的场强均未超过空气的部分的场强均未超过空气的击穿场强，两极间任何地方击穿场强，两极间任何地方都不会产生显著的空气电离都不会产生显著的空气电离现象。但是两极间却有一定现象。但是两极间却有一定的电流流过，这一电流随外的电流流过，这一电流随外加电压的升高而增加，最终加电压的升高而增加，最终达到一饱和值，饱和电流的达到一饱和值，饱和电流的量级为量级为10-14A。这一电流是。这一电流是由宇宙射线和自然界中其它由宇宙射线和自然界中其它放射性射线在空气中产生的放射性射线在空气中产生的电子、离子对形成的。电子、离子对形成的。-+-+A2021/5/2312电晕放电机制电晕放电机制当极间电压升当极间电压升高到某一特定值高到某一特定值Vc时，尖端附近的场时，尖端附近的场强开始超过空气的强开始超过空气的击穿场强，在尖端击穿场强，在尖端附近形成了电子雪附近形成了电子雪崩，极间电流迅速崩，极间电流迅速增大。但是这一过增大。但是这一过程仅在尖端附近才程仅在尖端附近才能维持，而极间其能维持，而极间其它地方由于场强较它地方由于场强较小不能维持这一过小不能维持这一过程。程。-+-+A2021/5/2313电晕放电机制电晕放电机制在空气被电离的同在空气被电离的同时，也会产生空气分子时，也会产生空气分子或原子的激发，处于激或原子的激发，处于激发状态的分子或原子回发状态的分子或原子回到基态时会放出光，因到基态时会放出光，因此，在产生电晕放电时此，在产生电晕放电时尖端附近有时可以看到尖端附近有时可以看到淡蓝色的光晕，这一放淡蓝色的光晕，这一放电过程由此被称为电晕电过程由此被称为电晕放电。放电。形成电晕放电的最形成电晕放电的最基本标志并不是出现电基本标志并不是出现电晕，而是放电电流由饱晕，而是放电电流由饱和电流和电流10-14A突然增加突然增加到到10-6A左右。左右。-+-+A2021/5/2314电晕放电的形成过程电晕放电的形成过程空气中的电荷空气中的电荷低压饱和电流低压饱和电流高压强场空气击穿高压强场空气击穿电子雪崩电子雪崩放电电流从放电电流从1010-14-14A A 猛增至猛增至1010-6-6A,A,并有蓝色并有蓝色光晕光晕-+-+A2021/5/2315当放电尖端为阴极时，产生的电晕称当放电尖端为阴极时，产生的电晕称负电晕负电晕，形成机，形成机制为汤逊机制，即产生二次电子雪崩的次极电子是由制为汤逊机制，即产生二次电子雪崩的次极电子是由正离子碰撞阴极表面引起阴极的电子发射而产生的。正离子碰撞阴极表面引起阴极的电子发射而产生的。当放电尖端为阳极时，产生的电晕称当放电尖端为阳极时，产生的电晕称正电晕正电晕。阴极处。阴极处的场强很弱，流向阴极的正离子不足以引起二次电子的场强很弱，流向阴极的正离子不足以引起二次电子发射，此时在尖端处维持放电过程的二次电子主要是发射，此时在尖端处维持放电过程的二次电子主要是由其附近的中性分子和原子的光电离而提供的。由其附近的中性分子和原子的光电离而提供的。电晕放电电晕放电2021/5/2316 从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈现出非均匀的丝状。一般来讲，正电晕的起晕电现出非均匀的丝状。一般来讲，正电晕的起晕电压要比负电晕的起晕电压高。压要比负电晕的起晕电压高。电晕放电电晕放电2021/5/2317“特里切尔特里切尔”脉冲脉冲在一定的条件下，虽然引发电晕放电的电压是恒定的，但在一定的条件下，虽然引发电晕放电的电压是恒定的，但电晕放电产生的放电电流却呈现出周期性的脉冲形式。电晕放电产生的放电电流却呈现出周期性的脉冲形式。当放电电极为阴极时，电流脉冲重复频率可达到当放电电极为阴极时，电流脉冲重复频率可达到10104 4HzHz。而而放电电极为阳极时，这一频率可达到放电电极为阳极时，这一频率可达到10106 6HzHz，这一现象是由这一现象是由特里切尔特里切尔(Trichel)Trichel)于于19381938年发现的，被称为年发现的，被称为“特里切尔特里切尔”脉冲。脉冲。由于这些频率正好位于射频段，因此会产生强烈的射频干由于这些频率正好位于射频段，因此会产生强烈的射频干扰。扰。2021/5/2318电晕放电危害电晕放电危害射频干扰射频干扰 飞机、航天器的通讯或导弹在飞行过程中，机壳或弹体上会因摩擦而产生静电，当静电电位足够高时可引发电晕放电，形成的电磁干扰会对飞机、航天器或导弹的制导系统产生干扰，造成通讯中断或制导失灵，引发事故。浪费电能浪费电能 高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费。2021/5/2319电晕放电的利用电晕放电的利用静电除尘脱硫脱硝静电喷涂2021/5/2320静电火花放电静电火花放电（spark discharge）当静电电位比较高的带电导体或人体靠近其它导体、人体或接地导体时，便会引发静电火花放电。静电火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，与此同时还伴随着噼啪的爆裂声，爆裂声是由火花通道内空气温度的急骤上升形成的气压冲击波造成的。在发生静电火花放电时，静电能量瞬时集中释放，其引燃、引爆能力较强。另外静电火花放电产生的放电电流及电磁脉冲具有较大的破坏力，它可对一些敏感的电子器件和设备造成危害。金属导体间形成一次火花通道便能放掉绝大部分静电电荷。而人体静电放电过程中可能包含了多次火花通道的形成、消失过程，即重复放电。2021/5/2321刷形放电刷形放电（brush discharge）刷形放电电往往发生在导体与带电绝缘体之间，带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率的液体。产生刷形放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内。根据其放电通道的形状，这种放电被称为刷形放电。导体导体2021/5/2322刷形放电刷形放电 当绝缘体相对于导体的电位的极性不同时，其形成的刷形放电所释放的能量和在绝缘体上产生的放电区域及形状是不一样的。当绝缘体相对导体为正电位时，在绝缘体上产生的放电区域为均匀的圆状，放电面积比较小，释放的能量也比较少。而当绝缘体相对于导体为负电位时，在绝缘体上产生的放电区域是不规则的星状区域，区域面积比较大，释放的能量也较多。刷形放电还与参与放电的导体的线度及绝缘体的表面积的大小有关，在一定范围内，导体线度越大，绝缘体的带电面积越大，刷形放电释放的能量也就越大。刷形放电释放的能量可高达4mJ，因此它可引燃、引爆大多数的可燃气体。但它一般不会引起粉体的爆炸。2021/5/2323沿面放电沿面放电沿面放电又称传播型刷形放电，旧称利登彼格(Lichtenberg)放电，仅在绝缘体的表面电荷密度大于2.710-4C/m2时较易发生。一般情况下，传播型刷形放电发生在绝缘材料与金属之间，放电通道沿绝缘材料的表面进行。2021/5/2324沿面放电沿面放电只有当绝缘体的表面电荷密度大于2.710-4 C/m2时才可能发生。但在常温、常压下，如此高的面电荷密度较难出现，因为在空气中单极性绝缘体表面电荷密度的极限值约为2.710-5C/m2，超过时就会使空气电离，只有当绝缘体两侧带有不同极性的电荷且其厚度小于8mm时，才有可能出现这样高的表面电荷密度，此时绝缘体内部电场很强，而在空气中则较弱。2021/5/2325沿面放电沿面放电 当绝缘板一侧紧贴有接地金属板时，就可能出现这种高的表面电荷密度。另外，当电介质板被高度极化时也可能出现这种情形。若金属导体靠近带电绝缘体表面时，外部电场得到增强，也可引发刷形放电。刷形放电导致绝缘板上某一小部分的电荷被中和，与此同时它周围部分高密度的表面电荷便在此处形成很强的径向电场，这一电场会导致进一步的击穿，这样放电沿着整个绝缘板的表面传播开来，直到所有的电荷全部被中和。沿面放电释放的能量很大，有时可以达到数焦耳，因此其引燃引爆能力极强。2021/5/2326l粉堆放电一般发生在容积达到粉堆放电一般发生在容积达到100m100m3 3以上的料仓中，放电以上的料仓中，放电能量可达能量可达10mJ10mJ。l粉料沉积后，粉堆电量迅速增加，表面的场强相应增强。粉料沉积后，粉堆电量迅速增加，表面的场强相应增强。当场强增加到一定程度时，首先在粉堆的顶部产生空气当场强增加到一定程度时，首先在粉堆的顶部产生空气的电离，形成从仓壁到粉堆顶部的等离子体导电通道，的电离，形成从仓壁到粉堆顶部的等离子体导电通道，产生粉堆与仓壁之间的静电放电。产生粉堆与仓壁之间的静电放电。l料仓体积越大，粉体进入料仓时流量愈高，粉粒绝缘性料仓体积越大，粉体进入料仓时流量愈高，粉粒绝缘性愈好，愈容易形成粉堆放电。愈好，愈容易形成粉堆放电。大型料仓内的粉堆放电大型料仓内的粉堆放电 2021/5/2327这是一种大范围的空间放电形式。这是一种大范围的空间放电形式。最初在火山爆发的尘埃中曾观察到过，近年来在最初在火山爆发的尘埃中曾观察到过，近年来在实验中也得到证实。实验中也得到证实。但在实际工业生产中尚未发生过，有人通过试验但在实际工业生产中尚未发生过，有人通过试验证实认为容器体积小于证实认为容器体积小于60m60m3 3或柱型容器的直径小于或柱型容器的直径小于3m3m时不会发生这种放电。时不会发生这种放电。雷状放电雷状放电 2021/5/2328电场辐射放电电场辐射放电 电场辐射放电依赖于高电场强度下气体的电离，电场辐射放电依赖于高电场强度下气体的电离，当带电体附近的电场强度达到当带电体附近的电场强度达到3MV/m3MV/m时，这种放电就可时，这种放电就可能发生。能发生。放电时，带电体表面可能发射电子。这类放电能放电时，带电体表面可能发射电子。这类放电能量比较小，引燃引爆能力较小，出现这类放电的概率量比较小，引燃引爆能力较小，出现这类放电的概率也小。也小。2021/5/2329种类发生条件特点及引燃引爆性电晕放电当电极相距较远，在物体表面的尖端或突出部位电场较强处较易发生有时有声光，气体介质在物体尖端附近局部电离，形成放电通道。感应电晕单次脉冲放电能量小于20J，有源电晕单次脉冲放电能量则较此大若干倍，引燃能力甚小刷形放电在带电电位较高的静电非导体与导体间较易发生有声光，放电通道在静电非导体表面附近形成许多分叉，在单位空间内释放的能量较小，一般每次放电能量不超过4mJ，引燃引爆能力中等火花放电主要发生在相距较近的带电金属导体间或静电导体间有声光，放电通道一般不形成分叉，电极是有明显放电集中点，释放能量比较集中，引燃引爆能力较强传播型刷形放电仅发生在具有高速起电的场合，当静电非导体的厚度小于8mm，其表面电荷密度大于等于0.27mC/m2时较易发生放电时有声光，将静电非导体上一定范围内所带的大量电荷释放，放电能量大，引燃引爆能力很强粉堆放电主要发生在容积达到100 m3或更大的料仓中，粉体进入料仓时流量愈高，粉粒绝缘性愈好，愈容易形成放电首先在粉堆顶部产生空气电离，形成仓壁到堆顶的等离子体导电通道，放电能量可达10mJ，引燃引爆能力强雷状放电空气中带电粒子形成空间电荷云且规模大、电荷密度大的情况下发生，如承压的液体或液化气等喷出时形成的空间电荷云放电能量极大，引燃引爆能力极强电场辐射放电依赖于高电场强度下气体的电离，当带电体附近的电场强度达到3MV/m时，放电就可发生放电时，带电体表面可能发射电子，这类放电能量比较小，引燃引爆能力较小，出现这类放电的概率也小2021/5/2330四、静电放电模型四、静电放电模型 静电放电是一个复杂多变的过程，常常使得研究者难以捉摸。再加上静电放电有许多不同的放电形式，能产生静电放电的静电源多种多样，而且同一静电源对不同的物体放电时产生的结果也是不一样的，即使同一静电源对同一物体放电，也会受气候、环境等条件的影响，难以得到具有重复性的放电结果。由于静电放电的这种多变性，使得难以有效地对ESD的危害及其效应进行正确的评估。针对这一问题，人们对实际中各种可能产生具有危害的静电放电的静电源进行了深入的研究，根据其主要特点建立了相应的静电放电模型。2021/5/23312021/5/2332ESDA(Electrostatic Discharge Association),AEC(Automotive Electronics Council),EIA/JEDEC(Electronic Industries Alliance/Joint Electron Device Engineering Council)MIL-STD(US Military Standard).IEC(International Electrotechnical Commission)ESD 标准组织标准组织2021/5/2333HBM(Human Body Model)BMM(Body-Metal Model）MM(Machine Model)CDM(non-socketed Charged-Device Model,Field Induced Model,or Direct Charge Model)SDM(Socket Device Model,or Socketed Discharge Model).ESD 标标准准2021/5/2334 人体模型（人体模型（Human Body ModelHuman Body Model），简称），简称HBMHBM。主要用来模拟人体静电放电对敏感电子器件的作用。主要用来模拟人体静电放电对敏感电子器件的作用。人体是产生静电危害的最主要的静电源之一。人体是产生静电危害的最主要的静电源之一。现有文献资料中的大部分静电感度数据都是以人体现有文献资料中的大部分静电感度数据都是以人体ESDESD模型为基础得到的。模型为基础得到的。1、人体模型、人体模型2021/5/2335人体特征参量主要有人体特征参量主要有3 3个个：人体电容人体电容C CB B：它决定人体储存静电能量的能力；它决定人体储存静电能量的能力；人体电阻人体电阻R RB B：它决定人体静电放电时自身消耗的能量；它决定人体静电放电时自身消耗的能量；人体电感人体电感L LB B：它主要决定人体静电放电时的电流波形。它主要决定人体静电放电时的电流波形。（人体电感的量值仅为零点几个微亨，在多数情况（人体电感的量值仅为零点几个微亨，在多数情况 下可以不加考虑。）下可以不加考虑。）2021/5/2336合理选择人体电阻值和人体静电电容值，合理选择人体电阻值和人体静电电容值，就可建立人体就可建立人体ESDESD模型。模型。2021/5/2337人体静电参数的计算人体静电参数的计算一般认为人体电容由两部分组成，一部分是人体的脚通过鞋底与地面构成的平行板电容器的电容Cg，另一部分则是把人体看成孤立导体，对自由空间的电容Cs，人体的总电容为这两部分电容的并联，即CB=Cg+Cs，其中Cg很容易被计算出：Cg=r0A/t=0.0885r A/t (pF)其中r为鞋底的相对电容率。A为两个鞋底的总面积，单位取cm2,t为鞋底的厚度，单位为cm。2021/5/2338人体静电参数的计算人体静电参数的计算计算Cs时需把人体等效为形状较为规则的导体，如柱形、十字形或球形等等，其中取常用的是球形，球的半径一般取人体身高的一半。这样可得到：CS=40r=0.55H (pF)一个人身高为173cm时，其Cs=95pF 假设此人的鞋底与地面的接触面积约为360cm2，鞋底厚度t为1cm，鞋底的相对电容率r=5，则Cg=158pF。CB=Cs+Cg=253pF 通常取等效球的半径r=50cm，这样得到Cg=56pF。2021/5/2339人体静电参数的测量人体静电参数的测量1962年，美国国家矿务局在其公告520中报导，通过对22个不同的人进行测试，电容 值在90398pF之间，而100个不同的人两手之间的电阻的平均值为4000。2021/5/23401976年 Kirk等人分别用高压电源通过10M的电阻把被测人体和的电容器充电到某一电压V，之后分别让人体和电容器通过一个1k的电阻对地放电，并用电流探头和示波器采集放电电流波形，通过比较人体和电容器的放电电流的峰值来确定人体放电参数。人体静电参数的测量人体静电参数的测量PpBIII)(1000R01000CBBR结果：RB=87190 CB=132190pF2021/5/2341人体静电电容和放电电阻测量（人体静电电容和放电电阻测量（Kirk）2021/5/2342Enoch-Shaw通过测试得到的人体电容随人体脚底离铺有地毯的水泥地面的高度d变化的曲线。测量方法：把赤脚站在地面上高度为d的绝缘平台上的人充电到200V;经过5秒钟的稳定后，用继电器把带电人体对电容为500pF的电容器放电；经过1秒钟后测出500 pF的电容器上的电压，再经过计算可得到人体电容。人体静电参数的测量人体静电参数的测量2021/5/2343101001000405060708090100110120130Human body capacitances/pFdistance above concrete floor/mm人体电容与离地高度关系测量结果（Enoch-Shaw)2021/5/2344人体模型（人体模型（HBM）主要模拟带电人体对电子器件、火工品等放电时，人体作为危险静电源的参数。不同行业规定的参数不同。例如电子行业中，通常用C=100pF,R1500 来模拟人体静电参数；在汽车制造行业中，人体模型通常采用的参数为电容330pF，电阻2k。2021/5/2345人体模型（人体模型（HBM）2021/5/2346The equivalent circuit of the HBM ESD event with R1=1500ohm and C1=100pF.MIL-STD-883EGBJ128A-97GBJ548B-20052021/5/2348短路电流波形MIL-STD-883EGBJ128A-97GBJ548A-962021/5/2349IEC61340-3-1Methods for simulation of electrostatic effectHuman body model(HBM)Component testing2021/5/2350Typical current waveform through a shorting wire(tr)IEC61340-3-12021/5/2351Typical current waveform through a shorting wire(td)IEC61340-3-12021/5/2352Typical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-1Typical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-12021/5/2354HBM ESDS 元器件敏感度分类元器件敏感度分类敏感类别电压范围(V)02501A2505001B50010001C100020002200040003A400080003B80002021/5/2355Typical HBM Generated Failures2000X100XCourtesy of JPLScott M.Hull NASA/GSFC2021/5/2356 机器模型（机器模型（Machine Model），），简称简称MM。用来模用来模拟带电导体对电子器件发生的静电放电事件。机器模型拟带电导体对电子器件发生的静电放电事件。机器模型最初由日本人提出，试图产生最初由日本人提出，试图产生“最严酷最严酷”的人体静电放的人体静电放电事件，因此机器模型也称日本模型。电事件，因此机器模型也称日本模型。机器模型的基本电路模型是，机器模型的基本电路模型是，200pF的电容不经过的电容不经过电阻直接对器件进行静电放电。机器模型模拟导体带电电阻直接对器件进行静电放电。机器模型模拟导体带电后对器件的作用，如在自动装配线上的元器件遭受带电后对器件的作用，如在自动装配线上的元器件遭受带电金属构件对器件的静电放电，也可模拟带电的工具和测金属构件对器件的静电放电，也可模拟带电的工具和测试夹具等对器件的作用。试夹具等对器件的作用。主要用来模拟一些体积较大的带电导体对电子器件主要用来模拟一些体积较大的带电导体对电子器件发生的静电放电事件。发生的静电放电事件。2 机器模型（机器模型（MM）2021/5/2357机器模型电路原理图机器模型电路原理图机器模型等效电路机器模型等效电路10M 0+VDUT200pF2021/5/2359(IEC61340-3-2)2021/5/2360Typical current waveform through a shorting wireIEC61340-3-22021/5/2361Typical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-22021/5/2362机器模型波形参数（机器模型波形参数（IEC61340-3-2)Ip1短路放电波形峰值电流短路放电波形峰值电流 A IPR通过通过500 电阻放电波形的峰值电流电阻放电波形的峰值电流 I100通过通过500 电阻放电波形在电阻放电波形在100ns时的电流值时的电流值 A 2021/5/2363MM ESDS 元器件敏感度分类元器件敏感度分类敏感类别电压范围(V)M1100M2100200M3200=4002021/5/2364Typical MM ESD Stress FailureScott M.Hull NASA/GSFC2021/5/2365机器模型（机器模型（MMMM）的电路配置与人体模型）的电路配置与人体模型（HBMHBM）基本相同，不同的是）基本相同，不同的是MMMM放电电容较大放电电容较大（为（为200pF200pF ）、阻值为零。）、阻值为零。MMMM模型可以看作是模型可以看作是“最严酷最严酷”的人体模型。的人体模型。比对元器件比对元器件MMMM模型和模型和HBMHBM模型测试结果表模型测试结果表明，元器件对明，元器件对MMMM模型静电放电比模型静电放电比HBMHBM模型静电模型静电放电更敏感。放电更敏感。在日本和欧洲，在日本和欧洲，MMMM模型应用相当广泛，被模型应用相当广泛，被成为成为“第二种第二种ESDESD模型模型”。而在美国，仅次于。而在美国，仅次于HBMHBM应用广泛的模型是应用广泛的模型是带电器件模型（带电器件模型（CDMCDM）。2021/5/23663 人体金属模型（人体金属模型（BMM)模拟带电人体通过手持的小金属物件，如螺丝刀、钥匙等，对其它物体产生放电时的情形，因此这一模型又被称为人体一金属模型。带电人体手持小金属物件时，由于金属物件的尖端效应，使得其周围的场强大大增强，再加上金属物件的电极效应，导致放电时的等效电阻大大减小。因此在同等条件下，它产生的放电电流峰值比单独人体放电的要大，放电持续时间短。(场增强模型)2021/5/2367在人体在人体-金属放电过程中，包含高速、低速两种放电模式。金属放电过程中，包含高速、低速两种放电模式。高速放电模式与手、前臂及手持小金属物件的高速放电模式与手、前臂及手持小金属物件的“自由电容自由电容”相相联系，它产生的初始放电电流尖脉冲的上升速度很高，峰值很联系，它产生的初始放电电流尖脉冲的上升速度很高，峰值很大，可产生强烈的电磁脉冲。而且它速度高，持继时间短，往大，可产生强烈的电磁脉冲。而且它速度高，持继时间短，往往使得许多电子设备的往使得许多电子设备的ESD保护装置还没有来的及动作便已侵保护装置还没有来的及动作便已侵入设备，造成设备的损伤。因而也较难防护，不过由于与之相入设备，造成设备的损伤。因而也较难防护，不过由于与之相联系的放电电容容量较小，其放电中释放的能量也较小，它造联系的放电电容容量较小，其放电中释放的能量也较小，它造成的损伤往往是软损伤或形成随机干扰。成的损伤往往是软损伤或形成随机干扰。低速放电模式则与人体电容相联系，在放电时释放的能量较大低速放电模式则与人体电容相联系，在放电时释放的能量较大,引起意外爆炸及电子器件、系统的硬损伤等等。引起意外爆炸及电子器件、系统的硬损伤等等。这两种放电模式各具特点，人体这两种放电模式各具特点，人体-金属放电模型应能全面地反映金属放电模型应能全面地反映出这两种不同的放电模式。出这两种不同的放电模式。人体人体-金属模型主要用于对系统的人体静电敏感度的测试。金属模型主要用于对系统的人体静电敏感度的测试。人体金属模型（人体金属模型（BMM)2021/5/2368人体金属模型标准人体金属模型标准试验电压、电流参数短路电流波形采采用带宽不低于用带宽不低于100MHz的测量系统测的测量系统测得它对低阻抗接地靶放得它对低阻抗接地靶放电的电流波形应满足左电的电流波形应满足左图中主要特点。图中主要特点。初始尖脉冲与放电人初始尖脉冲与放电人体的手、前臂及手持体的手、前臂及手持的小金属物体对自由的小金属物体对自由空间有大约空间有大约3-10pF的的无感电容有关。无感电容有关。Test set-up for table-top equipment,laboratory testsAn insulation support of 0.1m thickness shall be used.0.5m x 0.5m vertical coupling plane shall be used for indirect application of discharges.2021/5/2373 随着器件生产和装配的现代化，对器件的大部分操作都是由自动生产线完成，人体接触器件的机会相对减少，电子器件本身在加工、处理、运输等过程中可能因与工作面及包装材料等接触、摩擦而带电，当带电的电子器件接近或带电的电子器件接近或接触导体或人体时，便会产生静电放电。接触导体或人体时，便会产生静电放电。在生产线上由于带电器件静电放电对敏感电子器件造成的危害相当突出。通常用带电器件模型（CDM）来描述带电器件发生的静电放电现象。此模型是1974年斯皮克曼（Speakman）等人最先提出的。由于带电器件模型描述的放电过程是器件本身带电而引起的，所以带电器件模型失效是造成电子器件损坏、失效的主要原因之一。4 4 带电器件模型带电器件模型（CDM）2021/5/2374实验证明，带电器件在带电时，大部分电荷都分实验证明，带电器件在带电时，大部分电荷都分布在金属管脚上，而在非金属的封装上仅带有少量的布在金属管脚上，而在非金属的封装上仅带有少量的电荷。电荷。其等效电路为其等效电路为RLCRLC串联模型：串联模型：C C为带电器件的对地为带电器件的对地电容，一般仅为几个电容，一般仅为几个pF pF；R R为器件内部放电通道的电为器件内部放电通道的电阻，一般仅为几个欧姆；考虑到阻，一般仅为几个欧姆；考虑到R R的值比较小，放电的值比较小，放电时管脚的电感对放电的影响不能忽略。时管脚的电感对放电的影响不能忽略。模型参数取值要根据器件的具体情况来确定。模型参数取值要根据器件的具体情况来确定。放电电流波形为迅速衰减的正弦波。放电电流波形为迅速衰减的正弦波。2021/5/2376 将ESDS DUT放置于经高压源充电的充电板上，然后通过放电头放电。充电有两种方式，直接充电和场感应充电。左图所示为直接充电方式，通过直接接触对DUT充电，充电时必须注意不能损坏IC件。右图所示为场感应充电方式，很多测试标准推荐采用这种方法，其是通过电场感应对DUT进行充电，这样避免了充电过程中可能损坏器件的事情发生。CDM ESD测试模型测试模型2021/5/23772021/5/2378Charge Device Model CircuitsRcRd1Rd2RdnLd1Ld2LdnSw1RdLdCdSw1RcDevice with One Point DischargeDevice with Multiple Discharge PathsCd1Cd2CdnRc=Resistance to Ground.Rd,Ld,Cd=Resistance,Inductance&CapacitanceIn the Discharge Path.DUTDUT2021/5/2379Typical CDM generated failures4600 x8600 x2021/5/2380Typical CDM Generated FailureESD event(1 KV)shown at arrow after parallel Polishing2021/5/2381 CDM ESDS 元器件敏感度分类元器件敏感度分类敏感类别电压范围(V)C1125C2125250C3250=500C4500=1000C51000=1500C6150020002021/5/23825 5 家俱模型家俱模型 家俱静电放电指的是在计算机房或实验室内那些易于移动的家俱，如椅子、小的仪器搬运车等，由于摩擦或感应带电后对其它仪器设备产生的放电过程。对于家俱ESD的研究最早是在IBM公司进行的。该公司为了加强其产品的防ESD能力，他们分别对三种形式的静电放电进行了研究，即人体ESD、人体-金属ESD和家俱ESD。通过研究与比较，他们认为在同等的放电电位下，家俱ESD产生的放电电流的峰值要比另外两种形式的ESD产生的电流峰值要大，因此其造成的危害也就比较严重。2021/5/2383常用家俱的电容值常用家俱的电容值 自由空间电容(pF)近地电容(pF)直背椅62112转倚7594小车130145工具箱37392021/5/23845 家俱模型家俱模型家俱放电的放电电阻要比人体的小，而电感则相应的要大。在模型中通常取R=15，L=0.20.4mH。同等带电电位水平下，家俱放电产生的放电电流峰值要比人体-金属的要大，而电流的初始上升时间tr1却与人体-金属的相当。因此在同等带电电位下，它形成的危害要比人体-金属放电形成的危害要大。人体-金属的带电电位通常比家俱的高，其产生ESD的几率比家俱的大，因此现行的ESD测试标准中，仅在ECMN和ANSI发布的标准中同时采用了人体-金属模型和家俱模型。而IEC及CISPR等组织发布的ESD测试标准，只采用了人体-金属模型。2021/5/23856 6 场感应模型场感应模型 当对地绝缘的电子器件、仪器、导体及人体处于静电场中时，极化或静电感应会导致这些物体上的电荷分离，并使它们的电位升高。当外电场足够强时，这些物体上的感应电位可达到足够高，引发这些物体与其它物体之间的静电放电，这一静电放电过程被称为场感应静电放电。2021/5/2386场感应模型场感应模型场感应模型并不是具体地模拟某一种静电电源，而是总体描述由于静电场的作用导致静电放电而引起器件、仪器等失效的一种机制。因此严格地来说应把它称为“场感应失效模型”。与它类似的其它一些ESD失效模型还有悬浮器件失效模型、电容耦合失效模型及瞬态感应失效模型等等。2021/5/23877 Transmission Line Pulse(TLP)Used By IC Designers since 1985 to evaluate ESD protection schemes.Simulates HBM with very short pulses.Allows non-destructive&latch-up issues testing.Provides better results on a controlled simulation of the SDM.2021/5/2388TLP Design MethodologiesCurrent SourceTime Domain ReflectometerTime Domain TransmissionTime Domain Reflection and Transmission2021/5/2389Current Source TLPANSI/ESD SP5.5.1-20042021/5/2390Time Domain Reflectometer TLPANSI/ESD SP5.5.1-20042021/5/2391Time Domain Transmission TLPANSI/ESD SP5.5.1-20042021/5/2392TDR&T TLPANSI/ESD SP5.5.1-20042021/5/23932021/5/2394SummaryModels establish Benchmarks for ESD Sensitivity.Different Models are used under different environments.Models provide help to prevent and analyze ESD Failures2021/5/2395五五 静电放电模拟器静电放电模拟器 尽管静电放电源的电气模型非常简单，但是要制做出既能反映出真实ESD过程的主要特点，又要具有很高的放电重复性的静电放电模拟器是一件非常复杂的工作。一般的ESD模拟器都是利用集总参数电路实现其功能。但是ESD本身是一个瞬变过程，涉及到频率超过1GHz的高频成分，因此在模拟器中集总器件的布置、寄生参数以及接地线与放电电阻的几何尺寸、形状都会对放电波形产生严重的影响。2021/5/2396五五 静电放电模拟器静电放电模拟器 在ESD模拟器中有静电高压发生器，又有控制和测量部分的低压电路，所以为了保证放电电流波形满足一定的要求。在设计、制做ESD模拟器时，首先必须解决其本身的电磁兼容性问题。在用ESD模拟器对静电敏感器件或系统进行检测时，如采用的放电方式不同，要求的模拟器的结构及放电电极的形状也不相同。2021/5/2397静电放电敏感度测试时放电方式静电放电敏感度测试时放电方式空气放电方式接触放电方式2021/5/2398空气放电方式空气放电方式 用ESD模拟器对被测物体进行测试时，使模拟器的放电电极逐渐接近被测物体，直到电极和被测物体之间形成火花击穿通道导致放电发生为止。空气放电方式的特点是放电由外部空气击穿形成火花通道而触发的，因此在设计ESD模拟器时不需要内部的高压继电器来触发放电。另外，在采用此种放电方式时，为了减小电极的电晕效应，放电电极的顶端一般都被作成球状。2021/5/2399空气放电方式空气放电方式 优点：能真实地模拟实际中的静电放电过程。缺点：放电重复性极差。由于空气放电方式涉及到外部火花通道的形成过程，温度、湿度以及模拟器放电电极接近被测物体的速度等因素都会引起放电过程的显著变化。随着放电电极接近被测物体速度的变化，放电电流的上升时间可由小于1ns变化到大于20ns。而当保持接近速度恒定时也不能得到恒定的电流上升时间，在一定的电压、速度组合下，模拟器的放电电流的上升时间的起伏仍可达到30%以上。采用固定放电电极与被测物体之间的间距，逐渐增高放电电极的电位来引发ESD。得到的上升时间比实际的ESD过程中的放电电流的上升时间要长的多。2021/5/23100接触放电方式接触放电方式 将ESD模拟器的放电电极与被测物体的敏感部分保持紧密的金属接触，之后由模拟器内部的高压继电器触发静电放电。接触放电方式与空气放电方式相比最大的不同就是用内部高压继电器触发装置替代了空气放电方式中难以驾驭的空气击穿过程。其放电的重复性很好，也能反映实际ESD过程的主要特点。2021/5/23101接触放电方式接触放电方式 v现行的主要ESD检测标准，如IEC61340-3-1、ECMA/40等都把这种放电方式作为主要的试验方法，为了紧密的金属接触，放电电极的顶端应作成锥尖状。v不足：当被测设备的敏感部分被封装在非金属材料制成的壳内，而壳上的孔缝很小，放电电极不能进入壳内与敏感部分形成紧密的金属接触时，这种放电方式便不能实施。在这种情况下，仍需采用空气放电方式。产生的辐射场与实际空气击穿产生的辐射场有一定差别 有时，各厂家产生的模拟器的试验结果不一致。2021/5/23102NSG435 ESD 模拟器是由瑞士SCHAFFNER公 司 制 造 的 多 功 能ESD模拟器。由于采用集总参数放电网络及 内 部 电 池 供 电，NSG435 ESD 模拟器体积小，易于移动便于测试。NSG4352021/5/23103NSG435基本网络：150pF、330（BMM）。150pF、15的家俱模型180pF、330 除了基本的150pF、330放电网络之外，它还备有150pF、15的家俱模型放电网络及IEC-801-2标准所规定的150pF、150和美国国家标准ANSI-C63.16(1991版)所规定的的人体-金属模型放电网络.2021/5/23104ESS-200AX ESS-200AX ESD模拟器是日本的Noiseken 公司产品。最高放电电压可达30kV，这种模拟器不仅能满足IEC标准的要求，同时也能满足ISO/SAE标准（用于汽车工业，要求ESD放电电压应达到25kV）及其它一些标准的要求，使模拟器的使用范围得到了很大的扩展。ESS-606AESS-606A ESD模拟器是日本的Noiseken 公司产品。符合MIL-STD-883D和EIAJ ED-4701标准的要求。其中包括两种电容电阻（CR）单元的标准附件。另外，还有24脚和48脚集成电路测试板，用来连接IC器件。参 数范 围输出电压高压范围：1006,000V 低压范围：1001,500V极 性正负极性电容（C）100 PF 5%(EIJJ&MIL)200PF5%(EIAJ)放电电阻（R2）1.5k ohm 1%(EIJJ&MIL)0 ohm(EIAJ)循环放电时间0.5 9.9s(每次0.1s),1099s(每次1s)放电次数1 99 times其测试管脚能力为2200pins，电压范围为25 V 4000 V(最小电压间隔为10V)。符合美国ESD协会标准（草案）DS5.3.1和电子器件工程师联合会标准JEDEC C101-A。2021/5/23108七七 静电放电模拟器电流波形校验静电放电模拟器电流波形校验EESD模拟器必须进行定期波形校验，以满足标准的要求。静电放电模拟器电流波形校验装置由电流靶、同轴衰减器、高频同轴电缆、数值存储示波器（1GHz带宽，5GS/s采样速率）、屏蔽笼，接地线、电源（滤波器）等组成。2021/5/23109静电放电模拟器电流波形校验静电放电模拟器电流波形校验部分资料从网络收集整理而来，供大家参考，感谢您的关注！