静电放电建模与模拟.ppt
第六章 静电放电建模与模拟,华南理工大学 常天海2010年3月,2023/10/5,静电理论与防护,2,主 要 内 容,静电放电的几种模型,静电放电模拟器,静电放电辐射场的理论建模,（一）静电放电的几种模型,2023/10/5,静电理论与防护,4,静电放电的几种模型,静电放电的模型,人体模型,机械模型,带电器件模型,传输脉冲模型,场感应模型,人体金属模型,ESD家具模型,其他模型,2023/10/5,静电理论与防护,5,引 言,不利于得到具有重复性的放电结果，难以有效地对ESD的效应和危害进行正确的评估。但是根据不同场合静电放电的主要特点可以建立相应的静电放电模型，来模拟静电放电的主要特征。,受气候，环境等条件的影响,2023/10/5,静电理论与防护,6,人体模型,人体模型（Human Body Model），简称HBM。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。,电阻,电感,电容,人体电阻依赖于人体肌肉的弹性和，水份，接触电阻等因素,电感的量值仅为零点几个微亨，通常不考虑,与人体的身高，体重，衣着，鞋袜及地面和附近墙壁材料等因素有关，也与测试方法有关,2023/10/5,静电理论与防护,7,1.1.2 人体电容的计算,人体电容,人体的脚通过鞋底与地面构成的平行板电容器的电容,把人体看成孤立导体，对自由空间的电容,2023/10/5,静电理论与防护,8,1.1.3 标准人体模型,科克等人确定人体放电参数为,依那与肖经过计算可得当人体离地面的高度超过一定值时，人体电容趋于最小值50pF,由于人体个体差异较大，在加上许多研究者在测试中选取的人数不多，采用的测试方法也不同，特别是人体对绝缘程度不同，测试结果也不同，所以不同的研究者得到的人体参数相差很大。,1980年5月，美国海军司令部在广泛地研究，考查了电子行业中各种人体ESD模型之后，发布了DOD1686标准，规定了标准的人体ESD模型，用100pF的电容器串联1.5千欧的电阻作为人体ESD模型。美国ESD协会标准ESD STM5.1-1999以及国际电工委员会标准IEC61340-3-1不仅规定了标准人体模型的电路参数，而且还规定了放电电流波形及电流参数。人体ESD模型主要用于对电子器件的静电敏感度测试。而在一些特殊行业中，根据行业的特点采用的人体ESD模型应有所不同。,1976年科克等人分别用高圧电流通过10M欧的电阻把被测人体和C=2700PF的电容充电到某一电压V，之后分别让人体和电容器通过一个1K欧的电阻对地放电，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,依那与肖将赤脚站在离地面高度为d的绝缘平台上的人充电到200V，经过5秒的稳定后，用继电器把带电人体对电容器放电，经过计算可得当人体离地面的高度超过一定值时，人体电容趋于最小值50pF,2023/10/5,静电理论与防护,9,1.1.3 标准人体模型,图6-1人体静电放电模型,图63 人体静电放电模型的短路电流波形,tr为脉冲上升时间,td为脉冲衰减时间,Ir为最大的振荡电流峰-峰值,2023/10/5,静电理论与防护,10,1.2 机械模型,机械模型（Machine Model）也称日本模型，简称MM。主要用来模拟带电导体对电子器件发生的静电放电事件。在研制开发过程中，由于电路很难做到足够低的电感，因此各种机器模型静电放电模拟器的差别很大，元器件对MM模型静电放电比HBM模型静电放电更敏感。,2023/10/5,静电理论与防护,11,1.2 机械模型,图6-7 MM ESD典型短路电流波形,最大峰值电流,二次峰值电流,主脉冲周期,2023/10/5,静电理论与防护,12,1.2 机械模型,图6-8通过500欧电阻放电的MM ESD典型短路电流波形,最大峰值电流,100ns时的电流值,2023/10/5,静电理论与防护,13,1.3 带电器件模型,带电器件模型（Changed Device Model），简称CDM。是假定对一个器件在其引线框架上或其它导电路上充电，然后通过一管脚迅速对地放电的情况。通常用来描述带电器件发生的静电放电现象。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。,2023/10/5,静电理论与防护,14,1.3 带电器件模型,2023/10/5,静电理论与防护,15,1.4 传输脉冲模型,上述所有ESD测试模型都具有相同的缺点，就是采用这些模型的测试方法对器件都具有破坏性。这些测试模型提供的是静电放电敏感元器件的失效阈值，不提供元器件可能的失效机理方面的信息，而这些信息对ESD防护电路设计很重要，传输线脉冲（TLP）技术能获得这方面的信息。TLP测试系统容易控制。,2023/10/5,静电理论与防护,16,1.4 传输脉冲模型,图6-13 二次击穿前后的TLP输出电压波形实例,2023/10/5,静电理论与防护,17,1.4 传输脉冲模型,图6-13 二次击穿前后的TLP输出电沆波形实例,2023/10/5,静电理论与防护,18,1.4 传输脉冲模型,图6-14 NMOS ESD结构的TLP数据波形实例,2023/10/5,静电理论与防护,19,1.5 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，这一静电放电过程称为场感应静电放电。,场感应模型（FIM）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。,2023/10/5,静电理论与防护,20,1.6 人体金属模型,人体-金属模型（BMM）也叫场增强模型。用来模拟带电人体通过手持的小金属物件对其它物体产生的放电时的情形。主要用于对系统的人体静电敏感度的测试。,当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。因此大同等条件下，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。,2023/10/5,静电理论与防护,21,1.6 人体金属模型,2023/10/5,静电理论与防护,22,1.6 人体金属模型,图6-17 IEC-801-2规定的放电电流波形,当放电电压分别为2KV，4KV，8KV，15KV时，用带宽不低于100MHZ的测试系统测得它对特定的低阻抗接地放电的电流波形应具有标准中所给出的典型波形如图6-17的主要特点。电流上升时间应在5ns左右，丙50%峰值电流的间隔时间为30ns。在放电压为2KV时，放电峰值电流应达9A，在15KV时，应达70A.,2023/10/5,静电理论与防护,23,1.6 人体金属模型,2023/10/5,静电理论与防护,24,1.6 人体金属模型,人体静电放电过程,2023/10/5,静电理论与防护,25,1.6 人体金属模型,2023/10/5,静电理论与防护,26,1.6 人体金属模型,在前面讨论的是单次放电，而在实际中还可能产生重复放即在一次放电过程中包含多次火花通道形成，熄灭，再形成.的过程，其原因是,2023/10/5,静电理论与防护,27,1.7 ESD家具模型,家具静电放电是在计算机房或实验室内那些易于移动的家具，由于摩擦或感应带电后对其他仪器设备产生的放电过程。其研究主要是针对那些容易移动而且敏感的电子设备附近经常用到的那些家具而进行的。家具放电的主要特点是低的阻抗（1575），串联电感大约在0.2-0.4mH,因此这导致欠阻尼振荡。对于2000的放电，其电流波形上升时间大约在18nS之间，半周期（第一个峰值电流与第一个反相峰值电流之间）在1018nS。放电能产生非常大的电流。,由于家具带电时，电荷主要分布在家具的上导体部分，因此家具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,2023/10/5,静电理论与防护,28,1.7 ESD家具模型,图6-21 家具ESD模型放电电流波形,峰值电流,电流初始上升时间,电流上升时间,2023/10/5,静电理论与防护,29,1.8 其他模型,其他模型,带电芯片模型Charged Chip Model,CCM,带电包装模型Charged Package Model,CPM,带电电路板模型Charged Board Model,CBM,2023/10/5,静电理论与防护,30,1.9 ESD模型比较与总结,（二）静电放电模拟器,2023/10/5,静电理论与防护,32,2 静电放电模拟器,建立ESD模型的 一个最主要的目地就是根据模型参数来设计，制作相应的静电放电模拟器。尽管静电放电的电气模型非常简单，但是要制作出既能反映出真实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。在设计，制作ESD模拟器时，首先必须解决其本身的电磁兼容性的问题。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，要求的模拟嚣的结构及放电电极的形状也不相同。,2023/10/5,静电理论与防护,33,2.1 ESD模拟器的放电方式,放电方式,空气放电方式（非接触式放电）,接触式放电方式（电流注入法）,2023/10/5,静电理论与防护,34,2.2 典型ESD模拟器的主要参数及放电电流波形,2023/10/5,静电理论与防护,35,2.3 常用ESD模拟器介绍,NSG435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体积小，易于移动便于测试,采用先进的微处理控制技术和测量系统,IEC标准的人体金属模型的放电网络（放电网络可更换为家具模型放电网络和其他标准的人体金属模型放电网络）,放电方式可更换，可使用单次放电或重复放电,可设置放电电压的极性，对放电次数进行计算或预置,但可设置的最高放电电压较低,主要用于电子设备，系统,2023/10/5,静电理论与防护,36,2.3 常用ESD模拟器介绍,ESS-606AESD模拟器,能模拟人体带电，最高电压为6KV,对器件进行静电放电，测试器件的静电放电敏感性,有24脚和48脚集成电路测试板，用来连接IC器件,这种功能的模拟器很多，如美国的Sywtem11000和 Sywtem700,主要用于数字IC器件,2023/10/5,静电理论与防护,37,2.3 常用ESD模拟器介绍,OrionESD模拟器,能测试IC器件的CDM敏感性水平,测试管脚能力为2200pins,电压范围为,（三）静电放电辐射场的理论建模,2023/10/5,静电理论与防护,39,3 静电放电辐射场的理论建模,静电放电过程有时是一个瞬时大电流的过程，其电流脉冲的上升沿非常陡。对于人体金属模型，静电放电短路电流的上升沿可小于1ns.对于带电器件模型，其上升沿更短。因此，静电放电过程必然会产生强烈的电磁辐射。本节从理论和实验两方面来讨论静电放电产生的电磁场。目前的ESD电磁场解析计算法中，比较著名的解析模型有长导体模型，球电极模型和偶极子模型。,2023/10/5,静电理论与防护,40,3.1 长导体模型,David Pommerenke在实测中发现，ESD的电流波形中，第一尖峰基本不受接地电缆的影响，接地电缆只影响第二个缓变的脉冲。第一尖峰过后的场主要由电缆内的缓变电流引起，由于缓变脉冲的频率范围较低，其近场区的范围也比较大，在1.5m处的电磁场仍然表现出近区场的特点，电场和磁场的波形差异很大,长导体模型主要是模拟实际放电回路中可能有长的电流通道。当ESD电流通过长的直导线如接地电缆时，电缆附近区域的电磁场可以用该模型来计算。对于比较远的区域，长导体模型不再适用。,以上的这些事实说明，放电开始前集中分布在放电电极上（即人手臂前端和小金属物）的电荷在放电开始后的瞬间中和，形成火花电流的第一尖峰，之后分布在放电体上其他地方（如人体）的大量电荷开始转移到放电火花处并补充到火花电流中，形成第二个缓变脉冲。如果这样假设成立的话，电缆中的传导电流和放电火花隙的传导电流波形将不相同，对于人体-金属模型，后者为典型的双峰波形，前者仅仅只有缓变脉冲，而没有第一尖峰。由于缓变脉冲的前沿比较缓，一般大于20ns，持续时间往往超过100ns,所以其频率比较低，可以认为在接地电缆中电流处处相等。,2023/10/5,静电理论与防护,41,3.1 长导体模型,图6.33长导体模型,电缆附近的场主要由导线中的传导电流产生，磁场只存在环向分量，电场只存在垂直分量，其中磁场占主要成分，为低阻抗场。设导线中的电流为i(t)，采用柱坐标系，如图6.33所示，则电场和磁场由下列方程组确定：上面的方程组可以确定电缆附近的电磁场，其中，、和c分别为空气中的电容率、磁导率和光速。,2023/10/5,静电理论与防护,42,3.2 球型电极模型,球电极模型能够比较好地计算ESD过程中近区电场，但它忽略了电流产生的场，也不能够正确计算远区场特别是辐射场分量。,图6.34 球电极模型,把ESD的两放电电极等效为两个相邻的带不同电荷的小球，ESD过程中的场看成是这两个球的电荷所产生，而两个球的电荷在放电过程中是衰减变化的，所以他把这个过程中的场看成静电场的波动和变化。当对地放电的时候，则地面可以用一个镜像金属小球来等效，如图6.34所示。如果两个相互靠近的电极上带有不同的电荷，则其电荷在电极上呈现非均匀体分布，相互靠近的球面上的电荷更密集。图中d表示两个电极上电荷重心距离的一半。当球体积比较小的时候，也可以近似认为电荷重心的距离等于球心的距离（2d=2h）。因为球间距比较小（2dr），故还可以认为电极连线中点水平面（z=0）附近场点A与两个电极的距离相等，都近似等于场点的径向坐标r。,2023/10/5,静电理论与防护,43,3.2 球型电极模型,球电极模型的计算表达式如下：,式中，表示波数；c为光速；为电极上电荷的衰减系数。假设放电前电极上静电荷为q0，放电开始时刻为零时刻，则电极上任意时刻的电荷为,2023/10/5,静电理论与防护,44,3.3 偶极子模型,图6.35 偶极子模型,偶极子长度dl取为放电间隙的长度。利用推迟势，可以计算出空间任意观察点A(z,r,)处的电磁场,在上面的式子中，是空气电容率；c是光速；i(t)是偶极子上的时变电流；近似认为在偶极子上处处相等，电流方向为z轴正向；Q(t)是对电流的积分为,2023/10/5,静电理论与防护,45,3.3 偶极子模型,对导体放电时，放电火花靠近导体表面，可以认为偶极子及其镜像与地面距离为零，即，则,Wilson P.F.导体认为，由于放电表面电阻率很低，火花隙不能像自由空间偶极子那样保持住电流i(t)产生电荷积累，所以偶极子模型中电流时间积分项可以忽略。观察点A(z,r,t)处的电磁场就简化为：,根据此模型，只要知道放电电流i(t)，就可以求出电场和磁场时空分布。所以，偶极子模型可以方便地计算远区的ESD辐射场。但是偶极子模型也存在一些缺陷，该模型计算得到的仅仅是放电电流产生的电场，与真实的ESD电场时空分布不符。在真实ESD放电时，放电开始以前电场并不等于零，尤其是在放电点附近，静电场非常强，放电开始后，才逐渐衰减到零。,2023/10/5,静电理论与防护,46,3.4 三种模型的比较,2023/10/5,静电理论与防护,47,3.5 改进的偶极子模型,Wilson的偶极子模型可以很好地计算远区的辐射场，但是由于忽略了静电荷的作用，所以不能够正确计算出ESD产生的放电点附近的电磁场，而ESD电磁场主要是对近区的电子设备和器件产生危害。因此，我国学者提出了一个改进的偶极子模型。经推导可以得到电场和磁场的表达式：,2023/10/5,静电理论与防护,48,3.6 静电放电电磁场的实验模拟,静电放电电流具有很高的峰值和很陡的上升沿，在其附近产生强烈的辐射电磁场能对临近的电子设备形成很强的电磁干扰。国际电工委员会的标准IEC61000-4-2不仅给出了利用静电放电模拟器直接对设备外壳和各种端口进行脉冲电流注入的方法，同时也给出了对水平耦合板和垂直耦合放电时，模拟器静电放电产生的电磁场对设备作用的实验方法。但在实验过程中发现，放电电流波形参数均能满足IEC61000-4-2的两种模拟器在对设备或组件进行敏感度效应实验时，实验结果并不一致。下面以NSG435和ESS-200AX两种模拟器为例，说明造成差异的原因。,2023/10/5,静电理论与防护,49,3.6 静电放电电磁场的实验模拟,图6-37 ESD电流及电磁场测试系统,2023/10/5,静电理论与防护,50,3.6 静电放电电磁场的实验模拟,图6-38 两种模拟器电流波形前沿比较,2023/10/5,静电理论与防护,51,3.6 静电放电电磁场的实验模拟,图6-39 电流导数的比较,2023/10/5,静电理论与防护,52,3.6 静电放电电磁场的实验模拟,图6-40 ESD模拟器放电枪屏蔽前后磁场的变化,2023/10/5,静电理论与防护,53,3.6 静电放电电磁场的实验模拟,总之，模拟器内部开关的辐射场也会对受试设备造成干扰，从而影响测试结果，也就是说，不同模拟器由于各自设计构造不同，开关辐射场也各不相同，造成测试结果的不一致。因此，IEC的相关标准对模拟器的要求应该更加规范和全面，除了放电电流的几个参数外，还应对放电电流的前沿，电流导数及相关的电磁场做出规定，以解决不同模拟器间测试结果的不一致性。,2023/10/5,静电理论与防护,54,review,静电放电的几种模型,静电放电模拟器,静电放电辐射场的理论建模,2023/10/5,静电理论与防护,55,The End!,
