第九章 静电放电模型

式中，A为两个鞋底的总面积(cm2)，t为鞋底的厚度(cm)。 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。球形较常用，球的半径一般取人体身高的一半，得：
Cs = 4πε 0 r = 0.55 H ( pF )
式中，H为人体的身高（cm）
根 据 上 面 的 计 算 方 法 当 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εr=5，则Cg=158pF。此 人的总电容CB =Cs +Cg =253pF。 从这一结果可以看出，由这种计算方法得到的人体电容要 比一些报导中测量的人体电容大，造成这一结果的原因是，总 的说来人体的高度要比其宽度和厚度大的多，在计算时取球体 半径r=H/2往往会过高的估计了人体对自由空间的电容。考虑 到这一因素，一般在计算Cs 时不管人体的高度如何，通常取 等效球的半径r=50cm，这样得到Cs =56pF。
9.1.2 人体电容 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，
C g = ε 0ε r A / t = 0.0885ε r A / t ( pF )
IPs
Ir
短路波形的上升沿 和峰值的确定
5ns/div IPs
短路波形的下降 时间的确定
100ns/div
IPr 90%
10% tr 5ns/div
通过500Ω电阻放电的典型电流波形
上述的标准人体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。 如对电火工品进行静电敏感度测试时，根据美军 标MIL-STD-1512采用的ESD人体模型的参数为电 容500pF，电阻5kΩ。而在汽车制造行业中，人体 模型通常采用的参数为电容330pF，电阻2kΩ。
9.4.2 IEC的801-2标准 在1984年发布的静电放电测试标准IEC801-2中给出了人体-金 属模型。标准中规定模型的基本电网络为单RC结构，放电参数 R和C分别取150Ω和150pF。 除此之外，该标准还对放电网络的放电电流波形提出了要求， 当放电电压分别为2kV、4kV、8kV、15kV时，用带宽不低于 100MHz的测量系统，测得它对特定的低阻抗接地靶放电的电流 波形，应具有标准中所给出的典型波形的主要特点。 其中电流上升时间应在5ns左右，两50%峰值电流的间隔时间 为30ns。另外，在放电电压为2kV时，放电峰值电流应达到 9A，在15kV时，应达到70A。
第十章 静电放电模型
静电放电是一个复杂多变的随机过程。再加上静电 放电有许多不同的放电形式，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 的结果也不一样，会受气候、环境等条件的影响，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。为此，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。 主要人体模型、机器模型、传输线模型和人体金属 模型的ESD测试模型，以及静电放电模拟器。
9.2.2 国际电工委员会IEC标准（包括美ESD协会）： IEC61340-3-2规定了标准人体模型的电路参数，MM模型放电 电流波形发生器试验电路及典型MM模型放电电流波形参数。MM ESD波形发生器试验电路，如图所示：
图中，1：MM ESD波形发生器（200pF/0Ω） ；2：接线端A； 3：开关；4：接线端B；5：受试元器件；6：放电负载； 7：短路电缆；8：电阻500Ω；9：电流传感器
TLP测试仪的等效电路
例子：电压方波脉冲的高度VTLP =VC/2，VC为充电 电压；电流值I=(VTLP -VDUT )/R；脉冲持续时间取决 于传输长度，t=2(L/c)，c为电缆中传播的相速度； 脉冲上升时间保持不变，取决于50Ω固定阻抗。逐 步增加TLP脉冲高度，获得受试器件过压时的I-V曲 线，通过查看第二个击穿点和直流泄漏雪崩阈值来 判定可能的ESD失效水平，TLP测试曲线如图所示。
IP1 tpm
t1 t0 t2
t3
IP2
20ns/div
MM ESD典型短路电流波形
IPR
I100
20ns/div
通过500Ω电阻放电的MM ESD典型电流波形
9.3 传输线脉冲(TLP)模型
HBM和MM的ESD测试模型具有相同特点，是模型测试方法 对器件都具有破坏性，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，而传输线脉冲 (TLP)技术能获得这方面的信息。 TLP技术大量应用于ESD防护设计领域。TLP测试原理是用 一段传输线来产生易于控制的稳定方波，利用此方波对ESDS 受试设备进行过压试验。如图所示为一种固定阻抗TLP测试。
将传输线电缆预充电至特定电位，然后通过固定匹配电阻对 ESDS受试设备放电，固定匹配电阻由另一50Ω传输线电缆组成。 用示波器同时测量受试设备的瞬时电流和电压波形。每次ESD作 用后都测器件的直流泄漏电流。在TLP系统的等效电路中，用方 波源代替充电电容。衰减器用来吸收受试设备的反射信号。
一种固定阻抗TLP测试系统装置
机器模型(MM)的电路配置与人体模型(HBM)相同， 不同的是MM包括200pF的放电电容以及阻值尽可能 低的放电电阻。MM模型可以看作是“最严酷”的人体 模型。 机器模型静电放电模拟器研制开发过程中，由于电 路很难做到足够低的电感，所以各种机器模型静电放 电模拟器的差别很大。比对元器件MM模型和HBM模 型测试结果表明，元器件对MM模型静电放电比HBM 模型静电放电更敏感。
I×100
t/ns
IEC-801-2 （1984年版，带宽100MHz示波器）规定的放电电流波形
9.4.3 IEC的61000-4-2标准 随着测试仪器精度的提高，采用1GHz示波器测得波形和前 面的电流波形有所区别，区别来源是由于小金属器件对空间 有3-10pF无感电容导致的，由此形成了双RLC人体静电放电 模型。电路如图所示：
9.2 机器模型
9.2.1 模型概述 机器模型(Machine Model)，简称MM。用来模拟带电导体对电 子器件发生的静电放电事件。机器模型也称日本模型。基本电路 模型是，200pF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 测试夹具等对器件的作用。原理如图所示：
（2）国际电工委员会IEC标准（包括美ESD协会）： IEC61340-3-1规定了标准人体模型的电路参数，还规定了放电 电流波形及电流参数。IEC61340-3-1中提到形。 HBMESD波形发生器试验电路，如图所示：
图中，1：HBM ESD波形发生器（100pF/1.5kΩ） ；2：接线端；3：开关；4： 接线端；5：受试元器件；6：放电负载；7：短路电缆；8：电阻500Ω； 9：电流传感器
I/Ip×100
t/ns
IEC61000-4-2 （1995年版，带宽1GHz示波器）规定的放电电流波形
总之，人体-金属放电过程包含高速、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“自由电容”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ESD保护装置还没有来得及有动作便已侵入设 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。 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。 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 出这两种不同的放电模式。人体-金属模型主要用于对系统的人体 静电敏感度的测试。
9.1 人体模型
9.1.1 人体模型概述 人体模型 (Human Body Model)，简称HBM，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，人们对人体静电及其放电过程研究的比较早，也比 较深入，人体模型也比其他模型建立的更早。 人体能储存一定的静电电量，因此人体明显地存在电容。人体 也有电阻，人体电阻依赖于人体肌肉的弹性、水份、接触电阻等 因素。其实人体也有电感，不过这一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。 电容器串联电阻的人体电气模型，如何选取典型的人体电容和 电阻值却产生了很大的分歧。许多研究机构和研究人员为了确定 这些参数的量值进行了许多测试和计算。
RB LB RHA LHA
放电端
CB CHA
其中CB、RB、LB分别为人体电容、电阻及电感，CHA、RHA、 LHA分别为手、前臂及手持的小金属物件的电容、等效电阻及 电感。
IEC-1000-4-2和IEC61000-4-2人体-金属模型规定模型的电 网络为双RLC结构，模型参数为：CB =150pF±10%，RB =330Ω±10%，LB =0.04～0.2μH，CHA =3～10pF，RHA =20～200Ω,LHA =0.05～0.2μH。除此之外，标准也对模型 的放电电流波形作出了新的要求，即放电电压分别为2kV、 4kV、6kV、8kV时，用带宽不小于1GHz的测量系统测，放 电网络的放电电流波形应与标准中给出的参考波形相吻合。 标准中给出的波形如图所示。 我国在IEC61000-4-2基础上制定了GB/T17626.2-1998标准。
击穿前
击穿后
二次击穿前后的TLP输出电压波形
击穿后
击穿前
二次击穿前后的TLP输出电流波形
泄漏电流 雪崩阈值 电流IDUT/A