5.放电和静电放电模型

机器模型电路原理图
(IEC61340-3-2)
Typical current waveform through a shorting wire IEC61340-3-2
Typical current waveform through a 500 resistor IEC61340-3-2
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。
Typical current waveform through a shorting wire ( tr )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a shorting wire ( td )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500 resistor
静电放电类型
电晕放电 火花放电 刷形放电
沿面放电
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。
电晕放电危害
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 高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费。
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。 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。
刷形放电
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。
capacitances / pF Human body
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 10 100 1000
distance above concrete floor / mm
人体电容与离地高度关系测量结果（Enoch-Shaw)
ESD 标准组织
ESDA (Electrostatic Discharge Association), AEC(Automotive Electronics Council), EIA/JEDEC (Electronic Industries Alliance /
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。
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。
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。 只有当绝缘体的表面电荷密度大于2.7×10-4 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2.7×105C/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。
电晕放电的利用
静电除尘 脱硫脱硝 静电喷涂
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。
RB 1000 I 0 I p ) ( IP
CB

RB 1000
结果：RB=87~190
CB=132~190pF
人体静电电容和放电电阻测量（ Kirk）
人体静电参数的测量
Enoch-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： ①把赤脚站在地面上高度为d的绝缘平台上的人 充电到200V; ②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； ③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。
t为鞋底的厚度，单位为cm。
人体静电参数的计算
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=4π ε 0r=0.55H (pF)

计算Cs时需把人体等效为形状较为规则的导体，如柱形、
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
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 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, (pF)
静电放电和静电放电模型
静电放电的特点 静电放电的类型 静电放电模型 静电放电模拟器
静电放电产生的辐射场
静电放电的特点
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。 静电放电是高电位，强电场，瞬时大电流的过 程。 静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲 （EMP）。
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500 resistor
IEC61340-3-1
HBM ESDS 元器件敏感度分类
敏感类别 0 1A 1B 1C 2 电压范围(V) <250 250~<500 500~<1000 1000~<2000 2000~<4000
MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96
短路电流波形 MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96
IEC61340-3-1
Methods for simulation of electrostatic effect Human body model (HBM) Component testing
MIL-STD-883E GJB128A-97 GJB548A-96 IEC61340-3-1
100
1500
<10ns
150
电子器件 分立器件 集成电路 电子器件
100
1500 2~10ns
150
The equivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF.
机器模型波形参数（IEC61340-3-2)
Level Equivalent IP1/A voltage (shorting) IPR /A (500) I100 /A (500,100ns)
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90～ 398pF之间，而100个不同的人两手之间的电阻 的平均值为4000。
人体静电参数的测量
1976年 Kirk等人分别用高压电源通过10M的电
阻把被测人体和C=270pF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。
Field Induced Model, or Direct Charge Model)
SDM (Socket Device Model, or Socketed
Discharge Model).
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, R＝1500 来模拟人体静电 参数。
A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.
A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.
人体模型（HBM）
标准 MIL-STD-1512 GJB736.11-90 电容 /pF 500 电阻 上升沿 时间常 数/ns /ns / 5000 2500 适用 范围 火工品
Joint Electron Device Engineering Council)
MIL-STD (US Military Standard). IEC (International Electrotechnical
Commission)
ESD 标准
HBM (Human Body Model) BMM(Body-Metal Model） MM (Machine Model) CDM(non-socketed Charged-Device Model,
3A
3B
4000~<8000
8000
Typical HBM Generated Failures
100X
2000X
Courtesy of JPL Scott M. Hull NASA/GSFC
机器模型（MM）
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。机器模型最初由日本人提出，试图产生 “最严酷”的人体静电放电事件，因此机器模 型也称日本模型。 机器模型的基本电路模型是，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。