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）。

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
高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费。

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。

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。

♦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2.7×10-5C/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。

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。

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。

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C
g
，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C
B =C
g
+C
s
，其中Cg
很容易被计算出：
Cg=ε
r
ε0A/t=0.0885εr A/t (pF)
其中ε
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。

人体静电参数的计算
♦计算C s 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：
C S =4πε0r =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360cm 2，鞋底
厚度t 为1cm ，鞋底的相对电容率εr =5，则C g =158pF 。

C B =C s +C g =253pF
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4000Ω。

♦1976年Kirk 等人分别用高压电源通过10M Ω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 Ω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
P p B I I I )
(1000R 0−=1000
C +=B B R τ结果：R B =87~190Ω
C B =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。

101001000
40
50
60
708090100110120130H u m a n b o d y c a p a c i t a n c e s / p F 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 / 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-socketedCharged-Device Model, 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＝1500Ω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 ）电子器件150
2~10ns 1500100IEC61340-3-1电子器件分立器件集成电路150<10ns 1500100MIL-STD-883E
GJB128A-97
GJB548A-96
火工品适用范围25005000500MIL-STD-1512
GJB736.11-90
时间常数/ns 上升沿/ns 电阻/ Ω电容/pF 标准
The equivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF.
MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96
短路电流波形MIL-STD-883E GBJ128A-97
IEC61340-3-1
Methods for simulation of electrostatic effect
Human body model (HBM)
Component testing
Typical current waveform through a shorting wire ( t r)
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a shorting wire ( t d )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500Ωresistor
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500Ωresistor
IEC61340-3-1
HBM ESDS 元器件敏感度分类敏感类别电压范围(V)
0<250
1A250~<500
1B500~<1000
1C1000~<2000
22000~<4000
3A4000~<8000
3B≥8000
机器模型（MM）
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。

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 500Ωresistor
IEC61340-3-2
机器模型波形参数（IEC61340-3-2)14(±15%)40040.29 (±15%)< I 100 *4.57.0(±15%)3003
3.5(±15%)2002
1.7(±15%)1001I 100 /A (500Ω,100ns)
I PR /A (500Ω)I P1/A
(shorting)
Equivalent voltage Level I p1短路放电波形峰值电流A
I PR 通过500Ω电阻放电波形的峰值电流
I 100通过500Ω电阻放电波形在100ns 时的电流值A
MM ESDS 元器件敏感度分类
敏感类别电压范围(V)
M1<100
M2100~<200
M3200~<400
M4>=400
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。

人体金属模型（BMM)
♦在人体--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“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。

人体金属模型标准
(车内) (车外)0.7～1<52000330ISO10605E
ISO10605E
0.7～1330150EN61000-2-4
水平耦合板
放电方式等
7处改进等同于IEC1000-4-2（1995）规定短路电流的四个参数说明0.7～1330150GB17626.2
0.7～1330150IEC61000-4-2（2001）0.7～1330150ECMA
0.7～1330150IEC1000-4-2（1995）
0.7～1330150IEC801-2(1991)
5ns ±30150150IEC801-2(1984)
上升沿/ns 电阻/ Ω电容/pF 标准
试验电压、电流参数
短路电流波形
Test set-up for table-top equipment, laboratory tests
An 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.
带电器件模型（CDM）
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。