静电放电(ESD)

静电放电（ESD）

1. 静电放电模型

为了定量地研究静电放电问题，必须建立ＥＳＤ模型。人体静电是引起静电危害如火炸药和电火工品发生意外爆炸或静电损坏的最主要和最经常的因素，因此国内外对防静电放电控制要求都是以防人体静电为主，并建立了人体模型（Human Body Model - HBM），HMB是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。除人体模型外，还有很多其它静电放电模型。

人体模型(HBM)

家具ESD模型

机器模型(MM)

人体金属ＥＳＤ模型

带电器件CDM模型

其它静电放电模型

2. 静电放电模拟器(ESD Simulator)或静电放电发生器(ESD Generator)

静电放电发生器的基本要求

静电放电发生器的选用

静电放电发生器的研制过程

EST802静电放电发生器

我人体模型(HBM)

人体静电是引起火炸药和电火工品发生意外爆炸的最主要和最经常的因素，因此国内外对电火工品的防静电危害要求都是以防人体静电为主，并建立了人体模型（Human Body Model - HBM），HMB是ESD模型中建立最早和最主要的模型之一。

人体能贮存一定的电荷，所以人体明显地存在电容。人体也有电阻，这电阻依赖于人体肌肉的弹性、水份、接触电阻等因素。大部分研究人员认为电容器串一电阻是较为合理的电气模型,见图3－1。过去有许多研究试图确定典型人体的这些参数的适当取值。通常把电容器串联一电阻作为人体模型。早在1962年，美国国家矿务局[ ]测得22人次人体电容范围为95～398PF，平均电容值为240，100次试验测得手与手之间的平均电阻为4000Ω。这些数据为建立了人体模型起了一个好的开端，做过一些修改之后，用在电子工业中建立早期的模拟电路。Kirk等[ ]人测得人体电容值的范围为132－190PF。人体电阻值为87－190Ω。为了求得一致，美国海军[ ]1980年提出了一个电容值为100PF，电阻为1.5ｋΩ的所谓“标准人体模型”。这一标准得到广泛采用，但在后来也遇到一些问题。

国电压最高电压(120kV)的静电放电模拟器研制成功 2001-06-30

家具ESD模型

在人们的生活和生产过程中，除人体ＥＳＤ模型外，家具ＥＳＤ模型也是最为常见的ＥＳＤ模型。最早研究家具模型的是IBM公司的Calcayecchio[[i]]。Maas[[ii]]等人还把家具模型与人体/手指模型和手/金属模型进行了比较。家具模型是代表与地绝缘的金属椅子、手推车、工具箱等家具ＥＳＤ的放电模型。早期的主要研究是测量典型家具的电容和放电电流。其电容大约在几十至135PF 左右。家具放电的主要特点是低的阻抗（15－75Ω），串联电感大约在0.2-0.4μH, 因此这导致欠阻尼振荡。对于2000Ｖ的放电，其电流波形上升时间大约在1－8nS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10－18nS。放电能产生非常大的电流。

图3－20给出了当家具电容C=80pF, 放电电阻R=50Ω,电感 L=0.3μH,放电电压 V0=2kV时数值计算的家具模型ＥＳＤ电流波形。从图3-20可见，家具模型ＥＳＤ波形为欠阻尼振荡波形，持续时间约为50nS。

H, V0=2kV C=80pF, R=50Ω, L=0.3

数值计算家具模型ＥＳＤ电流波形（LRC-14）

机器模型(MM)

机器模型因在日本得到广泛应用，也叫日本模型。与家具模型不同的是它主要由200pf电容串非常低的电阻（<10Ω）代替通常串联的电阻构成。机器模型的典型代表如带电绝缘的机器人手臂、车辆、绝缘导体等。机器模型放电的波形与预料的家具模型波形相似，不同的是带电电容较大。典型的机器模型对小电阻（＜10Ω）放电的波形, 峰值电流可达几百安培，持续时间（决定于放电通路的电感）为几百纳秒。

图3－21 C=200pF, R=5Ω, L=0.3 H, V0=4kV时

数值计算机器模型ＥＳＤ电流波形（LRC-15）

机器ＥＳＤ模型电流波形见图3－21。图3-21是电容为200PF, 电压为4kV，回路电感为300nH时机器ＥＳＤ模型放电电流波形，其峰值电流达近百安培，持续时间为400nS。图3－22是电感为30nH，其它条件与图3－21相同时数值计算的机器ＥＳＤ模型放电电流波形，其电流峰值近240安培，持续时间约为40nS。

比较这两数值计算的结果可知，当电感从300nH减为30nH，而电容、电压、电阻不变时，电流峰值从近百安增加到约250安。持续时间由400nS减为40ns左右。对于机器模型，电感越小，电流峰值越大，持续时间越短。

人体金属ＥＳＤ模型（场增强ＥＳＤ模型）

场增强模型或人体金属模型是用来描述人体通过手握金属工具如镊子等的放电模型。由于静电场集中在工具的最尖处，所以有效放电电阻减小。Hyatt[[i]]等人描述的这种模型电阻为350Ω～500Ω，电容与人体模型的电容相等。由于时间常数正比于电阻，其主要的区别在于这种模型的低电阻引起的放电电流上升和下降时间较快。场增强ＥＳＤ模型电流波形见图3-23。

带电器件CDM模型

1974年Speakman[[i]]提出了因器件本身积累静电而迅速放电造成元件,如一个集成电路损坏的可能性。这类失效从此称为带电器件失效模型。例如从非防静电的包装袋内取出集成电路并把它放在导电平面时发生的ＥＳＤ。由于带电器件模型在装配与测试中成为主要的失效模型，所以这种模型在1980年进行了许多论述。试验结果表明，通过模拟双列式封装（DIP）管的处理产生的摩擦起电导致大部分静电积累在引线上。管脚上电荷的典型值为3ｎC，塑料包装上的电荷

小于0.2ｎC 。这表明大部分电荷就象在导体上一样可以移动。通常情况下，器件为集成电路、混合器件或其它对地有电容的组件。带电器件模型如图3-24

(a)所示。C

D 是器件对地电容，R

D

是芯片消耗瞬时能量呈显的电阻。L

D

是引线的

电感。对地放电通路也包含相似的元件，如图3-24 (ｂ)所示。R

P

是通路对地

的电阻，C

P 是对地电容，L

P

是对地的任何电感。在许多实际条件下，很小可忽

略。由于R

P 很小或者足够大的C

P

使得通路对地阻抗很低。其放电上升时间小于

1nS, 持续时间小于10纳秒

场感应ＥＳＤ模型

器件、组件或绝缘导体上因静电场感应会造成ESD损坏。放电后留在敏感部件上极性相反的电荷在离开外电场后又有可能存在放电的双重危险。即当这部件在以后接地时存在着第二次ESD事件的可能性。要注意的是所谓的场感应模型除电场的作用之外，还必须有放电才能造成危害。所以“场感应／放电”这个术语更能准确地描述这种模型。

电容耦合ＥＳＤ模型

McAteer［[i]］描述了几个与前述所有模型不同的失效模型—电容耦合模型（CCM）。这种模型以电容耦合的带电源到敏感器件节点的ＥＳＤ失效。这种模型的电路有几种形式：（ａ）人体电容耦合模型，（ｂ）人体金属电容耦合模型，（ｃ）带电器件电容耦合模型（与场感应电容耦合模型相同）。（ｄ）机器模型电容耦模型。这几种ＣＣＭ的重要性是当通过器件的通路不明显时就能使器件失效的微妙方式。应该注意的是CCM放电不是简单地由于分布电容的存在而发生。只有当通路包含敏感元件时，放电才发生。事实上，电容在直流时呈现出无限的阻抗而随着频率升高时阻抗减小。

悬浮器件ＥＳＤ模型

有时人们会在参考文献中遇到悬浮器件模型。这种模型已用在含器件处在不接地（即悬浮）中研究ESD试验方法。通常这模型简单地描述为悬浮器件受到人体模型冲击。理论上，这器件对地有无限的阻抗。实际上，悬浮器件对地有分布电容，分布电容的大小决定于模型中许多未定的参数。悬浮器件模型认为是ＥＳＤ模型的ＣＣＭ附属模型中微不足道的例子。仅在分布电容确定后才值得考虑。

瞬时感应ＥＳＤ模型

瞬态如火花放电或其它带电体放电能引起如计算机的数字系统短暂干扰。特别是微处理器易受干扰。这种模型实验上与静电电磁辐射模型类似，代表了一种严重的问题。在后面要专们讨论有关静电电磁辐射模型。