第六章静电放电建模与模拟

致欠阻尼振荡。对于2000Ｖ的放电，其电流波形上升R=时15间,L=0大.2~0.约4mH在1－8nS之间，
半周期（第一个峰值电流与第一个反相峰由值于电家流具之带间电）时在，10－18nS。放电能
产生非常大的电流。
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
Cs =56 pF
容率t为鞋底的相对电 容率
Cg
把人体看成孤立导体，对
自由空间的电容 CS
Cs = 40r = 0.55H (pF)
其中H为人体的高度 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=Cg 50cm, 这样得到 Cs =56pF
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除了考虑源的模 型之外，还必需 考虑受害物的等 效电路模型及其 与源的相互作用。
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1.6 人体金属模型
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
CV ,RV ,LV 分别为受害物的等效电 容，电阻，电感，CFV ,RA ,LA分别为
小金属与受害物之间的电容及火花通
道的电阻，电感，CHAV为人体，手，
前臂与受害物之间的电容。
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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
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1.1.3 标准人体模型
科克等人确定人体放电参数19为76年科克等人分别用高圧电 CB =132~190pF , R流B =8通7~过19010M欧的电阻由者于在把人测被体试测个中体选人差取体异的较 人大 数， 不在 多加 ，上 采许 用多 的研 测究 试 和依C=那2与7肖00将P赤F的脚电站方容在法充离也不电地同到面，某高特度别是人体对绝缘程度不同，
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1.2 机械模型
最大峰值 电流
100ns 时的电流
值
IIPPRR是最大峰值电 流，I100 是100ns
时的电流值。
图6-8通过500欧电阻放电的MM ESD典型短路电流波形
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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。
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
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1.1.2 人体电容的计算
人体电容 CB =Cg +Cs
人体的脚通过鞋底与地面构成
的平行板电容器的电容 Cg
容易计算得 Cg =r0A/t = 0.0885rA/t (pF) 其中 为r 鞋底的相对电 容率A为鞋底的相对电
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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（15－75Ω）， 串联电感大约在0.2-0.4mH, 因此这导
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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。
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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。
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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.
图6-17 IEC-801-2规定的放电电流波形
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1.6 人体金属模型
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其中，CB，RB，LB 分别为人体电 容分，别电为阻手C及，B，RB电前，LB感臂，及C手HA，持RH的A，L小HA 金属物件的电容，等效电阻 及电感。当放电电压分别为 2KV，KV。6KV，8KV时，用带宽 不小于1G的测量系统测出的 放电网络的放电电流波形与 标准中给出的参考波形吻合 。
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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。
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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。
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1.6 人体金属模型
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图中给出的包括人体-金属ESD源， 受害物等效电路及放电火花通道等效 电路的完整ECHSA，DRH模A，L型HA 。其中，CB,RB,LB 分别是人体电容，电阻，电感， CHA ,RHA ,LHA分别为手，前臂和小金属 物件的“自由电容”，电阻和电感，
双RLC
完整的ESD
放电电 容与人 体模型 的一样
仍取150pF， 而放电电阻比 人体的要小，
取500欧
标准中规定 模型为单RC 结构，放电Βιβλιοθήκη Baidu参数R和C分 别为150欧和
150pF
标准中的 参数为
CB =150pF 10% R B =330 10% LB =0.04～0.2H CHA =3～10pF R HA =20~200 LHA =0.05~0.2H
取
R=15,L=0.2~0.4mH
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1.7 ESD家具模型
电流初始 上升电时流间上升
时间
峰值电流
此图为该放电模型通过1M欧电阻 对接地竖直金IP 属板的中心放电时 ，用带宽为1G的测试系统得到的 放电电流波形。波形近似地呈衰
第六章 静电放电建模与模拟
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华南理工大学 常天海
2010年3月
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
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（一）静电放电的几种模型
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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
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1.1.1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。
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电阻
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
电感的量值仅为零点几个 微亨，通常不考虑
电容
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。
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1.1.3 标准人体模型
Ir为最大的振 图6-1人体静电放电模型荡电流峰-峰
值
tr为脉冲 上升时间
td为脉冲 衰减时间
图6－3 人体静电放电模型的短路电流波形
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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
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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
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1.4 传输脉冲模型
图6-14 NMOS ESD结构的TLP数据波形实例
依 离那地与面肖的经高过 度计超算过可一得定当值一人时为电体，d压人的体V绝，缘之平后台分上别测的的让试人人人结体充体果参也数电和不相到电同差，很所 大以 。不同的研究者得到 电容趋于最小值50pF 容2器0通0过V，一经个过1K5欧秒的的电稳阻定对后地，放用
电继，电并器用把电带流电探人头体和对示电波容器器采放集电 1模电9型 容80之器年后串5月，联，发1.美5布千国了欧海D的军O电D司放电1阻令6， 高容电8作部6度经器电标为在超过的流准人广过计放波，体泛一算电形规E地定可S电，定D研值得通流模了究当时的过型标，，人峰比。准考人体值较的美查体离来人人国了电地确体体E电容面定和SE子DS趋的协D行模会业型标中，准各用E种S1D人00体pFE的SD STM5.1-1999以及国际电人工于体委最放员小电会值参标5数0准pIFEC61340-3-1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
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引言
静电放电是一个复杂多变 的随机过程
产生静电放电的静 电源多种多样
同一种静电源对不同的物体放电 时产生的 结果不一样
受气候，环境等条件的影响
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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。
当带电体靠近受害体时，在某一时 刻间隙中的场强达到空气的击穿场 强，放电通道形成，而放电会引起 带电体电位的下降，间隙中的场强 也随之下降，下降到一定程度时火 花通道熄灭。而带电体再进一步接 近受害体时，间隙间距离减小，使 场强增大，当达到空气击穿场强时 ，便可导致火花通道的再次形成。
CB
若人体阻抗足够大时，当手，前臂 及金属体上的电荷放完后，火花通 道熄灭。此时 CB 上还存在大量的 电荷，因此，CB 又给 CFV, CHA ,CHAV 充电，导致火花通道的再次形成。 虽然重复放电使得人体所带的静电 能量被分批释放，但在一次放电过 程中包含多个不同电压水平的放电 ，形成脉冲串干扰，对受害物带来 很大的影响。
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1.3 带电器件模型
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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 。
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脉冲从峰值的10%上升 到峰值的90%所需要的 时间tr为脉冲上升时间， 一般为2~10ns；脉冲从 峰值下降到峰值的 36.8%所需要的时间td 为脉冲衰减时间，一般为 150±20ns；电流脉冲 波形中第一个波峰与第一 个波谷之间的差值Ir为最 大的振荡电流峰－峰值， 应该小于短路放电峰值电 流Ips的15％，且脉冲开 始100ns后应该观察不到 。
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1.2 机械模型
最大峰值 电流
主脉冲 周期
二次峰值 电流
图6-7 MM ESD典型短路电流波形
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Im 是最大峰值电 流，Ip2是二次峰 值I m电流，其值应 为对应 Ip1 绝对值 的67%～90% ，t pm是主脉冲周 期，应为 63ns~91ns,测 量取值为第一个 零点与第三个零 点的时间差。
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。
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1.6 人体金属模型
单RC模型
IEC8012标准