第六章 静电放电建模与模拟

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静电理论与防护
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1.6 人体金属模型
人体静电放电过程
高 速 放 电
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,持续时间短,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。它造成的损伤往往是 软损伤或形成随机干扰。
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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
CB
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。
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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
C 其中, ,R ,L 分别为人体电 容,电阻及电感, ,R ,L C C ,R ,L 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。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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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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源自文库
1.4 传输脉冲模型
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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 R=15,L=0.2~0.4mH 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 由于家具带电时, 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 取
图6-14 NMOS ESD结构的TLP数据波形实例
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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。
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 C 电荷,因此, B 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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1.2 机械模型
最大峰值 电流 主脉冲 周期
二次峰值 电流
Im 是最大峰值电 I 流, p2是二次峰 I 值电流,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
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 电感的量值仅为零点几个 微亨,通常不考虑 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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电感
电容
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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
m
图6-7 MM ESD典型短路电流波形
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1.2 机械模型
最大峰值 电流 100ns 时的电流 值
IIPR是最大峰值电 流, 100 是100ns I 时的电流值。
PR
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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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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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。
人体金属模型
ESD家具模型 其他模型
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引言
静电放电是一个复杂多变 的随机过程 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。
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。
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 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.
容器通过一个1K欧的电阻对地放 200V,经过5秒的稳定后,用 电,并用电流探头和示波器采集 继电器把带电人体对电容器放电 1980年5月,美国海军司令部在广泛地研究,考查了电子行业中各种人体ESD 放电电流波形,通过比较人体和 ,经过计算可得当人体离地面的 模型之后,发布了DOD1686标准,规定了标准的人体ESD模型,用100pF的 电容器的放电电流的峰值来确定 高度超过一定值时,人体电容趋 电容器串联1.5千欧的电阻作为人体ESD模型。 美国ESD协会标准ESD 人体放电参数 STM5.1-1999以及国际电工委员会标准IEC61340-3-1不仅规定了标准人体模型 于最小值50pF 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 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。
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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低 速 放 电
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。
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1.6 人体金属模型
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 C ,R ,L C 电路的完整ESD模型。其中, B ,R B ,LB 分别是人体电容,电阻,电感, CHA ,R HA ,LHA 分别为手,前臂和小金属 物件的“自由电容”,电阻和电感, CV ,R V ,LV 分别为受害物的等效电 容,电阻,电感,CFV ,R A ,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。
第六章 静电放电建模与模拟
华南理工大学 常天海 2010年3月
LOGO
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
LOGO
静电放电的几种模型
人体模型 机械模型 带电器件模型 静电放电的模型 传输脉冲模型 场感应模型
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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 。
电容趋于最小值50pF
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1.1.3 标准人体模型
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 。
把人体看成孤立导体,对 自由空间的电容 C
S
Cg
容易计算得 Cg = r 0 A/t = 0.0885 r A/t (pF) 其中 为鞋底的相对电 r 容率A为鞋底的相对电 C =56 pF 容率t为鞋底的相对电 容率
s
Cs = 4 0 r = 0.55H (pF)
其中H为人体的高度 一般在计算C 时不管人 体的高度如何通常取等 C 效球的半径r=50cm, 这样得到 Cs =56pF
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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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1.2 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。
s
g
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1.1.3 标准人体模型
1976年科克等人分别用高圧电 科克等人确定人体放电参数为
者在测试中选取的人数不多,采用的测试 和C=2700PF的电容充电到某 方法也不同,特别是人体对绝缘程度不同, 依那与肖将赤脚站在离地面高度 测试结果也不同,所以不同的研究者得到 依那与肖经过计算可得当人体 一电压V,之后分别让人体和电 为d的绝缘平台上的人充电到 的人体参数相差很大。 离地面的高度超过一定值时,人体 由于人体个体差异较大,在加上许多研究 CB =132~190pF , R流通过10M欧的电阻把被测人体 B =87~190
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 参数R和C分 别为150欧和 150pF
标准中的 参数为
C B =150pF 10% R B =330 10% L B =0.04~0.2 H C HA =3~10pF R HA =20~200 L HA =0.05~0.2 H
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