5[1].放电和静电放电模型

null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 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 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 ）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 （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 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 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。null人体静电参数的计算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=r0A/t=0.0885r A/t (pF) 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, t为鞋底的厚度，单位为cm。 人体静电参数的计算人体静电参数的计算计算Cs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： CS=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 人体静电参数的测量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。结果：RB=87~190 CB=132~190pFnull人体静电电容和放电电阻测量（ Kirk）人体静电参数的测量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。null人体电容与离地高度关系测量结果（Enoch-Shaw)ESD 标准组织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)nullHBM (Human Body Model) BMM(Body-Metal Model） MM (Machine Model) CDM(non-socketed Charged-Device Model, Field Induced Model, or Direct Charge Model) SDM (Socket Device Model, or Socketed Discharge Model).ESD 标准人体模型（HBM）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。nullnullA real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.nullA real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.null人体模型（HBM）人体模型（HBM）nullThe equivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF. nullMIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96null短路电流波形 MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96IEC61340-3-1IEC61340-3-1Methods for simulation of electrostatic effect Human body model (HBM) Component testingnullTypical current waveform through a shorting wire ( tr )IEC61340-3-1nullTypical current waveform through a shorting wire ( td )IEC61340-3-1nullTypical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-1nullTypical current waveform through a 500 resistorIEC61340-3-1nullHBM ESDS 元器件敏感度分类 Typical HBM Generated FailuresTypical HBM Generated Failures2000X100XCourtesy of JPLScott M. Hull NASA/GSFCnull 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。 机器模型（MM）null机器模型电路原理图机器模型电路原理图null(IEC61340-3-2)nullTypical current waveform through a shorting wire IEC61340-3-2nullTypical current waveform through a 500 resistor IEC61340-3-2机器模型波形参数（IEC61340-3-2)机器模型波形参数（IEC61340-3-2)Ip1短路放电波形峰值电流 A IPR通过500电阻放电波形的峰值电流 I100通过500电阻放电波形在100ns时的电流值 A nullMM ESDS 元器件敏感度分类 Typical MM ESD Stress FailureTypical MM ESD Stress FailureScott M. Hull NASA/GSFC人体金属模型（BMM)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)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。人体金属模型标准人体金属模型标准null试验电压、电流参数null短路电流波形nullTest set-up for table-top equipment, laboratory testsnullAn 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.null 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。 带电器件模型（CDM） nullnull 将ESDS DUT放置于经高压源充电的充电板上，然后通过放电头放电。充电有两种方式，直接充电和场感应充电。右图所示为直接充电方式，通过直接接触对DUT充电，充电时必须注意不能损坏IC件。左图所示为场感应充电方式，很多测试标准推荐采用这种方法，其是通过电场感应对DUT进行充电，这样避免了充电过程中可能损坏器件的事情发生。 CDM ESD测试模型nullCharge Device Model CircuitsCharge Device Model CircuitsRdLdCdSw1RcDevice with One Point DischargeDevice with Multiple Discharge PathsCd1Cd2CdnRc = Resistance to Ground. Rd, Ld, Cd = Resistance, Inductance & Capacitance In the Discharge Path. DUTDUTTypical CDM generated failures Typical CDM generated failures 4600x8600xCourtesy of JPLCourtesy of JPLTypical CDM Generated FailureTypical CDM Generated FailureCourtesy of Frederick Felt GSFC Part Analysis Lab. ESD event (~1 KV) shown at arrow after parallel Polishingnull CDM ESDS 元器件敏感度分类 家俱模型 家俱模型 家俱静电放电指的是在计算机房或实验室内那些易于移动的家俱，如椅子、小的仪器搬运车等，由于摩擦或感应带电后对其它仪器设备产生的放电过程。 对于家俱ESD的研究最早是在IBM公司进行的。该公司为了加强其产品的防ESD能力，他们分别对三种形式的静电放电进行了研究，即人体ESD、人体--金属ESD和家俱ESD。通过研究与比较，他们认为在同等的放电电位下，家俱ESD产生的放电电流的峰值要比另外两种形式的ESD产生的电流峰值要大，因此其造成的危害也就比较严重。 常用家俱的电容值 常用家俱的电容值 家俱模型家俱模型家俱放电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R=15，L=0.2~0.4mH。 同等带电电位水平下，家俱放电产生的放电电流峰值要比人体--金属的要大，而电流的初始上升时间tr1却与人体--金属的相当。因此在同等带电电位下，它形成的危害要比人体--金属放电形成的危害要大。 人体--金属的带电电位通常比家俱的高，其产生ESD的几率比家俱的大，因此现行的ESD测试标准中，仅在ECMN和ANSI发布的标准中同时采用了人体--金属模型和家俱模型。而IEC及CISPR等组织发布的ESD测试标准，只采用了人体--金属模型。 场感应模型 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，这一静电放电过程被称为场感应静电放电。 场感应模型场感应模型场感应模型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。因此严格地来说应把它称为“场感应失效模型”。与它类似的其它一些ESD失效模型还有悬浮器件失效模型、电容耦合失效模型及瞬态感应失效模型等等。 Transmission Line Pulse (TLP)Transmission Line Pulse (TLP)Used By IC Designers since 1985 to evaluate ESD protection schemes. Simulates HBM with very short pulses. Allows non-destructive & latch-up issues testing. Provides better results on a controlled simulation of the SDM.TLP Design MethodologiesTLP Design MethodologiesCurrent Source Time Domain Reflectometer Time Domain Transmission Time Domain Reflection and Transmission Current Source TLPCurrent Source TLPANSI/ESD SP5.5.1-2004Time Domain Reflectometer TLPTime Domain Reflectometer TLPANSI/ESD SP5.5.1-2004Time Domain Transmission TLPTime Domain Transmission TLPANSI/ESD SP5.5.1-2004TDR&T TLPTDR&T TLPANSI/ESD SP5.5.1-2004SummarySummaryModels establish Benchmarks for ESD Sensitivity. Different Models are used under different environments. Models provide help to prevent and analyze ESD FailuresWhere to Get More InformationWhere to Get More InformationWEB searches under “ESD Models” ESDA publications Consulting services provide Advice on tough ESD problems and Solutions. 静电放电模拟器 静电放电模拟器 尽管静电放电源的电气模型非常简单，但是要制做出既能反映出真实ESD过程的主要特点，又要具有很高的放电重复性的静电放电模拟器是一件非常复杂的工作。一般的ESD模拟器都是利用集总参数电路实现其功能。但是ESD本身是一个瞬变过程，涉及到频率超过1GHz的高频成分，因此在模拟器中集总器件的布置、寄生参数以及接地线与放电电阻的几何尺寸、形状都会对放电波形产生严重的影响。 静电放电模拟器 静电放电模拟器 在ESD模拟器中有静电高压发生器，又有控制和测量部分的低压电路，所以为了保证放电电流波形满足一定的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 。在 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 、制做ESD模拟器时，首先必须解决其本身的电磁兼容性问题。 在用ESD模拟器对静电敏感器件或系统进行检测时，如采用的放电方式不同，要求的模拟器的结构及放电电极的形状也不相同。 静电放电敏感度测试时放电方式静电放电敏感度测试时放电方式空气放电方式 接触放电方式空气放电方式 空气放电方式 用ESD模拟器对被测物体进行测试时，使模拟器的放电电极逐渐接近被测物体，直到电极和被测物体之间形成火花击穿通道导致放电发生为止。空气放电方式的特点是放电由外部空气击穿形成火花通道而触发的，因此在设计ESD模拟器时不需要内部的高压继电器来触发放电。另外，在采用此种放电方式时，为了减小电极的电晕效应，放电电极的顶端一般都被作成球状。空气放电方式 空气放电方式 优点：能真实地模拟实际中的静电放电过程。 缺点：放电重复性极差。 由于空气放电方式涉及到外部火花通道的形成过程，温度、湿度以及模拟器放电电极接近被测物体的速度等因素都会引起放电过程的显著变化。 随着放电电极接近被测物体速度的变化，放电电流的上升时间可由小于1ns变化到大于20ns。 而当保持接近速度恒定时也不能得到恒定的电流上升时间，在一定的电压、速度组合下，模拟器的放电电流的上升时间的起伏仍可达到30%以上。 采用固定放电电极与被测物体之间的间距，逐渐增高放电电极的电位来引发ESD。得到的上升时间比实际的ESD过程中的放电电流的上升时间要长的多。接触放电方式 接触放电方式 将ESD模拟器的放电电极与被测物体的敏感部分保持紧密的金属接触，之后由模拟器内部的高压继电器触发静电放电。接触放电方式与空气放电方式相比最大的不同就是用内部高压继电器触发装置替代了空气放电方式中难以驾驭的空气击穿过程。其放电的重复性很好，也能反映实际ESD过程的主要特点。 接触放电方式 接触放电方式 现行的主要ESD检测标准，如IEC61340-3-1、ECMA/40等都把这种放电方式作为主要的试验方法，为了紧密的金属接触，放电电极的顶端应作成锥尖状。 不足： 当被测设备的敏感部分被封装在非金属材料制成的壳内，而壳上的孔缝很小，放电电极不能进入壳内与敏感部分形成紧密的金属接触时，这种放电方式便不能实施。在这种情况下，仍需采用空气放电方式。 产生的辐射场与实际空气击穿产生的辐射场有一定差别 有时，各厂家产生的模拟器的试验结果不一致。nullNSG435 ESD 模拟器是由瑞士SCHAFFNER公司制造的多功能ESD模拟器。由于采用集总参数放电网络及内部电池供电，NSG435 ESD 模拟器体积小，易于移动便于测试。NSG435NSG435NSG435基本网络：150pF、330Ω（BMM）。 150pF、15Ω的家俱模型 180pF、330Ω 美国国家标准ANSI-C63.16(1991版)所规定的的人体--金属模型放电网络ESS-200AX ESS-200AX ESS-200AX ESD模拟器是日本的Noiseken 公司产品。 最高放电电压可达30kV，这种模拟器不仅能满足IEC标准的要求，同时也能满足ISO/SAE标准（用于汽车工业，要求ESD放电电压应达到25kV）及其它一些标准的要求，使模拟器的使用范围得到了很大的扩展。 nullESD3000ESD3000ESD3000EMC PARTNER offers a new hand-held ESD test system for contact discharge (CD) up to 30 kV and air discharge (AD) up to 32 kV。nullnull静电放电模拟器电流波形校验静电放电模拟器电流波形校验EESD模拟器必须进行定期波形校验，以满足标准的要求。静电放电模拟器电流波形校验装置由电流靶、同轴衰减器、高频同轴电缆、数值存储示波器（1GHz带宽，5GS/s采样速率）、屏蔽笼，接地线、电源（滤波器）等组成。静电放电模拟器电流波形校验静电放电模拟器电流波形校验null