静电放电(ESD).doc

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(ESDSimulator)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31。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95398PF，平均电容值为240，100次试验测得手与手之间的平均电阻为4000。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132190PF。人体电阻值为87190。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1.5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，除人体模型外，家具模型也是最为常见的模型。最早研究家具模型的是IBM公司的Calcayecchioi。 Maasii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（1575）， 串联电感大约在0.2-0.4mH, 因此这导致欠阻尼振荡。对于2000的放电，其电流波形上升时间大约在18nS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1018nS。放电能产生非常大的电流。 图320给出了当家具电容C=80pF, 放电电阻R=50,电感 L=0.3mH,放电电压 V0=2kV时数值计算的家具模型电流波形。从图3-20可见，家具模型波形为欠阻尼振荡波形，持续时间约为50nS。H, V0=2kVmC=80pF, R=50, L=0.3 数值计算家具模型电流波形（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（10）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（10）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321 C=200pF, R=5, L=0.3mH, V0=4kV时数值计算机器模型电流波形（LRC-15）机器模型电流波形见图321。 图3-21是电容为200PF, 电压为4kV， 回路电感为300nH时机器模型放电电流波形，其峰值电流达近百安培，持续时间为400nS。图322是电感为30nH，其它条件与图321相同时数值计算的机器模型放电电流波形，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。人体金属模型（场增强模型）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。Hyatti等人描述的这种模型电阻为350500，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。场增强模型电流波形见图3-23。带电器件CDM模型1974年Speakmani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。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3C，塑料包装上的电荷小于0.2C 。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。CD是器件对地电容，RD是芯片消耗瞬时能量呈显的电阻。LD是引线的电感。对地放电通路也包含相似的元件，如图3-24 ()所示。RP是通路对地的电阻，CP是对地电容，LP是对地的任何电感。在许多实际条件下，很小可忽略。由于RP很小或者足够大的CP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。电容耦合模型McAteeri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失效。这种模型的电路有几种形式：（）人体电容耦合模型，（）人体金属电容耦合模型，（）带电器件电容耦合模型（与场感应电容耦合模型相同）。（）机器模型电容耦模型。这几种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模型的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。其它ESD模型 在一些其它文献中还会见到一些其它的ESD模型,如ESD对半导体器件的潜在影响(Latent danage)基本的电荷注入/捕获模型、人体指尖模型（human body finger tip model）金属车模型(the metallic cart model)、金属车减幅振荡模型（metallic cart, ringing wave form model）等等，这些模型与以上分析讨论的模型有许多相似之处，在此不另专门讨论。 上述讨论的模型有重要的差异。尽管有重要差异这些模型间存在重叠和相似之处。理解这些差别和相同之处为分析、模拟试验、设计实验方法和防护制定规范、标准等都具有重要的意义。静电放电（）模拟器(Simulator)或叫静电放电发生器(ESD Generator) 因为的偶然性较大，为了便于研究，需要能较好地重复的装置。通常采用模拟器进行实验。1984年的IEC8012使用简单的RC模型，150电容串一个150欧姆电阻，其放电电流波形上升时间约为5ns。从前面的数值计算的结果可以推测，回路电感大约为L=Rt=1505nH=0.75。所以作者认为更准确地说, 这种模型是电路模型, 因为电路的上升时间为零。50幅度的持续时间为30ns, 峰值电流从2kV（电容器电压）的9A到15kV（电容器电压）的70。其它的一些机构也提出了类似的模型，电容从60-300pF, 放电电阻10-10,000。 国内外一些主要标准的模拟器目前只规定了人体模型的参数。其典型电路参数如表31所示。这些标准规定的参数相差较大，主要是起草标准时各机构对人体参数测量方法或标准的目的不相同所致。 由于以前测量仪器的性能低以及人们对研究不够深入, 较早期的一些标准对人体电容或人体放电电阻, 规定得较粗糙, 相差较大。近年来由于带宽大于1GHz的数字存储示波器的应用，大部分研究结果认为，通常人体静电电容为100PF300PF, 放电电阻约为几百欧姆，放电时间常数为几十纳秒。较新的标准或一些商业静电模拟器大部分采用电容为150PF串330电阻作为人体模型。表3-1 国内外典型ESD模型器参数机构电容（pF）电阻（）时间常数(ns)参考文献IEC 801-2 (第一次)15015022.5iIEC 801-2(第二次)15033049.5iiIEC 1000-4-215033049.5EN61000-2-415033049.5ECMA15033049.5iiiEIA10050050ivNEMA1001500150vMIL-STD 883B1001500150viDOD-HD BK2631001500150EIA6010000600 104SAE30050001500viiMIL-STD-151250050002500GJB73650050002500viii注: EIA (Electronics Industries Association) NEMA (National Electrical Manufacturers Association) IEC (International Electrotechnical Commission) ECMA (European Computer Manufacturs Association) SAE ( Society of Automotive Engineers)静电放电发生器的基本要求ESD Generator Specifications 一、标准静电放电试验是电子产品重要试验之一，国个在80年代就制定了相应的标准。较早的标准为IEC-International Electrotechnical Commission1984年发布的IEC801-2（已同名等效转化为我国标准GBT13926.2-92工业过程测量和控制装置的电磁兼容性 第2部分：静电放电要求），该标准规定该标准第l版中将试验严酷等级划分为1、2、3、4共四个等级，对应的试验电压分别为2、4、8、15kV。这标准现已废止。1995年该标准进行了全面修订，1997年改为IEC610004-2Electromagnetic compatibility (EMC) - Part 4: Testing and measurement techniques - Section 2: Electrostatic discharge immunity test. Basic EMC Publication（已同名等效转化为我国标准GB/T 17626.21998电磁兼容试验和测试技术静电放电抗扰度试验），目前该标准有效，也是目前国际上使用最为普遍的电子设备静电放电试验标准。这标准将试验分为五个严酷度等级，并按放电方式分别给出二个系列试验电压值，其中接触放电的电压相应为2、4、6、8、XkV。空间放电的电压系列为2、4、8、15和XkV。这里的X为一开放等级，由供需双方协商确定后写入产品规范。该标准与欧洲标准EN61000-4-2是完全相同的（EN-European Norms）。二、静电放电发生器的基本要求储能电容 (Cs+Cd)： 150 pF 10%放电电阻（Rd)： 330 欧姆 10%充电电阻(Rc)： 50M与100M欧姆之间输出电压：接触放电8kV(标称值），空气放电15kV(标称值）输出电压示值的容许偏差：5%输出电压极性正和负极性（可切换）保持时间：至少5s放电，操作方式：单次放电（连续放电之间的时间至少1s)，为了探测的目的，发生器能至少20次/秒的重复频率产生放电。放电电流波形：相关链接：静电放电发生器的研制过程静电是自然界中普遍存在的现象，当你行走、站起、操作设备等活动过程中都会产生静电，任何多种物质（固体、液体、气体）只要有接触与分离就会产生静电（静电是如何产生的？）。然而到处存在的静电是人眼看不见，用手摸不到，但对现代高速高集成的电子设备就是一个时时刻刻存在的恐怖分子，当你的电子设备出现故障时你可能还不知是静电造成的。因此欧洲与美国在20世纪90年代就制定了严格的强制标准和法规，对进入欧美市场的电子产品必须符合电磁兼容的要求，其中主要的一项就是静电放电检验，我国在90年代未也制定了电磁兼容的标准（基本上与国际标准一致）。现在可以说任何的电子产品必须符合静电放电的要求才能销售。对电子电气产品进行静电放电试验要用专门的静电放电发生器（又叫静电放电模拟器或叫静电放电枪或简称静电枪）。它主要由美国、欧洲和日本少数几个国家和地区厂家生产。这些静电放电发生器不但价格昂贵（一般每台为710万人民币），保修期只有1年而且在国内没有售后服务点，万一出现故障时又