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201003020221
认识ESD
ElectrostaticDischarge（静电放电）学科
ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生和衰减、静电放电模型、静电放电效
应和电磁效应（如电磁干扰）等的科学。
近年来随着科学技术的飞速发展,微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂,对静电放电的电磁场效应如电磁干扰（EMI）及电磁兼容性（EMC）问题越来越重视。
什么是静电（Electrostatic）
“静电放电：
具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移（GB/T4365-1995）”
ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。
半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD
静电就是静止的电荷。
静电的产生是由于电子在外力的作用下，从一个物体转移到另一个物体或者是受外界磁场的影响而产生的极化现象
一种电能，是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果。
物体表面过剩或不足的静止电荷。
留存于物体表面。
通过电子或离子的转移而形成。
工业上存在的静电现象是极其广泛的,因为静电放电会引起严重的危害。
静电的特点
高电位：
最高可达数万伏以至数十万伏
低电量：
毫微库仑（nc,10-9c）级别
作用时间短：
多为微秒（us,10-6s）级
静电放电波形的特点
在这个波形中，低频成分转移的电荷比高频成分多，但是高频成分会产生更强的场。
由试验得出的各个参数的范围如下：
Tr（上升时间）=200ps~700ps
Ts（尖峰宽度）=0.5ns~10ns
Tt（持续长度）=100ns~2us
不仅电流波形在时间特性上差异很大，而且幅度也会在1A~200A范围内变化。
正是由于不同条件下静电放电的特性差异性很大，因此电子设备
对静电放电的响应很难预测。
静电放电时间产生的能量很大，频率很高（高达5GHZ）
产生很高的放电电压，可以达到数十千伏
很高的di/dt，放电过程会产生较强的电磁场。
上升时间小于1ns，频谱范围非常宽，能量上限频率可以达到5GHz。
ESD脉冲所导致的辐射波长为几厘米到数百米，容易对电流路径上的天线产生激励，形成场的辐射发射。
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。
人体模型（HumanBodyModel,HBM）
人体放电模型是模拟人体因走动或其他因素而在人体上累积静电後，再去碰触到器件，人体上的静电便会经碰触的脚位而進入器件內，若器件有一端接地而形成放电路径时，便会经接地脚位放电。
此放电的过程会在短短数百毫微秒（ns）的时间內产生数安培的瞬间放电电流，进而将器件內的电路
烧毁。
对一般元件可耐受的HBM2kV來說，在2-10ns的時間內，瞬间电流峰值可达1.33A。
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=r0A/t=0.0885rA/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。
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er=5，则Cg=158pF。
CB=Cs+Cg=253pF
简化模型：
R1=1500ohmC1=100pF。
为了更好地测试ESD，我们需要ESDgenerators（也就是静电枪）。
以下分别是我的三个静电枪模型、仿真电流波形及其人体放电测试结果：
FIRST
ESDGUN:
第一种静电枪模型放电端口电流波形time:
0-100nsec
HBMHuman-Body-Model
第一种静电发生器对人体静电放电的仿真结果
SECONDESDGUN：
第二种静电发生器原理图
仿真波形
测试结果
THIRDESDGUN
第三种静电枪的模型
仿真结果对比标准：
符合！
HBMESD-GUN3
HBM
仿真结果
结束语：
目前人们研究静电放电现象,主要是利用电容放电模型即在金属电极上外加稳定电源产生放电,而并未详细地研究静电引起的放电,没考虑到实际的放电过程中电容、电阻、电感的数值也会随着放电
电压的变化而产生非线性的变化;
在一些存放危险品的货舱,电磁场、温度和湿度等因素也是影响静电放电的重要条件。
虽然电容器放电模型是目前广泛采用的模拟人体静电放电的试验方法,但在回路参数选择和放电波形等方面与实际的静电放电还存在一定的差异,并且由于只考虑某方面的因素而存在一定的隐患,尚有许多地方需要探索和研究。
参考文献：
[1]JayongKoo,QingCai,GiorgiMuchaidze,AndyMartwick,KaiWang,andDavidPommerenke,“Frequency-DomainMeasurementMethodfortheAnalysisofESDGeneratorsandCoupling”IEEETRANSACTIONSONELECTROMAGNETICCOMPATIBILITY,VOL.49,NO.3,AUGUST2007
[2]SpartacoCaniggia,Member,IEEE,andFrancescaromanaMaradei,”CircuitandNumericalModelingofElectrostaticDischargeGenerators”，IEEETRANSACTIONSONINDUSTRYAPPLICATIONS,VOL.42,NO.6,NOVEMBER/DECEMBER2006
[3]FedericoCentola,DavidPommerenke,WangKai,ThomasVanDoren
EMCLaboratory,UniversityofMissouri-RollaRolla,MO,USA
SpartacoCaniggiaITALTELSettimoMilanese”ESDExcitationModelforSusceptibilityStudy”
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