對地空氣式靜電放電特性試驗

劉鵬宇，徐曉英，甘瑛潔，舒曉榕，張成銘

（1.武漢理工大學 理學院，武漢430070；2.ESDEMC 科技有限公司，密蘇里 羅拉65401，美國）

靜電放電ESD 具有高電位和大瞬時電流[1]，會對電子設備造成損傷或干擾。 近年來，隨著微電子技術和器件工藝的迅猛發展，各種微電子器件的集成度大幅度提高，使得電子設備的電磁抗擾度降低且抗過壓能力下降。 ESD 嚴重威脅著現代信息化電子設備和武器系統，尤其對電子設備的潛在性失效威脅更為嚴重且難以預測[2-3]。

ESD 可分為2 類，電流注入放電和空氣擊穿放電[1]。由于空氣式ESD 涉及到外部火花通道的形成過程，溫度、濕度、放電電壓的大小與極性、模擬器放電電極接近被測物體的速度等因素都會引起放電過程的顯著變化，因此該方式的放電重復性極差[4]。然而，空氣式ESD 是實際工程技術和生活環境中出現概率最大的放電現象，也是對電子器件和設備造成損傷或干擾的最主要方式之一，成為電子工業迫切需要解決的一個重要問題[3-5]。 因此對空氣式ESD的試驗研究及其規律的研究刻不容緩。

在前期，原青云、賀其元等人進行了關于電流靶的空氣式ESD 試驗[4，6]，但在實際ESD 抗擾度測試中，受測對象不是電流靶而是某一電子設備。 為了能夠使電流靶的空氣式ESD 與具體電子設備的空氣式ESD 的試驗結果相互印證， 在相同環境、相同位置進行了不同放電電壓、不同極性、不同放電電極接近速度等條件下對地空氣式ESD 試驗研究。

1 試驗裝置與試驗方法

對地ESD 放電電流波形測量系統如圖1 所示。該系統包括ESD 模擬器、1 GHz 帶寬F65 電流鉗、ESD 空氣式靜電放電速度控制器、采樣率5 GS/s 和帶寬2 GHz 的示波器、20 dB 衰減器、法拉第籠。

圖1 測量系統示意圖Fig.1 Schematic diagram of measuring system

空氣式ESD 速度控制器由空氣放電控制監測儀、導軌、鋁板3 部分組成。 ESD 模擬器由特制的夾具固定于導軌上，由空氣放電控制監測儀控制上下移動，速度0.05～0.5 m/s 可調。 F65 電流鉗置于ESD模擬器夾具之中，位于ESD 模擬器放電尖端處。 鋁板放置在標準ESD 抗擾度測試平臺上。 法拉第籠、示波器、鋁板接地。

試驗前，校準ESD 模擬器和電流鉗，環境濕度30%，溫度22°C。試驗時，ESD 模擬器選擇人體金屬模型和空氣式放電模式， 在不同放電電壓水平、放電極性（±2，±4，±6，±8，±10，±12 kV）以及不同放電電極接近速度（0.1，0.3，0.5 m/s）的條件下，分別進行對地空氣式ESD 試驗，記錄放電電流波形的特征值并保存波形數據，每種試驗條件重復6 次。

2 試驗結果與分析

2.1 放電電壓對空氣式ESD 的影響

試驗研究發現，放電電極接近速度一定時，隨著放電電壓的增加，無論正極性還是負極性的放電，放電電流波形均發生極大變化，如圖2 所示。圖2 為模擬器接近速度為0.3 m/s 時，不同放電電壓U 的放電電流波形主波形。 圖2a 和圖2c 為放電的完整主波形，圖2b 和圖2d 為對應主波形第一峰的放大圖。

圖2 不同放電電壓的放電電流波形Fig.2 Discharge current waveform of different discharge voltage

IEC 61000-4-2 標準[7]中，給出的ESD 模擬器接觸式放電電流波形的典型參數，放電電流峰值Ip與放電電壓成正比，上升時間tr為0.7～1 ns。 文獻[4，6]中對電流靶的空氣式ESD 實際測量值表明：放電電流峰值大小在±20 kV 以下大體上隨放電電壓線性增加，與接觸式放電情況一致；上升時間隨放電電壓的增加而增加，但呈非線性，即電流波形的前沿逐漸變得平坦，這在±12 kV 及以下放電電壓時是極其明顯的。

對地空氣式ESD 試驗中，±2，±4，±6 kV 放電電壓的放電電流峰值及變化趨勢與IEC 61000-4-2 標準一致，上升時間趨近相同；但在±8，±10，±12 kV，放電電流峰值隨放電電壓的增大而減小，上升時間隨放電電壓的增大而增大，如圖3 和圖4 所示。 圖3，圖4 分別為模擬器接近速度為0.3 m/s 時，不同電壓放電的放電電流峰值和上升時間。

圖3 不同放電電壓的放電電流峰值Fig.3 Peak discharge current of different discharge voltage

圖4 不同放電電壓的上升時間Fig.4 Rise time of different discharge voltage

試驗發現，在相同放電電壓、極性和相同模擬器接近速度條件下，放電電流峰值越大，上升時間越小，如圖5 所示。

圖5 放電電流峰值與上升時間的關系Fig.5 Relationship between peak current and rise time

圖5為在同一試驗條件下記錄不同放電電壓、極性的峰值放電電流與上升時間，接近速度0.3 m/s。試驗條件改變時，放電電流峰值與上升時間同時發生變化：隨著放電電壓的升高，放電電流峰值變小的同時，上升時間增加。 在圖中表現為放電電流波形第一峰高度變小的同時變平緩， 在-8 kV 時尤為明顯，第二峰高度隨放電電壓增加不斷增大；而在8，10，12 kV 時第一峰高度不斷變小，±12 kV 時第二峰的高度甚至超過了第一峰。

上升時間隨放電電壓的增加而增加，但呈非線性， 即放電電流波形前沿逐漸變得平坦的現象，出現的原因是放電電壓較低時電弧長度很短，而在放電電壓較高時電弧長度較長[2]。 放電電壓相同時，放電能量相同，當電弧長度較長時，上升時間會增加，能量在更長時間釋放，則電流峰值減小。 同時，電暈也會造成部分能量的損耗，導致放電電流波形總能量減少，電流峰值隨之減小。

2.2 接近速度對空氣式ESD 的影響

不同接近速度、不同放電電壓時放電電流峰值和上升時間分別如圖6，圖7 所示。由于放電電流峰值的異變從±8 kV 開始，而放電電壓小于±8 kV 時，上升時間趨近相同，因此圖中僅列出±8，±10，±12 kV時的放電電流峰值和上升時間。

由圖6 可見，模擬器接近速度越大，放電電流峰值越大，與放電電壓極性無關。 由圖7 可見，模擬器接近速度越大，上升時間越小，與放電電壓極性無關；隨著放電電壓的增大，上升時間隨之變大，在放電電壓極性為正時尤為明顯。 在接近速度為0.5 m/s 時，上升時間變化極其微小。

圖6 不同接近速度的放電電流峰值Fig.6 Peak discharge current at different speeds

圖7 不同接近速度的上升時間平均值Fig.7 Rise time at different speeds

接近速度會影響到統計時間延遲，進而影響到電弧長度[4]。 放電電壓一定時，接近速度越快，在相同時間延遲內電極移動距離越長， 電弧長度越短，放電能量釋放越集中，則放電電流峰值越大，上升時間越快。

2.3 放電電流波形出現多次波形

試驗發現，放電電流波形出現了二次、三次甚至四次波形。 放電電壓為-12 kV，接近速度為0.3 m/s時完整的放電電流波形如圖8 所示。

圖8 完整的放電電流波形Fig.8 Whole discharge current waveform

不同放電電壓、不同極性單次放電下產生的完整放電電流波形如圖9 所示。 為方便制圖與觀察，將多次波形的時間軸前移，使各次波形處于同一起點。 模擬器接近速度為0.3 m/s，各圖中橫軸坐標的范圍相同，縱軸分度不同，大小不能直接比較。 由圖9 可知，多次波形分別在+2 kV 和-8 kV 初次顯現。

圖9 完整的放電電流波形Fig.9 Whole discharge current waveform

記錄多次波形參數以及單次放電的多次波形之間時間間隔ti， 由于多次波形個數即使在試驗條件完全相同時也不盡然相同，所以僅列出主波形與二次波形之間的時間間隔，如圖10 所示。

圖10 為不同放電電壓、 不同極性單次放電產生的完整放電電流波形的主波形與二次波形的時間間隔。 由圖可見，隨著模擬器接近速度的增加，主波形與二次波形之間的時間間隔減小。 圖10 結果表明，時間間隔隨放電電壓的增大而增大，隨接近速度的增大而增大。

圖10 主波形與二次波形之間的時間間隔Fig.10 Time interval between the primary and secondary waveforms

對多次波形產生原因的分析是電容的充放電作用，即ESD 抗擾度試驗平臺的結構，如圖11 所示。鋁板、水平參考平面、接地參考平面通過接地線構成3層電容結構，ESD 模擬器放電尖端攜帶靜電荷，鋁板、水平參考平面感應出靜電荷，放電尖端擊穿空氣放電后，由于水平參考平面與大地之間連接2 個470 kΩ電阻，電荷傾泄較慢，反之對ESD 模擬器放電尖端產生感應，使放電尖端再次攜帶靜電荷。與此同時，ESD模擬器在自動速度控制器的控制下繼續向下移動，直到放電尖端攜帶的靜電荷再次擊穿空氣對鋁板放電產生多次波形，這同時也解釋了隨著模擬器接近速度的增加，主波形與二次波形之間的時間間隔減小。 如圖8 和圖9 所示，二次波形的形狀與主波形一致，上升時間與主波形相近，二次波形電流峰值達到13.8 A，可能對設備造成二次損傷或累積效應。

圖11 靜電放電抗擾度試驗平臺結構Fig.11 Structure of ESD immunity experimental platform

3 結語

對地空氣式ESD 試驗中，±2，±4，±6 kV 放電電壓的放電電流峰值及變化趨勢與IEC 61000-4-2 標準一致，上升時間趨于相同；但在±8，±10，±12 kV，放電電流峰值隨放電電壓的增大而減小，上升時間隨放電電壓的增大而增大。 其原因為放電電壓較高時，電弧長度較長，上升時間增加，能量在更長時間釋放，電流峰值減小。

放電電流峰值隨接近速度的增大而增大，上升時間隨接近速度的增大而減小； 接近速度越快，在相同時間延遲內電極移動距離約長， 電弧長度越短，放電能量釋放越集中，則放電電流峰值越大，上升時間越快。

多次波形由于試驗平臺結構的電容振蕩而產生。 多次波形的上升時間與主波形一致，其中二次波形的峰值可達13.8 A， 存在對電子設備造成二次損傷或累積效應的可能。