非接觸靜電放電的濕度影響分析

伏釗

摘要：靜電放電（ESD）發生時，放電參數受氣體壓強、物體移動速度、溫度、濕度、氣體類型等多種原因而發生明顯變化。在ESD的測試中，靜電放電參數測試結果很難呈現低一致性。從理論上和實驗上對ESD參數的一致性進行深入研究。在實驗條件下，通過調節實驗箱中濕度來觀察放電電流峰值的變化。對引起放電結果參數明顯差異性進行分析。

關鍵詞：靜電放電;濕度;一致性

中圖分類號：O441 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0226-03

0 引言

關于靜電放電參數低重復特性相關的一些問題，已有一些文獻進行過討論。在電子電器設備、科技試驗、集成系統、日常生活出現的靜電放電過程，很多情況下有氣體參與放電存在[1]。我們研究團隊已經自主研制的多因素影響靜電放電參數測試系統，通過精巧的機電一體化設計，解決了電極向靶高速運動與避免造成儀器損壞這一國際電磁兼容靜電放電研究領域的難題[2-5]。在手機集成模塊、科學研究軍事武器飛行器以及生活中，靜電隨處可見，靜電放電（ESD）將會擊穿這些電子設備中某一個模塊或者多個模塊，從而影響設備正常工作。在電子工業中，每年會因為大量集成電路失效或損壞而造成巨大的經濟損失。而靜電放電引起集成電路失效或損壞，占了全部三分之一的比例。靜電放電發生時，放電間隙的電性質具有低一致特性。一個物體觸碰另外一個物體速度、兩物體直接間隙、所處環境空氣壓強和當時溫度和濕度等，這幾個參數將對放電結果有著很大影響。目前學術界對于兩者間移動速度，放電間隙對于ESD參數影響的研究已日漸深入。但是關于環境濕度的對于放電參數影響仍有待商討[6]。而我們新型ESD測試系統為了完成環境濕度變化對參數的測試，完成對該參數的實驗室測量。

1 新型ESD多因素效應測試儀

根據國際標準IEC61000-4-2制造的靜電放電發生器（俗稱放電槍），它是測試儀關鍵部分，真實情況重復性太低，而放電槍是對真實情況的進行特定的模擬。

如圖1（a）和圖1（b）所示，給出了該新型設備結構圖。它的具體工作原理如下：

在測試儀內裝有攝像頭、溫度濕度傳感顯示裝置和氣壓表，用來觀察在環境因素變化，便于實驗開展。根據機械結構來設計一個0.8m的導軌，在上面配置放電槍，以便于放電槍能夠直線運動，通過一個功率較小直流電機來帶動導軌運動，電機與導軌運動軌跡友通過曲軸連桿來連接。

之前設計測試儀都是根據物理原理用一種圓周運動來代替直線運動實現放電模擬測試，但畢竟不是真實直線運動，該測試儀為了解決這個問題，把運動軌跡設計成一種真實直線運動。

在測量時的五種參數范圍：

（1）電極運動速度可控（0-1.0）m/s;

（2）氣體壓強可控，1atm-1/20atm;

（3）溫度可以控制;

（4）濕度可以控制;

（5）氣體種類可以改變。

2 濕度引起放電電流峰值變化

在實驗室條件下，用新型ESD測試系統進行固定小間隙靜電放電的實驗。在正常大氣壓情況下，放電電壓為固定值1kV，分別測得速度為0.2m/s和速度0.6m/s情況下，只改變試驗箱內濕度，獲得下面波形如圖2所示。

理論上講，帶電電壓是相同，在相同移動速度下放電的峰值也應該是一樣的。但是測試結果顯示每次放電產生的電流峰值有較大的波動，這樣的結果表明空氣中的ESD會受到環境相對濕度的影響，也就是說，濕度是影響ESD參數的一個重要參數。

3 濕度影響ESD結果的分析

大氣中含有水分的多少直接影響大氣的干濕程度。在物理學中，絕對濕度用來體現對大氣濕度的物理量。在環境因為溫度和壓強一定情況下，1個平方體積的氣體中所含水蒸氣的質量為絕對濕度，公式為，式中為待測混合氣體中所含水蒸氣的質量;V為待測混合氣體的總體積;為待測混合氣體的絕對濕度，其單位為以AH表示。目前，普遍使用相對濕度（RH）來表示濕度。所謂相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達到飽和狀態的絕對濕度的百分比，即滿足關系：。

濕度對靜電放電的影響，主要體現在周圍存在著氣體情況下的電暈放電過程。電暈放電是指氣體介質在不均勻電場中的局部自持放電，它是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強度超過氣體的電離場強，使氣體發生電離，因而出現電暈放電。發生電暈放電時在電極周圍可以看到光亮 ，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對穩定的放電形式也可以是不均勻電場間隙早期發展階段擊穿過程中的。

最早對電暈放電做系統性研究的是美國工程師F.W.Peek。他在忽略濕度對放電過程影響的前提下，提出了著名的Peek公式，用來描述放電電場與其影響因素之間的數量關系：

其中H為空氣的相對濕度，和K為相應的常數，其值由所加電壓的特性決定，為周圍的空氣密度。

上世紀80年代，中國電力科學研究院對氣壓與濕度影響電暈放電的原理進行了研究，結論顯示，當空氣的濕度低于65%時，電暈場強隨濕度增加略有增加;當空氣的濕度在65%-80%范圍時，電暈場強隨濕度的增加而下降;當空氣的濕度在30%-70%范圍時，電暈場強隨濕度的增加而明顯增加。場強變化將直接影響到放點弧長，從而影響放電電流。

在一定濕度情況下，電暈場強隨濕度的升高而減小，主要是由于密閉空氣中水分子分布不均。從圖2（a）和圖2（b）中，可以看出空氣相對濕度對靜電放電峰值電流影響比較明顯。目前新的集成電路設備要通過ESD的五項測試，即使都采用一樣的實驗裝置，濕度不同將導致測試結果截然不同。在工期生產中，比如電路板車間就需要在一定的濕度車間生產。一般情況下，世需要佩戴靜電手環，但是在進行ESD抗擾度測試時應考慮濕度的影響。

4 結語

多種環境變量對非接觸靜電放電參數測量結果產生較低的共性，現有的電磁兼容測試體系中只對接觸式放電提出要求并未制定非接觸靜電放電測試的標準。為探索非接觸靜電放電受單一環境變量影響作用，所以基于新型測試儀進行濕度影響（單一變量）放電結果實驗分析。

參考文獻

[1] GB/T 17626.2-2006，電磁兼容試驗和測量技術靜電放電抗擾度試驗[S].

[2] 阮方鳴，孫曉平，楊向東，等.電極移動速度效應檢測儀系統的研究[J].環境技術，2014（z2）：22-25.

[3] 阮方鳴，章俊華，陳輝林，等.非接觸靜電放電測試低重復特性分析研究[J].電波科學學報，2014，29（5）：940-944+1007.

[4] 阮方鳴，龔博翔，俞亞堃，等.靜放電多因素影響參數測試系統溫濕度控制的設計[J].環境技術，2014（z2）：91-94+102.

[5] 劉瀟瀟，阮方鳴.空氣濕度對靜電放電參數低重復性的影響分析[J].中國新技術新產品，2014（19）：51-52.

[6] 原青云，孫永衛，張希軍，等.接近速度和相對濕度對靜電放電強度的影響[J].軍械工程學院學報，2011，23（4）：30-34.