静电防护指南(6)

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capacitances / pF Human body
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 10 100 1000
distance above concrete floor / mm
人体电容与离地高度关系测量结果（Enoch-Shaw)
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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。
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
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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）。
100
1500
<10ns
150
电子器件 分立器件 集成电路 电子器件
100
1500 2~10ns
150
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The equivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF.
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Field Induced Model, or Direct Charge Model)
SDM (Socket Device Model, or Socketed
Discharge Model).
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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。
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静电放电类型
电晕放电 火花放电 刷形放电
沿面放电
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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。
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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。
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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
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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。
t为鞋底的厚度，单位为cm。
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人体静电参数的计算
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=4π ε 0r=0.55H (pF)

计算Cs时需把人体等效为形状较为规则的导体，如柱形、
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
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。
RB 1000 I 0 I p ) ( IP
CB

RB 1000
结果：RB=87~190
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。
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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2.7×105C/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。
MIL-STD (US Military Standard). IEC (International Electrotechnical
Commission)
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ESD 标准
HBM (Human Body Model) BMM(Body-Metal Model） MM (Machine Model) CDM(non-socketed Charged-Device Model,
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人体模型（HBM）
标准 MIL-STD-1512 GJB736.11-90 电容 /pF 500 电阻 上升沿 时间常 数/ns /ns / 5000 2500 适用 范围 火工品
MIL-STD-883E GJB128A-97 GJB548A-96 IEC61340-3-1
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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。
IEC61340-3-1
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Typical current waveform through a 500 resistor
IEC61340-3-1
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Typical current waveform through a 500 resistor
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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。
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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
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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=0.0885r A/t 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, (pF)
ESD 标准组织
ESDA (Electrostatic Discharge Association), AEC(Automotive Electronics Council), EIA/JEDEC (Electronic Industries Alliance /
Joint Electron Device Engineering Council)
CB=132~190pF
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人体静电电容和放电电阻测量（ Kirk）
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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。
IEC61340-3-1
HBM ESDS 元器件敏感度分类
敏感类别 0 1A 1B 1C 2 电压范围(V) <250 250~<500 500~<1000 1000~<2000 2000~<4000
3A
3B
4000~<8000
8000
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机器模型（MM）
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。
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电晕放电的利用
静电除尘 脱硫脱硝 静电喷涂
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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。
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Typical current waveform through a shorting wire ( tr )
IEC61340-3-1
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Typical current waveform through a shorting wire ( td )
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A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.
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A real case of human-body-model (HBM) ESD stress on a packaged IC.
MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96
短路电流波形 MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96 北京中际赛威文化发展有限公司
IEC61340-3-1
Methods for simulation of electrostatic effect Human body model (HBM) Component testing