[转帖]静电放电[连载

1.静电放电模型

　　要完全理解静电放电（ESD）事件，必须首先了解静电放电产生的原因。本章对静电放电进行详细的论述。为了使讲解更具体，以在地毯上行走的人接触电气设备为实例。本例中的设备是计算机的键盘（因为键盘是操作员最频繁接触的）。但一定要记住，这里介绍的静电放电过程适合于其它任何场合。
　　首先我们假设人体是不带电的，然后讨论人体充电的过程。当人在地毯上行走时，鞋跟会与地毯碰撞接触。这时，电荷会在地毯和鞋之间移动，具体移动方向取决于鞋子和地毯材料的分子结构。这通常称为摩擦充电。许多文献都给出了摩擦生电的排序表，说明什么物质可以从什么物质吸引电子。实际上，很难确定一个能够用实验重复的精确序列。有时人造织物会从橡胶吸引电子，而有时相反。这通常用物质表面不纯来解释。因此，在实际中很难预见鞋子是带正电还是负电。但有一点是肯定的，就是鞋子上会带电，而地毯上的脚印上会带相反的电荷。当人在地毯上行走时，鞋子上的电荷越来越多，直到鞋子存不下为止。
　　与充电过程相反的过程是回放电流。大部分回放电流流过鞋子和地毯，一小部分流过空气。较高的湿度会降低介质的电阻，增加回放电流。这意味着鞋子的充电会达到一个平衡点，在平衡点，充电电流等于回放电流。温度也会影响介质的电阻，但比湿度的影响小得多。
　　至此，我们仅讨论了鞋子和地毯这样一些绝缘介质。不要忘记，还有人体这样一个导体存在。鞋跟上的静电荷会产生一个静电场，在这个静电场的作用下，脚跟处会感应出极性相反的电荷，于是人体上的电荷要重新分布。人体组织，除了皮肤以外，是十分良好的导体，因此在人体的其它部分会产生与脚上电荷极性相反的电荷。例如，假设鞋跟从地毯吸引电子，地毯上留下了正电荷，鞋子上带负电荷，这些负电荷会将人体上的正电荷吸引到脚上，于是人体的其它部位剩下负电荷。人体上的电荷量取决于前面所述的回放电流。电压可以达到很高，甚至发生辉光放电。
　　辉光放电是空气电离的结果。空气电离是指当加在气体上的电场强度很高时，气体中的自由电子或离子将获得足够的能量，撞击其它原子和分子，产生更多的自由电子和离子，形成导电气体。只要外界的电场强度足够大，就能维持这一状态。
　　下面，再把实例中的键盘加入到讨论中。当人体接近键盘时，会在键盘上靠近人体（手臂）部位感应出相反的电荷。由于键盘是接地的，因此其充电过程是由电子在键盘内部的地线上流动而产生的（没有接地的设备是由电荷重新分布来抵消人体电荷的）。在本例中，由于人体带负电荷，因此键盘会通过地线失去电子而带正电荷。人体与键盘之间的距离越近，键盘上相反的电荷越多。键盘充电的速度与人体接近键盘的速度有关。但是即使接近速度很快，充电电流的上升速率也是很低的，因此，在放电发生之前形成的充电过程并不会对键盘的工作造成任何影响。
　　比充电更重要的一个因素是放电之前存在与人体和设备之间的静电场。这个电场会在设备上感应出不同的电压。设备上不同部位的电位差如果太大，会造成集成电路等器件的损坏（这意味着并不只有静电放电会带来危害）。
　　我们将本例中的人体和键盘用图1所示的模型来表示。

图1 人体和键盘静电放电系统的模型

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/CklV_1.jpg)

图中各参数的含义如下：
　　　C人体 = 人体和大地之间的电容
　　　R人体 = 人体的电阻
　　　L人体 = 人体的电感
　　　C臂 = 人手臂与大地之间的电容
　　　C臂键 = 人手臂与键盘之间的电容
　　　R臂 = 人手臂放电路径的电阻
　　　L臂 = 人手臂放电路径的电感
　　　C指 = 人手、手指与键盘之间的电容
　　　C键盘 = 键盘与大地之间的电容
　　　R键盘 = 键盘到大地路径的电阻
　　　L键盘 = 键盘到大地路径的电感

　　C指 、C臂键 与C键盘 之间的电阻和电感很小，因此没有包含在这个模型中。关于这个模型，需要强调以下5点：
　1) 虽然模型中用集总参数来描述，但是一定要清楚在实际中是分布参数。（在精确描述静电放电过程方面，传输线理论更适合）
　2) C人体 、C臂 和C键盘 通常称为自由空间电容，因为这两个电容元素（身体和地球）通常距离较远，接近自由空间的电容值。注意，这并不是不变的，当人体靠近大地时，人体的电容更大一些。
　3) 在C臂键盘 与键盘之间或 C臂 与C人体 与大地之间没有电感或电阻。这意味着在设计用来模拟这个模型的静电放电发生器时要非常仔细。甚至一根导线的电感也会严重影响结果。
　4) 这个模型中的设备是接地的。手持或袖珍设备中没有R键盘 和L键盘 。
　5) 虽然这个模型是针对人体-键盘模型提出的，但实际是非常通用的。通过改变L、R、C，可以作为其它静电放电现象的模型。

　　前面的模型完整地描述了静电放电事件中发生的充电过程。下面要讨论放电过程。当人的手指靠近键盘时，手指与键盘之间的场强会很强，导致空气击穿。这首先形成一个离子导电通路，然后形成电弧，这时开始了主要的放电过程。
　　虽然在电弧发生之前手指向键盘逼近的速度并不重要，但是在电弧发生期间手指逼近键盘的速度却非常重要。电弧形成所需要的时间远比电弧的持续时间长。由于在电弧形成过程中手指保持向键盘移动，因此快速移动时比慢速移动时形成的电弧间隙小（即使电压是相同的）。因此，对于快速移动，与电弧间隙的电压会很高。由于更快的电流上升速率和更大的幅度，因此会产生更强的静电放电。
　　对前面的模型稍微进行修改，就可以用来描述静电放电过程。如图2所示，基本模型保持不变，仅在电弧放电路径上与C指 并联了电阻和电感。R电弧 和L电弧 并不是常数，在电弧发生过程中是发生变化的。特别是R电弧 的值，开始时较大，随着空气电离程度的增加，越来越小。

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/ljtB_2.jpg)

图2包含了弧光的静电放电模型

　　这个模型虽然有一定的局限性，但是能够比较确切地描述静电放电的过程。当电弧形成时，首先使C指 放电。 R电弧 、L电弧 和C指 形成了一个阻尼震荡回路。阻尼特性取决于R 电弧 ，而回路的振荡频率取决于L电弧 和C指 。C指 的量值取决于手指和手的大小。较小的手和较细的手指具有较小的C指 ，而从理论上讲，较小的C指 具有较高的频率。但是，较细的手指也会在较低的电压形成辉光放电。辉光放电的发生会严重影响放电波形。在这个模型中，辉光放电的离子流可以看成将C指 、C臂键盘 和C臂 短路的旁路电阻。在电弧发生之前，离子流提供的旁路会对C指 充电。这意味着，放电波形中的高频成分会减少。因此，只有当辉光放电没有发生时，静电放电的最高频率才取决于R 电弧 、L电弧 和C指 的量值。
　　当CF 放电时，由C 键盘 、C臂 和C臂键盘 构成的并联网络也开始放电。但是，这个并联网络的放电电流不仅仅流过R 电弧 和L电弧 ，也流过R 臂 和L臂 。另外这个并联网络的电容大于C指 。这意味着C 臂 和C臂键盘 的放电比C指 单独放电要慢。对于C 人体 ，放电路径包括R人体 、L人体 、 R臂 、L臂 和L电弧 。另外，C人体 的放电路径还包含由R键盘 、L键盘 和C键盘 构成的并联网络。
　　需要指出的是，在C指 、C臂键盘 和C臂 的放电电流中，仅有很少一部分流过键盘的接地路径。并且，经过C人体 的放电电流中的任何高频成分都趋向流过C键盘 ，而不是键盘的地线。键盘地线中的电流仅限于C人体 放电电流中的低频成分。
　　R 、L 和C 的值决定了放电电流的波形。如前所述，C指 的放电电流会产生很高的频率。C臂 和C臂键盘 的放电产生较高的频率。最后，C人体 的放电产生较低的频率。电容放电不仅会产生上述频率范围内的电流，还会产生阻尼振荡。根据R 、L 和C 的具体数值，这种阻尼振荡可以是过阻尼，也可以是欠阻尼。不同的波形如图3~7所示。

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/pQ2B_3.jpg)

图3 极高频率

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/2rnK_4.jpg)

图4 高频

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/jbds_5.jpg)

图5 低频

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/qFsI_6.jpg)

图6 欠阻尼

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/zzMD_7.jpg)

图7 过阻尼

　　计算机仿真和实验都表明波形不是过阻尼就是阻尼很大的振荡，这取决于人体的具体位置和大小。典型放电的完整波形如图8所示（虚线表示有电晕放电影响时的波形）。

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/Konk_8.jpg)

图8 典型人体静电放电电流波形

　　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。 由实验得出的各个参数的范围如下：
　　　　Tr （上升时间） = 200ps至70ms
　　　　TS（尖峰宽度） = 0.5ns 至10ns
　　　　Tt （持续长度） = 100ns 至2(s

　　计算机模型计算结果表明，范围可能更宽。
　　不仅电流波形在时间特性上差异很大，而且幅度也回在1A至200A范围内变化（计算机模型计算的结果给出更宽的范围）。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。所幸的是，我们可以用统计的方法来处理这个问题。一定要记住的一个事实是，静电放电时间产生的能量很大，频率很高（高达5GHz）。另一个重要的事实是，C指 、C臂键盘 、C臂 、L臂 和R臂 对高频的产生有很大影响。过去使用的简单RC模型忽略了这一点。
　　图9是一个忽略了人体实际情况的简单RC模型。这个模型把问题简化得太厉害了，因此导致了许多不正确的结果。

!(http://www3.6sq.net/cdb/pic/HIzI_9.jpg)

图9静电放电的简单RC模型

　　以上对充电和放电过程进行了完整的讨论。但还有些事情需要说明。许多实验表明，在一个静电放电事件中，会发生多次放电。这些放电陆续减弱，间隔从10(s至200ms。导致这种多次放电的因素有2 ~ 3个。请再看一下模型，如果R人体 和L人体 的值较大，则即使C人体 上还有电荷，C臂 和C指 也会发生完全放电。当C臂 和C指 放电完毕时，电弧会熄灭。这时，C人体 会对C臂 和CF 充电，直到空气再次被击穿。结果再次发生电弧，C臂 和CF 开始放电。这个过程一直持续下去，直到C人体 上的电荷放净。C人体 上的电荷主要集中在脚跟处，在脚底表面也会分布一些。因此，R人体 包含了皮肤电阻，其阻值是较大的。但这只能解释多次放电之间的间隔为(s级的现象，更长的间隔则说不通。放电间隔要大于200ms，R人体 和L人体 的就必须很大。人体似乎达不到这样高的数值。因此造成更长间隔的放电的原因可能有两个，一个是鞋跟的介质吸收效应。我们可以将鞋跟看成一个RC网络，其电阻很大。这个RC网络向人体提供电荷。
　　另一个原因是可能是因为人体向键盘移动。如前所述，当没有足够的能量维持电弧通路时，电弧会熄灭。直到手指距离键盘更近时，电弧才会再次发生。这时电弧间隙较小，激发电弧所需要的能量也较低。
　　如果确实存在对C臂 和C指 的再次充电，那么即使没有多次放电，充电也会发生。这种再充电（会导致多次放电）会影响电子设备。如果人体再充电，设备（本例中为键盘）肯定也再充电。由于再充电电流的上升时间在(s数量级（甚至更慢），因此大部分电流会经过设备的接地路径，而不是C键盘 （C键盘至通常在数十pf数量级）。对于(s数量级的快速再充电，流过地线的电流会对设备的工作产生一定的影响，构成与静电放电相关的频率较低的噪声源。无论如何，当人体初始电荷较高时，多次放电更容易发生。多次放电的现象可以解释另一个许多实验员观察到的现象。这就是，较高电压的静电放电和较低电压的静电放电都比中等电压的静电放电造成的问题严重。之所以会这样，是因为快上升时间和高尖峰信号才是造成问题的主要原因。电压较低时，辉光放电的作用很小，因此上升时间会很快，峰值电流也很大。中等电压时，有辉光放电发生，这使上升时间增加，并减小了峰值电流。电压较高时，虽然也会有辉光放电发生，但是会发生多次放电。在每个多次放电序列中，会有一个以上的低电压放电，这会导致快速上升时间和高峰值电流，产生严重的问题。