劉鵬宇，徐曉英，甘瑛潔，舒曉榕，張成銘

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

靜電放電ESD 具有高電位和大瞬時(shí)電流[1]，會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成損傷或干擾。 近年來(lái)，隨著微電子技術(shù)和器件工藝的迅猛發(fā)展，各種微電子器件的集成度大幅度提高，使得電子設(shè)備的電磁抗擾度降低且抗過(guò)壓能力下降。 ESD 嚴(yán)重威脅著現(xiàn)代信息化電子設(shè)備和武器系統(tǒng)，尤其對(duì)電子設(shè)備的潛在性失效威脅更為嚴(yán)重且難以預(yù)測(cè)[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(guò)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(cè)物體的速度等因素都會(huì)引起放電過(guò)程的顯著變化，因此該方式的放電重復(fù)性極差[4]。然而，空氣式ESD 是實(shí)際工程技術(shù)和生活環(huán)境中出現(xiàn)概率最大的放電現(xiàn)象，也是對(duì)電子器件和設(shè)備造成損傷或干擾的最主要方式之一，成為電子工業(yè)迫切需要解決的一個(gè)重要問(wèn)題[3-5]。 因此對(duì)空氣式ESD的試驗(yàn)研究及其規(guī)律的研究刻不容緩。

在前期，原青云、賀其元等人進(jìn)行了關(guān)于電流靶的空氣式ESD 試驗(yàn)[4，6]，但在實(shí)際ESD 抗擾度測(cè)試中，受測(cè)對(duì)象不是電流靶而是某一電子設(shè)備。 為了能夠使電流靶的空氣式ESD 與具體電子設(shè)備的空氣式ESD 的試驗(yàn)結(jié)果相互印證， 在相同環(huán)境、相同位置進(jìn)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(duì)地空氣式ESD 試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法

對(duì)地ESD 放電電流波形測(cè)量系統(tǒng)如圖1 所示。該系統(tǒng)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(cè)量系統(tǒng)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(jiān)測(cè)儀、導(dǎo)軌、鋁板3 部分組成。 ESD 模擬器由特制的夾具固定于導(dǎo)軌上，由空氣放電控制監(jiān)測(cè)儀控制上下移動(dòng)，速度0.05～0.5 m/s 可調(diào)。 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(biāo)準(zhǔn)ESD 抗擾度測(cè)試平臺(tái)上。 法拉第籠、示波器、鋁板接地。

試驗(yàn)前，校準(zhǔn)ESD 模擬器和電流鉗，環(huán)境濕度30%，溫度22°C。試驗(yàn)時(shí)，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(jìn)行對(duì)地空氣式ESD 試驗(yàn)，記錄放電電流波形的特征值并保存波形數(shù)據(jù)，每種試驗(yàn)條件重復(fù)6 次。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 放電電壓對(duì)空氣式ESD 的影響

試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，放電電極接近速度一定時(shí)，隨著放電電壓的增加，無(wú)論正極性還是負(fù)極性的放電，放電電流波形均發(fā)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(shí)，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(duì)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)[7]中，給出的ESD 模擬器接觸式放電電流波形的典型參數(shù)，放電電流峰值Ip與放電電壓成正比，上升時(shí)間tr為0.7～1 ns。 文獻(xiàn)[4，6]中對(duì)電流靶的空氣式ESD 實(shí)際測(cè)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(shí)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(shí)是極其明顯的。

對(duì)地空氣式ESD 試驗(yàn)中，±2，±4，±6 kV 放電電壓的放電電流峰值及變化趨勢(shì)與IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)一致，上升時(shí)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(shí)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(shí)，不同電壓放電的放電電流峰值和上升時(shí)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(shí)間Fig.4 Rise time of different discharge voltage

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，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(shí)間越小，如圖5 所示。

圖5 放電電流峰值與上升時(shí)間的關(guān)系Fig.5 Relationship between peak current and rise time

圖5為在同一試驗(yàn)條件下記錄不同放電電壓、極性的峰值放電電流與上升時(shí)間，接近速度0.3 m/s。試驗(yàn)條件改變時(shí)，放電電流峰值與上升時(shí)間同時(shí)發(fā)生變化：隨著放電電壓的升高，放電電流峰值變小的同時(shí)，上升時(shí)間增加。 在圖中表現(xiàn)為放電電流波形第一峰高度變小的同時(shí)變平緩， 在-8 kV 時(shí)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(shí)第一峰高度不斷變小，±12 kV 時(shí)第二峰的高度甚至超過(guò)了第一峰。

上升時(shí)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(xiàn)象，出現(xiàn)的原因是放電電壓較低時(shí)電弧長(zhǎng)度很短，而在放電電壓較高時(shí)電弧長(zhǎng)度較長(zhǎng)[2]。 放電電壓相同時(shí)，放電能量相同，當(dāng)電弧長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí)，上升時(shí)間會(huì)增加，能量在更長(zhǎng)時(shí)間釋放，則電流峰值減小。 同時(shí)，電暈也會(huì)造成部分能量的損耗，導(dǎo)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(duì)空氣式ESD 的影響

不同接近速度、不同放電電壓時(shí)放電電流峰值和上升時(shí)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(kāi)始，而放電電壓小于±8 kV 時(shí)，上升時(shí)間趨近相同，因此圖中僅列出±8，±10，±12 kV時(shí)的放電電流峰值和上升時(shí)間。

由圖6 可見(jiàn)，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(wú)關(guān)。 由圖7 可見(jiàn)，模擬器接近速度越大，上升時(shí)間越小，與放電電壓極性無(wú)關(guān)；隨著放電電壓的增大，上升時(shí)間隨之變大，在放電電壓極性為正時(shí)尤為明顯。 在接近速度為0.5 m/s 時(shí)，上升時(shí)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(shí)間平均值Fig.7 Rise time at different speeds

接近速度會(huì)影響到統(tǒng)計(jì)時(shí)間延遲，進(jìn)而影響到電弧長(zhǎng)度[4]。 放電電壓一定時(shí)，接近速度越快，在相同時(shí)間延遲內(nèi)電極移動(dòng)距離越長(zhǎng)， 電弧長(zhǎng)度越短，放電能量釋放越集中，則放電電流峰值越大，上升時(shí)間越快。

2.3 放電電流波形出現(xiàn)多次波形

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，放電電流波形出現(xiàn)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(shí)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(chǎn)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(shí)間軸前移，使各次波形處于同一起點(diǎn)。 模擬器接近速度為0.3 m/s，各圖中橫軸坐標(biāo)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(xiàn)。

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(shù)以及單次放電的多次波形之間時(shí)間間隔ti， 由于多次波形個(gè)數(shù)即使在試驗(yàn)條件完全相同時(shí)也不盡然相同，所以僅列出主波形與二次波形之間的時(shí)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(chǎn)生的完整放電電流波形的主波形與二次波形的時(shí)間間隔。 由圖可見(jiàn)，隨著模擬器接近速度的增加，主波形與二次波形之間的時(shí)間間隔減小。 圖10 結(jié)果表明，時(shí)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(shí)間間隔Fig.10 Time interval between the primary and secondary waveforms

對(duì)多次波形產(chǎn)生原因的分析是電容的充放電作用，即ESD 抗擾度試驗(yàn)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)，如圖11 所示。鋁板、水平參考平面、接地參考平面通過(guò)接地線構(gòu)成3層電容結(jié)構(gòu)，ESD 模擬器放電尖端攜帶靜電荷，鋁板、水平參考平面感應(yīng)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(gè)470 kΩ電阻，電荷傾泄較慢，反之對(duì)ESD 模擬器放電尖端產(chǎn)生感應(yīng)，使放電尖端再次攜帶靜電荷。與此同時(shí)，ESD模擬器在自動(dòng)速度控制器的控制下繼續(xù)向下移動(dòng)，直到放電尖端攜帶的靜電荷再次擊穿空氣對(duì)鋁板放電產(chǎn)生多次波形，這同時(shí)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(shí)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(shí)間與主波形相近，二次波形電流峰值達(dá)到13.8 A，可能對(duì)設(shè)備造成二次損傷或累積效應(yīng)。

圖11 靜電放電抗擾度試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.11 Structure of ESD immunity experimental platform

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)地空氣式ESD 試驗(yàn)中，±2，±4，±6 kV 放電電壓的放電電流峰值及變化趨勢(shì)與IEC 61000-4-2 標(biāo)準(zhǔn)一致，上升時(shí)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(shí)間隨放電電壓的增大而增大。 其原因?yàn)榉烹婋妷狠^高時(shí)，電弧長(zhǎng)度較長(zhǎng)，上升時(shí)間增加，能量在更長(zhǎng)時(shí)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(shí)間隨接近速度的增大而減小； 接近速度越快，在相同時(shí)間延遲內(nèi)電極移動(dòng)距離約長(zhǎng)， 電弧長(zhǎng)度越短，放電能量釋放越集中，則放電電流峰值越大，上升時(shí)間越快。

多次波形由于試驗(yàn)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的電容振蕩而產(chǎn)生。 多次波形的上升時(shí)間與主波形一致，其中二次波形的峰值可達(dá)13.8 A， 存在對(duì)電子設(shè)備造成二次損傷或累積效應(yīng)的可能。