伏釗

摘要：靜電放電（ESD）發(fā)生時(shí)，放電參數(shù)受氣體壓強(qiáng)、物體移動(dòng)速度、溫度、濕度、氣體類型等多種原因而發(fā)生明顯變化。在ESD的測試中，靜電放電參數(shù)測試結(jié)果很難呈現(xiàn)低一致性。從理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)ESD參數(shù)的一致性進(jìn)行深入研究。在實(shí)驗(yàn)條件下，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)箱中濕度來觀察放電電流峰值的變化。對(duì)引起放電結(jié)果參數(shù)明顯差異性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：靜電放電;濕度;一致性

中圖分類號(hào)：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）09-0226-03

0 引言

關(guān)于靜電放電參數(shù)低重復(fù)特性相關(guān)的一些問題，已有一些文獻(xiàn)進(jìn)行過討論。在電子電器設(shè)備、科技試驗(yàn)、集成系統(tǒng)、日常生活出現(xiàn)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(tuán)隊(duì)已經(jīng)自主研制的多因素影響靜電放電參數(shù)測試系統(tǒng)，通過精巧的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，解決了電極向靶高速運(yùn)動(dòng)與避免造成儀器損壞這一國際電磁兼容靜電放電研究領(lǐng)域的難題[2-5]。在手機(jī)集成模塊、科學(xué)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(huì)擊穿這些電子設(shè)備中某一個(gè)模塊或者多個(gè)模塊，從而影響設(shè)備正常工作。在電子工業(yè)中，每年會(huì)因?yàn)榇罅考呻娐肥Щ驌p壞而造成巨大的經(jīng)濟(jì)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(fā)生時(shí)，放電間隙的電性質(zhì)具有低一致特性。一個(gè)物體觸碰另外一個(gè)物體速度、兩物體直接間隙、所處環(huán)境空氣壓強(qiáng)和當(dāng)時(shí)溫度和濕度等，這幾個(gè)參數(shù)將對(duì)放電結(jié)果有著很大影響。目前學(xué)術(shù)界對(duì)于兩者間移動(dòng)速度，放電間隙對(duì)于ESD參數(shù)影響的研究已日漸深入。但是關(guān)于環(huán)境濕度的對(duì)于放電參數(shù)影響仍有待商討[6]。而我們新型ESD測試系統(tǒng)為了完成環(huán)境濕度變化對(duì)參數(shù)的測試，完成對(duì)該參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測量。

1 新型ESD多因素效應(yīng)測試儀

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2制造的靜電放電發(fā)生器（俗稱放電槍），它是測試儀關(guān)鍵部分，真實(shí)情況重復(fù)性太低，而放電槍是對(duì)真實(shí)情況的進(jìn)行特定的模擬。

如圖1（a）和圖1（b）所示，給出了該新型設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。它的具體工作原理如下：

在測試儀內(nèi)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(huán)境因素變化，便于實(shí)驗(yàn)開展。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)一個(gè)0.8m的導(dǎo)軌，在上面配置放電槍，以便于放電槍能夠直線運(yùn)動(dòng)，通過一個(gè)功率較小直流電機(jī)來帶動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，電機(jī)與導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)軌跡友通過曲軸連桿來連接。

之前設(shè)計(jì)測試儀都是根據(jù)物理原理用一種圓周運(yùn)動(dòng)來代替直線運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)放電模擬測試，但畢竟不是真實(shí)直線運(yùn)動(dòng)，該測試儀為了解決這個(gè)問題，把運(yùn)動(dòng)軌跡設(shè)計(jì)成一種真實(shí)直線運(yùn)動(dòng)。

在測量時(shí)的五種參數(shù)范圍：

（1）電極運(yùn)動(dòng)速度可控（0-1.0）m/s;

（2）氣體壓強(qiáng)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(shí)驗(yàn)室條件下，用新型ESD測試系統(tǒng)進(jìn)行固定小間隙靜電放電的實(shí)驗(yàn)。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(yàn)箱內(nèi)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(dòng)速度下放電的峰值也應(yīng)該是一樣的。但是測試結(jié)果顯示每次放電產(chǎn)生的電流峰值有較大的波動(dòng)，這樣的結(jié)果表明空氣中的ESD會(huì)受到環(huán)境相對(duì)濕度的影響，也就是說，濕度是影響ESD參數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)。

3 濕度影響ESD結(jié)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(xué)中，絕對(duì)濕度用來體現(xiàn)對(duì)大氣濕度的物理量。在環(huán)境因?yàn)闇囟群蛪簭?qiáng)一定情況下，1個(gè)平方體積的氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量為絕對(duì)濕度，公式為，式中為待測混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量;V為待測混合氣體的總體積;為待測混合氣體的絕對(duì)濕度，其單位為以AH表示。目前，普遍使用相對(duì)濕度（RH）來表示濕度。所謂相對(duì)濕度是指氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度的百分比，即滿足關(guān)系：。

濕度對(duì)靜電放電的影響，主要體現(xiàn)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(zhì)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(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離，因而出現(xiàn)電暈放電。發(fā)生電暈放電時(shí)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(duì)穩(wěn)定的放電形式也可以是不均勻電場間隙早期發(fā)展階段擊穿過程中的。

最早對(duì)電暈放電做系統(tǒng)性研究的是美國工程師F.W.Peek。他在忽略濕度對(duì)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(shù)量關(guān)系：

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

上世紀(jì)80年代，中國電力科學(xué)研究院對(duì)氣壓與濕度影響電暈放電的原理進(jìn)行了研究，結(jié)論顯示，當(dāng)空氣的濕度低于65%時(shí)，電暈場強(qiáng)隨濕度增加略有增加;當(dāng)空氣的濕度在65%-80%范圍時(shí)，電暈場強(qiáng)隨濕度的增加而下降;當(dāng)空氣的濕度在30%-70%范圍時(shí)，電暈場強(qiáng)隨濕度的增加而明顯增加。場強(qiáng)變化將直接影響到放點(diǎn)弧長，從而影響放電電流。

在一定濕度情況下，電暈場強(qiáng)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(duì)濕度對(duì)靜電放電峰值電流影響比較明顯。目前新的集成電路設(shè)備要通過ESD的五項(xiàng)測試，即使都采用一樣的實(shí)驗(yàn)裝置，濕度不同將導(dǎo)致測試結(jié)果截然不同。在工期生產(chǎn)中，比如電路板車間就需要在一定的濕度車間生產(chǎn)。一般情況下，世需要佩戴靜電手環(huán)，但是在進(jìn)行ESD抗擾度測試時(shí)應(yīng)考慮濕度的影響。

4 結(jié)語

多種環(huán)境變量對(duì)非接觸靜電放電參數(shù)測量結(jié)果產(chǎn)生較低的共性，現(xiàn)有的電磁兼容測試體系中只對(duì)接觸式放電提出要求并未制定非接觸靜電放電測試的標(biāo)準(zhǔn)。為探索非接觸靜電放電受單一環(huán)境變量影響作用，所以基于新型測試儀進(jìn)行濕度影響（單一變量）放電結(jié)果實(shí)驗(yàn)分析。

參考文獻(xiàn)

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