第六章 静电放电建模与模拟
5.放电和静电放电模型
机器模型电路原理图
(IEC61340-3-2)
Typical current waveform through a shorting wire IEC61340-3-2
Typical current waveform through a 500 resistor IEC61340-3-2
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。
Typical current waveform through a shorting wire ( tr )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a shorting wire ( td )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500 resistor
静电放电类型
电晕放电 火花放电 刷形放电
沿面放电
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。
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。
模拟法描绘静电场
03
模拟法描绘静电场的方法
电极板法
总结词
通过将电荷施加到平行板电极上 ，观察电极间电场分布的方法。
详细描述
首先将电荷均匀分布在平行板电 极上，然后通过测量电场力或电 势差来计算电场强度。这种方法 适用于计算均匀电场的分布。
电容器法
总结词
通过改变电容器的电容值，观察电场分布变化的方法。
详细描述
在电容器中插入不同介电常数的介质，改变电容器的电容值，从而改变电场分 布。通过测量电容值和电场力或电势差，可以计算出电场强度。这种方法适用 于计算非均匀电场的分布。
电场线描绘法
总结词
通过描绘电场线来直观表示电场分布 的方法。
详细描述
在静电场中放置导电物质，观察导电 物质上的电荷分布，从而描绘出电场 线的走向。这种方法可以直观地表示 出电场的强弱和方向，适用于定性分 析电场分布。
04
模拟法描绘静电场的实验操
作
实验准备
01
02
03
准备实验器材
包括电场模拟仪、电源、 导线、电极等。
模拟法的优缺点
优点
模拟法可以模拟复杂系统的行为，提供直观的图形化结果，有助于深入理解系统 的内在机制。此外，通过调整模型参数，可以方便地研究不同条件下的系统行为 ，有助于优化设计方案。
缺点
模拟法需要建立数学模型，这需要一定的理论知识和经验。同时，由于计算机数 值计算的局限性，模拟结果可能存在误差或近似性。此外，对于大规模复杂系统 的模拟，计算量可能非常大，需要高性能计算机和长时间计算。
静电场的电场强度与电势之间存 在一定的关系，可以通过测量电
势差来间接测量电场强度。
静电场的产生与影响
静电场的产生是由于电荷的分离和重新组合，例 如摩擦起电、感应起电等。
静电放电的基本模型
静电放电的基本模型静电放电是指发生在两个物体之间的电流放电现象，是一种非常普遍的现象。
在许多日常生活中，比如在干燥的天气中摇动电毯，会发出明亮的闪光;在穿着塑料鞋的人走动一段距离后，再触摸金属物品时，会出现明显的火花现象。
这些现象正是产生了静电放电现象。
静电放电是由于两个物体之间电荷不对称引起的，本文将介绍静电放电的基本模型。
静电放电的基本模型被称为带电物体对相邻物体的影响，这种模型可以协助我们了解为什么一些物体易于积累电荷，并在另一些物体上产生静电现象。
在这种现象中，带电物体和另一个物体（有时称为地面）之间会形成电荷的累积。
当电荷积累到一定程度时，就会产生电弧放电并生成火花。
静电放电是一种由相对比较高电压的放电引起的，两个物体之间的距离和电荷大小对产生静电放电是有影响的。
小的静电放电可以看作是一个电子从一个物体上离开，并在另一个物体上产生一个电子(openai)。
而大量的静电放电则是由于大量的电子跃入和跃出。
这些静电电子通常形成一个电流环，并在带电物体和地面之间形成电弧放电。
静电放电的基本模型是带电物体和相邻物体之间相互作用的结果。
当一个物体携带电荷时，它会带有电场。
离带电物体很近的物体会感受到电场并充分受到其影响。
如果物体的大小和形状是合适的，那么电场会从物体的一个部分向另一个部分移动，并在两个部分之间产生电压梯度。
当电压梯度增加到某个阈值时，就会发生弧形放电，这时由于大量的电子被激发，并形成一个电流环，从而在两个物体之间形成电弧放电。
这种电弧放电产生了大量的热量和光能，并在物体上产生了明亮的火花。
总之，静电放电的基本模型是由带电物体与相邻物体之间的相互作用产生的，它可以用于解释不同形状，大小和材料的物体产生不同的电荷，并在相邻物体上产生静电现象的原因。
当电荷足够大时，静电放电就会发生并产生大量的热量和光能。
了解静电放电的基本原理，将有助于我们更好地预防和管理这种现象。
第六章静电场4汇总
R1
V1 E0 dl
R2 R1
E1
dl
R3 R2
E1
dl
求: 此系统的电荷、电场分布 和电势分布以及 球与 球壳间
的电势差; 如果用导线将球壳 和球连接, 又如何？
q2 R1 R2 q3
q1 R3
解: 电荷分布:
设球壳内、外表面电量为 q2 、q3 。
球体外表面: q1 球壳内表面: q2 q1
齐鲁工业大学 理学院
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第六章 静电场
球壳外表面: q3 q q2 q q1
S
在导体内任取一包围内表面的高斯面S,
静电平衡时, 高斯面上的电场强度处处为零,
由高斯定理
E dS
1
S
0
qi 0
i
净电荷为零。
问题: 在空腔内表面的不同部位是否还会有等
量异号的电荷分布?
齐鲁工业大学 理学院
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第六章 静电场
(2) 腔内有带电体
在静电平衡下, 电荷分布在导体内、外两 个表面, 其中内表面的电荷是空腔内带电体的 感应电荷, 与腔内带电体的电荷等量异号。
电场分布: 作高斯面 S1 、S2 、 S3 和 S4
由高斯定理
s
E
ds
q
0
得 E1 0
r R1
E2
q1
4πor 2
R1 r R2
S4
q2 S3 RS11 R2 q3
S2 q1 R3
E3 0
R2 r R3
E4
q1 q
4πor 2
r R3
齐鲁工业大学 理学院
17
第六章 静电场
电势分布: r R1
或导体上任意两点间的电势差为零： b
静电放电和静电放电模型
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）。
静电放电类型♦电晕放电♦火花放电♦刷形放电♦沿面放电静电放电的类型♦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。
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。
电晕放电的利用♦静电除尘♦脱硫脱硝♦静电喷涂静电火花放电（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。
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。
静电放电最常用的三种模型及其防护设计
静电放电（ESD）最常用的三种模型及其防护设计ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握?ESD?的相关知识。
为了定量表征 ESD 特性，一般将 ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。
：Human Body?，人体模型：该模型表征人体带电件放电，Rb 为等效人体，Cb 为等效人体。
等效电路如下图。
图中同时给出了器件 HBM 模型的 ESD 等级。
?ESD人体模型等效电路图及其ESD等级：Machine Model，机器模型：机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是?，等效电阻为 0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取 200pF。
由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。
?ESD机器模型等效电路图及其ESD等级：Charged??Model，件模型：半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。
它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它(如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。
器件本身作为的一个极板而存贮电荷。
CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：?ESD充电器件模型等效电路图及其ESD等级器件的 ESD 等级一般按以上三种模型测试，大部分 ESD 敏感器件手册上都有器件的ESD数据，一般给出的是 HBM 和 MM。
通过器件的 ESD 数据可以了解器件的 ESD 特性，但要注意，器件的每个管脚的 ESD 特性差异较大，某些管脚的 ESD 电压会特别低，一般来说，高速端口，高阻输入端口，模拟端口 ESD电压会比较低。
ESD 防护是一项系统工程，需要各个环节实施全面的控制。
静电放电类型和静电放电模型 ppt课件
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电晕放电
从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕 是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈 现出非均匀的丝状。一般来讲，正电晕的起晕电 压要比负电晕的起晕电压高。
第2讲 静电放电和静电放电模型
静电放电及其特点 静电放电的类型 静电放电模型 静电放电模拟器 静电放电电流波形的校验
PPT课件
1
一、静电放电的定义
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。
通常把偶然产生的静电放电称为ESD事件。 在实际情况中，产生ESD事件往往是物体上 积累了一定的静电电荷，对地静电电位较高。 带有静电电荷的物体通常被称为静电源，它 在ESD过程中的作用是至关重要的 。
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+ --
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A
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电晕放电机制
当极间电压升 高到某一特定值Vc 时，尖端附近的场 强开始超过空气的 击穿场强，在尖端 附近形成了电子雪 崩，极间电流迅速 增大。但是这一过 程仅在尖端附近才 能维持，而极间其 它地方由于场强较 小不能维持这一过 程。
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+
A
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电晕放电机制
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二、静电放电的特点
会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲
在ESD过程中会产生上升时间极快、持 续时间极短的初始大电流脉冲，并产生强烈 的 电 磁 辐 射 形 成 静 电 放 电 电 磁 脉 冲 （ ESD EMP），它的电磁能量往往会引起电子系统 中敏感部件的损坏、翻转，使某些装置中的 电火工品误爆，造成事故。目前ESD EMP已 受到人们的普遍重视，作为近场危害源，许
实验六模拟法测绘静电场
实验六模拟法测绘静电场实验六模拟法测绘静电场一、实验目的1.了解用模拟法测绘静电场分布的原理；2.用模拟法测绘静电场的分布，做出等势线和电场线。
二、实验仪器静电场描绘仪、电极、静电场描绘仪电源、水槽（导电纸）、数字电压表、连接导线等。
仪器介绍静电场描绘仪由电极架、电极（DZ-型3种导电纸电极）、同步探针等组成，还有配套的静电场描绘仪电源。
1.静电场描绘仪静电场描绘仪示意图见图34-1，仪器下层用于放置水槽导电纸电极，上层用于安放坐标纸，是测量探针，用于在水中或导电纸上测量等势点，是记录探针，可将在水中或导电纸上测得的各电势点同步地记录在坐标纸上（打出印迹）。
由于、是固定在同一探针架上的，所以两者绘出的图形完全相同。
2.电极电极的外形如图34-2所示：其中为同轴圆柱面电极，为平行导线电极，为聚焦电极，为平行板电极，为点与平板电极。
3.同步探针同步探针由装在探针座上的两根同样长短的弹性簧片末端的两根细而圆滑的钢针组成，如图34-3所示。
下探针深入水槽的水中或导电纸上，用来探测水中电流场或导电纸上电场各处的电势数值，上探针略向上翘起，两探针通过金属探针臂固定在同一手柄上，两探针始终保持在同一铅垂线上，移动手柄座时，可保证上下两个探针的运动轨迹是一样的。
当探针座在电极架下层右边的平板上自由移动时，下探针探出等势点后，用手指轻轻按下上探针上的按钮，上探针针尖就在坐标纸上打出相应的等势点。
4.静电场描绘电源（1）技术指标①适用电源:；②输出稳压电压：（-12型）；（-10型）；③最大输出电流：0.5；④交流数字电压表最大量程：；数字电压表最大量程：；内阻：⑤适用环境：温度，相对湿度。
（2）使用操作①开机前，先将“测量、输出”转换开关拨向“输出”。
②按实验要求连接好电路，检查无误后打开电源开关。
③调节输出电压到预设制后，转换开关拨向“测量”进行测量，实验结束时，再将转换开关拨回“输出”后关闭电源。
三、实验原理带电体在其周围空间会产生静电场，可以用电场强度或电位的空间分布来描述。
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静电理论与防护 5
电感
电容
2018年11月1日星期四
1.1.2 人体电容的计算
人体电容 CB =Cg +Cs
人体的脚通过鞋底与地面构成 的平行板电容器的电容 Cg
把人体看成孤立导体，对 自由空间的电容 C
S
Cg
容易计算得 Cg = r 0 A/t = 0.0885 r A/t (pF) 其中 为鞋底的相对电 r 容率A为鞋底的相对电 C =56 pF 容率t为鞋底的相对电 容率
2018年11月1日星期四
静电理论与防护
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1.2 机械模型
最大峰值 电流 主脉冲 周期
二次峰值 电流
Im 是最大峰值电 Ip2是二次峰 流， I 值电流，其值应 为对应 Ip1 绝对值 的67%～90% t pm是主脉冲周 ， 期，应为 63ns~91ns,测 量取值为第一个 零点与第三个零 点的时间差。
8
Ir为最大的振 图6-1人体静电放电模型荡电流峰-峰 值
tr为脉冲 上升时间
td为脉冲 衰减时间
图6－3 人体静电放电模型的短路电流波形
2018年11月1日星期四 静电理论与防护
1.2 机械模型
机械模型（Machine Model）也称日本模型，简称MM。 主要用来模拟带电导体对电子器件发生的静电放电事件。 在研制开发过程中，由于电路很难做到足够低的电感，因 此各种机器模型静电放电模拟器的差别很大，元器件对 MM模型静电放电比HBM模型静电放电更敏感。
1.3 带电器件模型
带电器件模型（Changed Device Model），简称CDM。 是假定对一个器件在其引线框架上或其它导电路上充电， 然后通过一管脚迅速对地放电的情况。通常用来描述带电 器件发生的静电放电现象。由于带电器件模型描述的放电 过程是器件本身带电而引起的，所以带电器件模型失效是 造成电子器件损坏，失效的主要原因之一。
容器通过一个 1K 200V，经过 5欧的电阻对地放 秒的稳定后，用继 电，并用电流探头和示波器采集 电器把带电人体对电容器放电， 1980年5月，美国海军司令部在广泛地研究，考查了电子行业中各种人体 ESD 放电电流波形，通过比较人体和 经过计算可得当人体离地面的高 模型之后，发布了DOD1686 标准，规定了标准的人体ESD模型，用100pF的 电容器的放电电流的峰值来确定 度超过一定值时，人体电容趋于 电容器串联1.5千欧的电阻作为人体 ESD模型。 美国ESD协会标准ESD 人体放电参数 STM5.1-1999以及国际电工委员会标准 最小值50pF IEC61340-3-1不仅规定了标准人体模型 的电路参数，而且还规定了放电电流波形及电流参数。人体ESD模型主要用 于对电子器件的静电敏感度测试。而在一些特殊行业中，根据行业的特点采 用的人体ESD模型应有所不同。
引言
静电放电是一个复杂多变 的随机过程 不利于得到具有重 复性的放电结果， 难以有效地对 ESD的效应和危 害进行正确的评估。 但是根据不同场合 静电放电的主要特 点可以建立相应的 静电放电模型，来 模拟静电放电的主 要特征。
产生静电放电的静 电源多种多样 同一种静电源对不同的物体放电 时产生的 结果不一样
主要内容
静电放电的几种模型
静电放电模拟器
静电放电辐射场的理论建模
2018年11月1日星期四
静电理论与防护
1
（一）静电放电的几种模型
LOGO
静电放电的几种模型
人体模型 机械模型 带电器件模型 静电放电的模型 传输脉冲模型 场感应模型
人体金属模型
ESD家具模型 其他模型
2018年11月1日星期四 静电理论与防护 3
s
Cs = 4 0 r = 0.55H (pF)
其中H为人体的高度 一般在计算C 时不管人 体的高度如何通常取等 C 效球的半径r=50cm, 这样得到 Cs =56pF
s
g
2018年11月1日星期四
静电理论与防护
6
1.1.3 标准人体模型
1976年科克等人分别用高圧电 科克等人确定人体放电参数为
受气候，环境等条件的影响
2018年11月1日星期四 静电理论与防护 4
1.1.1人体模型
人体模型（Human Body Model），简称HBM。主要用 来模拟人体静电放电对敏感电子器件的作用。人体是产生 静电危害的最主要的静电源之一。
电阻
人体电阻依赖于人体肌肉的 弹性和，水份，接触电阻等因素 电感的量值仅为零点几个 微亨，通常不考虑 与人体的身高，体重，衣着，鞋袜及 地面和附近墙壁材料等因素有关， 也与测试方法有关
电容趋于最小值50pF
2018年11月1日星期四 静电理论与防护 7
1.1.3 标准人体模型
脉冲从峰值的10%上升 到峰值的90%所需要的 时间tr为脉冲上升时间， 一般为2~10ns；脉冲从 峰值下降到峰值的 36.8%所需要的时间td 为脉冲衰减时间，一般为 150±20ns；电流脉冲 波形中第一个波峰与第一 个波谷之间的差值Ir为最 大的振荡电流峰－峰值， 应该小于短路放电峰值电 流Ips的15％，且脉冲开 始100ns后应该观察不到 。
m
图6-7 MM ESD典型短路电流波形
2018年11月1日星期四 静电理论与防护 10
1.2 机械模型
最大峰值 电流 100ns 时的电流 值
IIPR是最大峰值电 流， I100 是100ns 时的电流值。
PR
图6-8通过500欧电阻放电的MM ESD典型短路电流波形
2018年11月1日星期四 静电理论与防护 11
电器件模型
2018年11月1日星期四
静电理论与防护
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1.4 传输脉冲模型
上述所有ESD测试模型都具有相同的缺点，就是采用这 些模型的测试方法对器件都具有破坏性。这些测试模型提 供的是静电放电敏感元器件的失效阈值，不提供元器件可 能的失效机理方面的信息，而这些信息对ESD防护电路设 计很重要，传输线脉冲（TLP）技术能获得这方面的信息。 TLP测试系统容易控制 。