前言

靜電的模型有很多分類，常見(jiàn)的有人體模型、機(jī)械模型、帶電器件模型等等，當(dāng)我開(kāi)始接觸到這些模型時(shí)，心里就有疑問(wèn)這些模型時(shí)怎么來(lái)的？很多人也搞不清楚靜電模型的參數(shù)是怎么來(lái)的，直到有一天我看到了一本書，解開(kāi)了我心中的一些疑惑，在此介紹給大家《靜電放電及危害防護(hù)》-劉尚合。沒(méi)心情看書的，小編在此給大家總結(jié)一下。

1.人體電容理論模型

1.1 概念

人體模型（Human Body Model），簡(jiǎn)稱HBM。主要用來(lái)模擬人體靜電放電對(duì)敏感電子器件的作用。人體是產(chǎn)生靜電危害的最主要的靜電源之一。

圖 1 人體電容理論模型

其中電阻R是由人體的肌肉、水分、接觸電阻等影響；電感L是人體的等效電感，通?？梢院雎?；電容C是與人體身高、體重、衣著及地面和周圍的材料有關(guān)系。影響最大的是人體的電容

，

其中是人體與地面構(gòu)成的電容，如圖 2所示，

圖 2人體與地面構(gòu)成的電容

（1）

式中為鞋底的相對(duì)電容率，S為鞋底的面積，d為鞋底的厚度。

把人體看成孤立導(dǎo)體，對(duì)自由空間的電容，如圖 3所示，

圖 3 人體對(duì)自由空間的電容

（2）

式中h為人體的高度，r為等效半徑，通常取人體高度的一半。

1.2 人體模型參數(shù)的測(cè)量

1976年科克等人提出分別用高壓電流通10MΩ的電阻把被測(cè)人體和 C =2700pF的電容器充電到某一電壓 V ， 之后分別讓人體和電容器通過(guò)一個(gè)1kΩ的電阻對(duì)地放電，并用電流探頭和示波器采集放電電流波形，通過(guò)比較人體和電容器的放電電流的峰值來(lái)確定人體放電參數(shù)。

電容器的放電電流的峰值為I 0 = V /1000，而人體放電電流的峰值為I p = V /(1000+R b )，其中，Rb為人體等效電阻。

由此得到: Rb =( V -1000×I p )/I p =1000(I 0 -I p )/I p ，所以測(cè)出I0與Ip之后可通過(guò)上式得到R B 。

通過(guò)計(jì)算人體放電電流波形的時(shí)間常數(shù)τ，由τ/RB可 得到人體電容C B ，根據(jù)這種測(cè)試方法得到的人體參數(shù) C B =132～190pF，R B =87～190Ω。

1980年5月，美國(guó)海軍司令部發(fā)布了DOD1686標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)的人體ESD模型，用100pF的電容器串聯(lián)1.5千歐的電阻作為人體ESD模型。標(biāo)準(zhǔn)ESD STM5.1-1999以及IEC61340-3-1規(guī)定了標(biāo)準(zhǔn)人體模型的電路參數(shù)和放電電流波形及電流參數(shù)。

圖 4 靜電放電的模型的短路電流波形

其中，Ir為最大的振蕩電流峰-峰值，小于短路放電峰值電流Ips的15%，且脈沖開(kāi)始100ns后應(yīng)該觀察不到，tr為脈沖上升時(shí)間，210ns，td~為脈沖衰減時(shí)間，150±20ns。

這里應(yīng)該注意到標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的人體模型主要針對(duì)不同場(chǎng)合對(duì)器件或設(shè)備的敏感度測(cè)試，所以不同場(chǎng)合的規(guī)定的參數(shù)有所不同，這也就不奇怪了。

2.機(jī)械模型

機(jī)械模型MM（Machine Model），最先由日本提出，主要用來(lái)模擬導(dǎo)體帶電后對(duì)電子器件放電事件。如在SMT階段的生產(chǎn)線上元件有可能觸碰到帶電金屬，而造成靜電放電損壞。圖 5是機(jī)械模型原理圖，R為回路等效電阻,L為回路等效電感。

圖 5 機(jī)械模型原理

機(jī)械模型最初提出是試圖研究“最嚴(yán)酷”的人體模型，所以其等效電阻R應(yīng)該盡可能的小，一般為0。同樣等效電感非常小，所以也看做是0。而通過(guò)各種對(duì)比試驗(yàn)表明機(jī)械模型比人體模型更嚴(yán)酷，同等電壓條件下器件對(duì)機(jī)械模型更敏感。

由于圖 5中左邊的模型的靜電放電模擬器電路很難做到足夠低的電感，且不同廠家的一致性也不一致，多以美國(guó)ESD協(xié)會(huì)制定的標(biāo)準(zhǔn)ESD STM52-1999和國(guó)際電工委員會(huì)IEC61340-3-2規(guī)定了機(jī)械模型的相關(guān)波形。短路電流波形如圖 6所示，通過(guò)500歐姆電阻放電波形如圖 7所示。

圖 6 機(jī)械模型ESD典型短路電流波形

IP1最大峰值電流，TPRM主脈沖周期，IP2二次峰值電流。

圖 7通過(guò)500歐姆電阻放電的機(jī)械模型 ESD典型電流波形

Ipr大峰值電流，I100是100ns時(shí)的電流值。

在我們的設(shè)計(jì)中經(jīng)常關(guān)注器件的人體模型的靜電能力，而機(jī)械模型卻不太關(guān)注，這主要原因是我們國(guó)內(nèi)的研發(fā)工程師與生產(chǎn)工環(huán)節(jié)脫節(jié)，不了解生產(chǎn)環(huán)節(jié)的機(jī)器的靜電控制能力如何，想當(dāng)然的生產(chǎn)是專業(yè)的一切交給他們就好。正確的做法是了解你們公司的SMT供應(yīng)商，他們及機(jī)器設(shè)備的靜電能力控制情況如何，國(guó)內(nèi)大部分生產(chǎn)商的靜電能力控制如何，在選用器件時(shí)一定要大于機(jī)器設(shè)備的靜電產(chǎn)生能力，控制好每一個(gè)環(huán)節(jié)。

3.帶電器件模型

帶電器件模型CMD（Charged Device Model）是描述電子元器件本身在加工、處理、運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程中可能因與物體及包裝材料等接觸、摩擦而帶電 , 當(dāng)帶電的電子元器件接近或接觸導(dǎo)體時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生靜電放電。由于帶電器件靜電放電對(duì)敏感電子器件會(huì)造成較大的危害，且IC日益增長(zhǎng)的引腳帶來(lái)的器件帶電風(fēng)險(xiǎn)大大增加。1974年斯皮克曼等人最先提出了帶電器件模型來(lái)描述帶電器件發(fā)生的靜電放電現(xiàn)象，如圖 8所示。

圖 8 帶電器件模型

其中C為帶電器件的對(duì)地電容，它的容值與器件的管腳排列形式、封裝結(jié)構(gòu)及器件放置時(shí)的方位等因素有關(guān)，一般僅為幾個(gè)pF。而R則為放電時(shí)，器件內(nèi)部放電通道的電阻，一般僅為幾個(gè)歐姆?？紤]到電阻較小，等效電感不能忽略，所以模型增加了電感L。

而目前有兩種充電模式模式測(cè)量帶電器件的靜電能力，即直接充電和場(chǎng)感應(yīng)充電。直接充電如圖 9所示，通過(guò)直接接觸對(duì)DUT充電，充電時(shí)容易損壞DUT，必須注意不能損壞DUT。場(chǎng)感應(yīng)充電方式如圖 10所示，其是通過(guò)電場(chǎng)感應(yīng)對(duì)DUT進(jìn)行充電，這樣避免了充電過(guò)程中可能損壞器件的事情發(fā)生。故推薦采用場(chǎng)感應(yīng)充電這種方法來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

圖 9 直接充電

圖 10 場(chǎng)感應(yīng)充電方式

美國(guó)ESD協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn) ESD STM5 .3 .1-1999 規(guī)定了帶電器件的放電波形如圖 11所示，其中Tr小于200ps，Td小于400ps。

圖 11 帶電器件的放電波形

一般電子元器件的帶電模型靜電能力只有幾百伏，比較低。在元器件的包裝、存儲(chǔ)、運(yùn)輸過(guò)程中一定要嚴(yán)格控制靜電產(chǎn)生，使用防靜電材料包裝元器件。小編曾見(jiàn)過(guò)某公司生產(chǎn)時(shí)倉(cāng)庫(kù)發(fā)出去的元器件時(shí)，由于是不是整盤數(shù)量，而找了幾個(gè)塑料袋裝起來(lái)發(fā)到SMT工廠。這還是一家比較大的企業(yè)，窺豹一斑，可見(jiàn)國(guó)內(nèi)很多電子廠生產(chǎn)過(guò)程中并不是每一個(gè)環(huán)節(jié)都做得很到位。這也折射出很多人對(duì)器件帶電模型的不了解，本文做個(gè)理論介紹，具體還得由廣大同仁身體力行。

4.傳輸線脈沖和場(chǎng)感應(yīng)模型

4.1 傳輸線脈沖模型（TLP）

優(yōu)點(diǎn)是可以提供元器件可能的失效機(jī)理方面的信息，目前大量御用ESD防護(hù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，TLP的等效模型如圖 12所示。

圖 12 傳輸線脈沖模型

TLP 測(cè)試系統(tǒng)的參數(shù)容易控制，電壓方波脈沖的高度V，電流值I=(V-V dut )/R；脈沖持續(xù)時(shí)間取決于傳輸長(zhǎng)度，t=2(L/c)，c光速。逐步增加脈沖V的高度，獲得DUT的I-V曲線,通過(guò)查看擊穿點(diǎn)和直流泄漏雪崩閾值來(lái)判定元器件的ESD失效水平。設(shè)計(jì)者在測(cè)試到的I-V曲線上，就可以分析器件的ESD承受能力及如何防護(hù)。

4.2 場(chǎng)感應(yīng)模型

描述當(dāng)對(duì)地絕緣的電子器件處于靜電場(chǎng)中時(shí)，電子極化現(xiàn)象或靜電感應(yīng)會(huì)導(dǎo)致這些物體上的電荷分離，如圖 13所示。當(dāng)電場(chǎng)足夠強(qiáng)時(shí)，這些物體上的感應(yīng)電位可達(dá)到足夠高，電子元器件就會(huì)對(duì)周邊的物體放電，這一靜電放電過(guò)程被稱為場(chǎng)感應(yīng)靜電放電。

場(chǎng)感應(yīng)模型描述由于靜電場(chǎng)的作用導(dǎo)致靜電放電而引起器件失效的一種機(jī)制。而在這樣的機(jī)制下我們明確我們的器件會(huì)因什么而失效，器件或設(shè)備應(yīng)盡量避免在強(qiáng)電場(chǎng)的環(huán)境下存放或使用。一些設(shè)備必須在強(qiáng)電場(chǎng)中運(yùn)行需要做好足夠的靜電防護(hù)。

圖 13 場(chǎng)感應(yīng)模型

5.人體金屬模型

人體金屬模型 （BMM）用來(lái)模擬帶電人體通過(guò)手持的小金屬物件，如螺絲刀、鑰匙等等，對(duì)其他物體產(chǎn)生放電時(shí)的情況。當(dāng)帶電人體手持小金屬物件時(shí)，由于金屬物件的尖端效應(yīng)，使得其周圍的場(chǎng)強(qiáng)大大增強(qiáng)，再加上金屬物件的電極效應(yīng)，導(dǎo)致放電時(shí)的等效電阻大大減小。因此在同等條件下，它產(chǎn)生的放電電流峰值比單獨(dú)人體放電的要大，放電持續(xù)時(shí)間短。其等效模型如圖 14所示：

圖 14人體金屬雙RLC模型

其中Cb為人體等效電容，Rb為人體等效電阻，Lb為人體等效電感。Ca為手和手持金屬物件的等效電容，Ra為和手持金屬物件的等效電阻，La為和手持金屬物件的等效電感。1995年發(fā)布的IEC-1000-4-2（等同IEC61000）標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的模型參數(shù)為：C b =150pF±10%，R b =330Ω±10%，L b =0.04～0.2μH，C a =3～10pF，R a =20～200Ω,L a =0.05～0.2μH。

并同時(shí)規(guī)定了靜電的放電電流波形，如圖 15所示。這也是我們現(xiàn)在熟悉的靜電標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的人體模型，實(shí)際上是人體金屬模型。人體金屬模型比人體模型在上升沿的時(shí)間更短，只有0.7-1ns，而人體模型的上升沿是2-10ns。這一原因主要是由于手與金屬物件之間的又一個(gè)很小的等效無(wú)感電容Ca，當(dāng)人體與帶電金屬物件被充電到一定水平，并對(duì)外放電時(shí)，此電容值很小且無(wú)感，所以能產(chǎn)生更快的上升沿時(shí)間。

圖 15 人體-金屬放電電流波形

6.家具模靜電型

家具靜電模型 指的是在計(jì)算機(jī)房或?qū)嶒?yàn)室內(nèi)那些易于移動(dòng)的家具，如椅子、小的儀器搬運(yùn)車等，由于摩擦或感應(yīng)帶電后對(duì)其他儀器設(shè)備產(chǎn)生的放電過(guò)程。對(duì)于家具ESD的研究最早是在IBM公司進(jìn)行的。為了加強(qiáng)其產(chǎn)品的防ESD能力，他們分別對(duì)人體ESD、人體-金屬ESD和家具ESD進(jìn)行研究與比較，他們認(rèn)為在同等的放電電位下，家具ESD產(chǎn)生的放電電流的峰值要比另外兩種形式的ESD產(chǎn)生的電流峰值要大，因此其造成的危害也就比較嚴(yán)重。其等效模型如圖 16所示。

圖 16 家具靜電放電等效模型

但由于家具中的椅子、小車、工具箱的形狀、結(jié)構(gòu)、離地高低等因素影響很大，通過(guò)大量的測(cè)試之后，所以取了一個(gè)最壞情況下的值，C約為150pF，R約為15Ω，L約為0.2-0.4mH。其規(guī)定的放電電流波形如圖 17所示。

在歐洲計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)中采用了家具模型，而IEC只采用了人體-金屬模型，而我們國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)都是參考IEC發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)，故很少看到有家具靜電模型。

圖 17 家具靜電放電電流模型

7.IC相關(guān)靜電模型

7.1 帶電芯片模型（Charged Chip Model, CCM ）

帶電芯片模型模擬的是電子車間裝配托架工序中芯片夾拾操作中可能發(fā)生的靜電損壞。在絕緣薄膜上將裸露芯片分成各個(gè)器件的操作中，芯片是用金屬夾進(jìn)行夾拾的。此時(shí)，由于絕緣薄膜上的靜電荷使得芯片具有高電位，帶電的芯片對(duì)金屬夾頭放電產(chǎn)生了靜電。放電形成快速上升沿的放電電流,通過(guò)金屬夾頭流入芯片中，產(chǎn)生的瞬變高電壓施靜電放電及危害防護(hù)加于芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)上并造成芯片的損壞。帶電芯片模型用來(lái)測(cè)試硅片的靜電敏感度。如圖 18所示。

圖 18 帶電芯片模型

7.2帶電包裝模型（Charged Package Model ）

帶電包裝模型與CDM不同，其消除了濕度的影響。在高濕度情況下，用CDM進(jìn)行測(cè)試，元器件充電和放電之間的時(shí)間會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。CPM測(cè)試能保證元器件所有管腳通過(guò)高阻抗材料(酚醛塑料) 同時(shí)充電。見(jiàn)圖 19 所示。

當(dāng)一特定放電電極靠近待測(cè)連接器時(shí)，通過(guò)接地1Ω電阻產(chǎn)生放電。放電脈沖波形通過(guò)示波器觀測(cè)。在元器件下次充電之前，用一套由兩列構(gòu)成的電極來(lái)中和所有連接器，這樣所有可能的剩余電荷通過(guò)1MΩ的電阻泄漏至大地。然后進(jìn)行新的試驗(yàn)程序—充電、放電、中和等等。前面提到的CDM測(cè)試，元器件所有的管腳直接連接高壓源進(jìn)行充電。CPM是通過(guò)其他的充電方法進(jìn)行充電，使得測(cè)試盡量還原了實(shí)際的帶電器件充電過(guò)程。

圖 19 帶電包裝模型

7.3帶電電路板模型（Charged Board Model）

過(guò)去很長(zhǎng)時(shí)間一直對(duì)PCB上元器件的靜電有誤解，認(rèn)為PCB上的元器件能抗ESD。很多事實(shí)表明，導(dǎo)致PCB上元器件損壞的靜電放電電壓比單個(gè)元器件CDM或HBM測(cè)試的放電電壓要低。如圖 20所示。

圖 20 帶電電路板模型

待測(cè)PCB板置于絕緣板上,接地金屬板支撐此絕緣板。PCB由高壓?jiǎn)卧潆?，?jīng)由一連接器和1Ω電阻對(duì)地放電。PCB上元器件失效的發(fā)生有兩種常見(jiàn)情況。第一種情況是帶電人體用手接觸直接或容性接地的電路板；第二種情況是攜帶電路板的人體獲得電荷，這類放電隨后發(fā)生。當(dāng)人體將這塊電路板放置于架子上時(shí)，電路板一接觸金屬部分其上的電荷就迅速泄放形成靜電放電。

EMC整改小技巧:

一、差模干擾與共模干擾

**差模干擾：**存在于L-N線之間，電流從L進(jìn)入，流過(guò)整流二極管正極，再流經(jīng)負(fù)載，通過(guò)熱地，到整流二極管，再回到N，在這條通路上，有高速開(kāi)關(guān)的大功率器件，有反向恢復(fù)時(shí)間極短的二極管，這些器件產(chǎn)生的高頻干擾，都會(huì)從整條回路流過(guò)，從而被接收機(jī)檢測(cè)到，導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)。

**共模干擾：**共模干擾是因?yàn)榇蟮嘏c設(shè)備電纜之間存在寄生電容,高頻干擾噪聲會(huì)通過(guò)該寄生電容，在大地與電纜之間產(chǎn)生共模電流，從而導(dǎo)致共模干擾。

下圖為差模干擾引起的傳導(dǎo)FALL數(shù)據(jù)，該測(cè)試數(shù)據(jù)前端超標(biāo)，為差模干擾引起：

下圖為開(kāi)關(guān)電源EMI原理部分：

圖中CX2001為安規(guī)薄膜電容（當(dāng)電容被擊穿或損壞時(shí)，表現(xiàn)為開(kāi)路）其跨在L線與N線之間，當(dāng)L-N之間的電流，流經(jīng)負(fù)載時(shí)，會(huì)將高頻雜波帶到回路當(dāng)中。此時(shí)X電容的作用就是在負(fù)載與X電容之間形成一條回路，使的高頻分流，在該回路中消耗掉，而不會(huì)進(jìn)入市電，即通過(guò)電容的短路交流電讓干擾有回路不串到外部。

對(duì)差模干擾的整改對(duì)策：

1. 增大X電容容值

2. 增大共模電感感量，利用其漏感，抑制差模噪聲（因?yàn)?a target="_blank">共模電感幾種繞線方式，雙線并繞或雙線分開(kāi)繞制，不管哪種繞法，由于繞制不緊密，線長(zhǎng)等的差異，肯定會(huì)出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，即一邊線圈產(chǎn)生的磁力線不能完全通過(guò)另一線圈，這使得L-N線之間有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于在L-N之間串聯(lián)了一個(gè)電感）

下圖為共模干擾測(cè)試FALL數(shù)據(jù)：

電源線纜與大地之間的寄生電容，使得共模干擾有了回路，干擾噪聲通過(guò)該電容，流向大地，在LISN-線纜-寄生電容-地之間形成共模干擾電流，從而被接收機(jī)檢測(cè)到，導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)（這也可以解釋為什么有的主板傳導(dǎo)測(cè)試時(shí)，不接地通過(guò)，一夾地線就超標(biāo)。USB模式下不接地時(shí)，電流回路只能通過(guò)L-二極管-負(fù)載-熱地-二極管-N,共模電流不能回到LISN，LISN檢測(cè)到的噪聲較小，而當(dāng)主板的冷地與大地直接相連時(shí)，線纜與大地之間有了回路，此時(shí)若共模噪聲未被前端LC濾波電路吸收的話，就會(huì)導(dǎo)致傳導(dǎo)超標(biāo)）

對(duì)共模干擾的整改對(duì)策：

1. 加大共模電感感量

2. 調(diào)整L-GND，N-GND上的LC濾波器，濾掉共模噪聲

3. 主板盡可能接地，減小對(duì)地阻抗，從而減小線纜與大地的寄生電容。

二、產(chǎn)品電磁兼容騷擾源有：

1、設(shè)備開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)回路：騷擾源主頻幾十kHz到百余kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。

2、設(shè)備直流電源的整流回路：工頻線性電源工頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百kHz；開(kāi)關(guān)電源高頻整流噪聲頻率上限可延伸到數(shù)十MHz。

3、電動(dòng)設(shè)備直流電機(jī)的電刷噪聲：噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。

4、電動(dòng)設(shè)備交流電機(jī)的運(yùn)行噪聲：高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。

5、變頻調(diào)速電路的騷擾發(fā)射：開(kāi)關(guān)調(diào)速回路騷擾源頻率從幾十kHz到幾十MHz。

6、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)切換的開(kāi)關(guān)噪聲：由機(jī)械或電子開(kāi)關(guān)動(dòng)作產(chǎn)生的噪聲頻率上限可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。

7、智能控制設(shè)備的晶振及數(shù)字電路電磁騷擾：騷擾源主頻幾十kHz到幾十MHz，高次諧波可延伸到數(shù)百M(fèi)Hz。

8、微波設(shè)備的微波泄漏：騷擾源主頻數(shù)GHz。

9、電磁感應(yīng)加熱設(shè)備的電磁騷擾發(fā)射：騷擾源主頻幾十kHz，高次諧波可延伸到數(shù)十MHz。

10電視電聲接收設(shè)備的高頻調(diào)諧回路的本振及其諧波：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz，高次諧波可延伸到數(shù)GHz。

11、信息技術(shù)設(shè)備及各類自動(dòng)控制設(shè)備的數(shù)字處理電路：騷擾源主頻數(shù)十MHz到數(shù)百M(fèi)Hz（經(jīng)內(nèi)部倍頻主頻可達(dá)數(shù)GHz），高次諧波可延伸到十幾GHz。