（环境工程专业论文）静电放电辐射电场的研究以及静电枪检验方法研究.pdf

a b s t r a c ta b s t r a c t ：e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g ei sap r o c e s so f h i 曲v o l t a g e ，s t r o n ge l e c t r i cf i e l d ，t h ei n s t a n t a n e o u s1 a r g ec u r r e n tp u l s e i tc a nc a u s ei n t e r f e r e n c ew i t ht h ee l e c t r o n i ce q u i p m e n tn o to n l yb e c a u s eo fc o n d u c t i n gb u ta l s ob e c a u s eo fr a d i a t i n g t h e r e f o r e ，r e s e a r c h e so nt h ed i s t r i b u t i o na n de f f e c to fr a d i a t i o nf i e l dd e r i v i n gf r o me l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g ea r ev e r yr e a l i s t i c ，w h i c hc a nn o to n l yp r o m o t et h ee x i s t i n gt e s tm e t h o d sa n dp l a t f o r m ，b u ta l s oi m p r o v et h ec a p a c i t yo fe l e c t r o n i cd e v i c e sa n ds y s t e m sa g a i n s te l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e i nt h ea n t i s t a t i ct e s t ，w ea r em o s to f t e nu s i n ge l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g es i m u l a t o r , w h i c hi sa l s oc a l l e de l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g eg u n s oi no r d e rt om a k et h er e s u l t sm o r ea c c u r a t e ，w h i l er e d u c i n gc a l i b r a t i o nc o s t s ，d e v e l o p i n ga na p p r o a c ht h a ti nt h el a b o r a t o r yc a nt e s tt h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o s t a t i cg u nh a sb e c o m ep a r t i c u l a r l yp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rs t u d i e st w oa s p e c t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t f i r s t l y s i m u l a t i o n sa r em a d ef o rc o n t a c td i s c h a r g e ，e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g e ，e l e c t r o s t a t i cd i s c h a r g ea n dm e t a lc a v i t ya p e r t u r ec o u p l i n g ，w h i c hm a i n l ys t u d yt h ev a r i a t i o no fr a d i a t i o na n dc o u p l i n ge f i e l di na n do u to ft h ec a v i t y , g e tt h ec h a n g e sr e g u l a r i t yo fr a d i a t i o ne f i e l di nv a r i o u sp o s i t i o n s a n dw ea l s og e tt h ec h a n g e so fi n t e r n a lr a d i a t i o nf i e l dd i s t r i b u t i o ni nt h em e t a lc a v i t y t h e nr a d i a t i o ne l e c t r i cf i e l dd e r i v i n gf r o me l e c t r o s t a t i cc o n t a c td i s c h a r g ew a sm e a s u r e da n di n v e s t i g a t e du s i n gt h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d ，w h i c hm a i n l ys t u d i e st h ee f f e c tt or a d i a t i o ne f i e l dd u et ot h ed i f f e r e n td i s c h a r g ev o l t a g ea n dg r o u n d i n gd i r e c t i o n ，i n c l u d i n gt i m ed o m a i na n df r e q u e n c yd o m a i np r o p e r t i e s a n dt h e nt h er e s u l t so fs i m u l a t i o nw a sc o m p a r e di nt h et i m ed o m a i n f i n a l l yac a l i b r a t i o nm e t h o do fe s ds i m u l a t o ri si n t r o d u c e d ，b yd i s c h a r g ec u r r e n tw a v e f 0 1 t nm o n i t o r i n ga n dr e s e a r c h ，q u a l i t a t i v ea n a l y s i so ft h ep e r f o r m a n c eo fe l e c t r o s t a t i cg u n ，w h i c hc a nb eu s e di nt h el a b o r a t o r yt oc a l i b r a t ee l e c t r o s t a t i cg u n ，e f f e c t i v e l yi m p r o v i n gt h ea c c u r a c yo fa n t i s t a t i ct e s t k e y w o r d s ：e s d ；c o n t a c td i s c h a r g e ；r a d i a t i o ne l e c t r i cf i e l d ；c a l i b r a t i o nm e t h o do fe s ds i m u l a t o rc l a s s n o ：t h 3 9i v致谢本论文是在我的导师周克生老师的悉心指导下完成的，从论文的选题、深入研究到撰写成文，周老师都以他敏锐的视角、渊博的知识和严谨的态度对我做了关键性的指导。在生活上，周老师更是尽其所能，给予我最大的帮助。衷心感谢两年多来周老师给予我的关心和支持，您对我的勉励和教诲我将永远铭记在心。e m c 实验室的沙斐老师、闻映红老师、王国栋老师、王凤兰老师、朱云老师、陈嵩老师、崔勇老师和张金宝老师在实验室工作和论文撰写过程中给予了我很大的帮助和支持，在此向各位老师表示衷心的谢意。在实验室工作及撰写论文期间，张璐、张婧亮、许振玲、李新坡、王淞宇、杨志超、史锁兰、赵兴等同学对我论文中的研究工作给予了热情帮助，其他各位同学也在研究生学习和生活期间给予了我无微不至的关心和帮助，在此向他们表达我的感激之情，谢谢你们让我有了这么一段难忘的经历。另外也感谢我的父母，他们给了我很多信心，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业，你们永远健康快乐是我最大的心愿。最后向所有给予我关心、支持和帮助的人表示衷心的感谢!1 绪论1 1研究背景及其意义电磁兼容是一门新兴的综合性学科。电磁兼容性( e m c ) 的定义：设备( 分系统、系统) 在共同的电磁环境中能一起执行各自功能的共存状态，即该设备不会由于受到处于同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级；它也不会使用同一电磁环境中其他设备的电磁发射导致或遭受不允许的降级。电磁兼容学科研究的主要内容是围绕构成干扰的三要素进行的，即电磁骚扰源、传输途径、和敏感设备。在某种程度上也可以说是研究干扰和抗干扰的问题。作为一门学科，它的研究对象不仅限于电气电子设备，而是拓宽到自然干扰源、核电磁脉冲、静电放电等方方面面n 1 。无论是人为的或自然的电磁干扰源，可以按它们构成的威胁程度划分为四类，依次为：雷电、强电磁脉冲、静电放电和开关操作。随着迅速发展的工业技术，大量大规模和超大规模集成电路广泛应用，静电引起的大量灾难性事故逐渐增多，人们开始重视到这种现象，静电技术这门学科得到了越来越多的发展，静电防护问题逐渐被人们关注，静电放电( e s d ) 的防护领域也开始日渐广泛起来。静电放电作为自然干扰源其中的一种，其产生的电磁脉冲具有上升时间短和持续时间短等特点，这无疑是对越来越敏感的微电子设备正常工作是一个很大的挑战。因此，要确保电子设备在恶劣电磁环境下的安全性和可靠性，对电子设备的e s d 抗扰度试验就显得尤为重要。在电子工业领域，大量使用塑料和高分子材料进行生产，这样就产生积累了比较多的静电荷。半导体微电子器件现在都向着微功耗、高速、高集成方向发展，从而使得它们对静电放电损伤变得更加敏感。因此在电子工业领域，e s d 对其造成了很大的威胁，对电子设备的e s d 防护问题也显得至关重要。据有些相关资料记载，总失效的2 0 一5 0 拍都是由于静电放电导致m o s 器件的输入回路烧毁或栅极穿通。首先，集成度不断提高，集成电路的内绝缘层就会越来越薄，连线与连线之间的间距越来越小，相互击穿电压越来越低。其次，在集成电路制造中，m o s 电路已成为主导技术。以金属一氧化物一半导体场效应管为例，它非常容易遭到静电损伤，因为场效应管的栅、源极之间涂有一层越来越薄的亚微米级的绝缘栅氧化层。微电子器件在生产、出厂、以及配送过程中，有很多机会与带静电设备及操作入员相互接触，如不加以对此类静电进行防护，就会很容易使器件承受超过其阈值的电压，也就容易使器件形成软或硬损伤，造成失效，甚至严重影响产品质量。在静电损伤领域，我国每年因静电造成直接经济损失高达几亿元人民币，因而静电放电危害己发展成为微电子工业进步的重大阻碍。因此，研究e s d 放电情况下，辐射场的分布与作用规律是非常具有现实意义的。它不仅可以推进现有的测试方法和测试平台的改进，而且可以指导提高电子器件和系统抗静电放电的能力。随着静电技术的不断发展，我国电子产品的国际竞争力和武器装备的作战能力也会越来越强，我国经济实力和国防力量更是会突飞猛进。1 2现阶段静电放电研究情况二十世纪八十年代，国外学者就意识至u e s d 过程中产生的电磁场干扰对电子设备的影响，提出诸如在放电回路中串联电感等措施来减d x e s d 产生的电磁干扰。到八十年代末期，国内开始有人关, g , e s d 的场效应。在国内的实验过程中，曾经发现e s d 产生的电磁干扰可以导致十米外地电脑死机甚至主板损坏。电子，微电子技术的飞速发展，一方面使得e s d 放电产生的电磁场干扰危害越来越严重，另一方面，也给电子测试技术的发展提供了强劲动力，随着宽带、高速采样示波器的出现，对e s d 相关电磁场的时域测量研究工作逐渐成为热点。对e s d 相关电磁场的研究工作较早的大学是加拿大渥太华大学电力工程。在1 9 9 0 年期间，a j a m e sk o z l o w s k i 就用两种天线测量了e s d 辐射电场【2 1 。p e r r yf w i l s o n 曾经提出著名的e s d 辐射场偶极子模型【3 】，具体的会在下章中介绍。他是西方最早全面进行e s d 场测量和理论研究的学者。西方研究e s d l l 较权威的大学是柏林理工大学。该校对静电放电进行了非常系统和全面的研究，研究的内容主要有空气放电时电极接近被测物体速度的关系、不同型号静电枪放电产生的辐射场差异、静电放电时电流与火花弧长的联系、接地电缆方向对放电时辐射场的影响以及放电枪的姿态对耦合板上辐射场的影响等等。为了丰富相关的测试数据资料，该校的学者们测量了e s d 放电时从近区到远区不同距离的场。静电场和电流分别决定近区电场和磁场，电场波形与电极上的电荷时域波形相似，磁场波形与放电电流时域波形相似；而在远区，电流导数决定它们。在八十年代末，国内开始有人关& , e s d 放电时的电磁场效应。研究静电相关理论和实验最多的是中国人民解放军军械：工程学院静电与电磁防护研究所。静电放电电极上的静电荷产生的静电场在近场区域产生的电场分量很强，在一定范围内甚至达k v m 以上，而p f w i l s o n 偶极子模型没有考虑放电电极上静电荷产生的静电场，因此该校的盛松林等人在p f w i l s o n 偶极子模型的基础上提出了一种改进的偶极子模型，该模型充分考虑了放电电极上的静电荷产生的静电场【4 1 。他们还利用时域有限差分法建立了静电放电火花产生的电磁场数值模型【5 1 。模型中充分考虑了放电电极上的静电荷对电场的影响，并计算了在目标腔体中央处静电放电时的电磁场分布，为分析e s d 场与电子系统的电磁耦合问题打下了基础。因为e s d 辐射场的复杂性和环境影响等因素，使得对e s d 的研究停留在环境控制和传导耦合的危害防护等方面，对e s d 辐射场的数值研究方面没有令人十分满意的结果。因此，进一步研究辐射场的相关电磁效应以及近场分布是十分必要的。1 3主要研究内容本文主要研究了静电放电( e s d ) 在接触放电的情况下，周边电磁场的分布与作用情况，并用实验与仿真的方法对其做了对比、研究，然后研究了e s d 辐射场对带孔缝金属腔体的耦合规律，最后利用实验室现有条件研究了一种简单的静电枪检验方法，并对该方法进行了分析。本文的内容结构为：第一章，介绍了静电放电的背景以及现阶段国内外研究的情况。第二章，介绍了静电放电模型及其辐射场的模型和标准i e c 6 1 0 0 0 - 4 - 2 规定的静电放电测试规范以及静电枪的校验，并对静电放电电流进行分析。第三章，利用电磁仿真软件，对静电枪进行模型构建，并利用该模型不仅对接触放电产生的辐射场进行模拟仿真，还对静电放电与金属腔体孔缝耦合的情况进行模拟仿真。第四章，对接触放电产生的辐射场进行实验测量，并在不同的放电电压，不同距离的情况下进行观察研究。第五章，设计了一种自开发的静电枪检验方法，用来进行实验室内部的静电枪校验。第六章，总结，并对下一步工作做了展望。2 静电放电( e s d )2 1静电放电模型介绍7 】2 1 1人体模型人体模型比其他模型建立的要早。因为人体是产生静电危害的最主要的静电源之一，人们对人体静电及其放电过程研究的不仅较早，而且比较深入。人体模型( h u m a nb o d ym o d e l ) ，简称h b m 。它主要用来模拟人体静电放电对敏感电子器件的作用。人体存在电容，电阻以及电感，但是因为电感太小，在多数情况都不加考虑。所以一般人体都被等效为电容和电阻的串联。人体电容不仅与人体自身有关，而且不同的测试方法也会得到不同的测试结果。人体电阻也是如此，所以测试和计算结果相差很大。为了更好的确定这些参数取值，研究机构和研究人员进行了大量的测试和计算。下面是人体模型的电路结构图2 1 。疑图2 1 人体放电电路模型f i g 2 1m o d e lo fh u m a nb o d yd i s c h a r g e如上图所示，人体电路模型由两部分组成。其中电容c 又由两部分电容并联构成，这两部分电容分别是c g 和c s ，其中c g 为鞋底与地面构成的平行板电容器的电容，c s 是人作为孤立导体时对自由空间的电容。其中c g 为：c 。= s ，s 0 a t ( p f )( 2 1 )其中e r 为鞋底的相对电容率；a 是两个鞋底的总面积，单位为c i n 2 ，t 为鞋底的厚度，单位为c m 。在计算时c s 时，常常把人体等效为球形，球的半径取人体身高的一半。这样得到：4g = 4 r c s o r = o 5 5 h ( p f )其中h 为人体的高度，单位为c m 。人体电容c b 为：2 1 2机器模型c b = c g + e( 2 2 )( 2 - 3 )机器模型( m a c h i n em o d e l ) ，简称m m 。机器模型( m a c h i n em o d e l ) 主要模拟带电导体对电子器件的静电放电事件。机器模型也被称之为日本模型，因为机器模型最初由日本人提出，试图产生“最残酷”的人体静电放电事件。带静电的机器设备接触器件进行静电放电需通过接地；相比于人体放电模型，机器模型电容储存较多的电荷，但是放电时处于低压低阻的状态，因此放电电流速度很快，幅值很大。通过试验得到产生的放电电流最大幅值达4 安培，放电持续时间约为2 0 0 纳秒，所以它极其容易对硅片的造成热崩溃和金属熔融的损坏。2 1 3人体金属模型现实生活中，人体经常通过手里的金属物体对其他器件产生静电放电，当人体带电时，通过手里的金属物体的尖端效应，及使得尖端处的等效电阻大大减小，同时场强又会大大增强，使得发生静电放电时它的电流较大且持续时间较短。为了更好地描述这一现象，一些研究者就提出了人体金属模型( b m m ) 。最初的人体金属模型是单r c 电气模型，放电电容为1 5 0 p f ，放电电阻为5 0 0 f 2 。但是随着科技水平的不断提高，1 g h z 带宽的的测量系统应用到手持金属物体的静电放电实验中，测量结果中发现放电电流中有一个初始尖脉冲，该初始尖脉冲峰值很高，且上升时间很短，而用带宽1 0 0 m h z 的测量系统则观测不到这一现象，带宽1 0 0 m h z 的测量系统测得的放电电流与初始脉冲之后观察的放电电流相差不大。总之，在人体金属静电放电过程中，包含高速和低速两种放电模式。高速放电模式与手、前臂及手持小金属物件的“自由电容”相关联，它的初始放电电流尖脉冲的上升速度很快，峰值较大，可产生强烈的电磁脉冲，经常在许多电子设备的e s d 防护装置反应之前便己进入设备，造成设备的损伤。因此高速放电较难防护，但是由于其无感电容容量小，其放电中释放的能量也较小，它造成的损伤一般是软损或是随机干扰。而慢速放电模式则与人体电容相联系，在放电时释放的能量较大，很容易引起爆炸以及电子器件、系统的硬损伤等。2 2静电放电辐射场模型介绍2 2 1长导体模型长导体模型主要是模拟实际放电回路中可能有的长的电流通道。当静电放电( e s d ) 电流通过长的直导线时，比如接地电缆，这时电缆附近区域的电磁场可以用长导体模型来计算。对于远场区域，长导体模型并不适用。因为电缆中电流变化较快，中波长短于电缆长度的频谱成分不能忽略时，电场不仅只有垂直分量，还有水平分量，因此，需要对长导体模型进行相关的修正，这里就不在赘述了。2 2 2球形电极模型球形电极模型是指把静电放电( e s d ) 的两放电电极等效为两个个相邻的带不同电荷的小球，静电放电过程中的产生的场可以看成是这两个球上的电荷产生，而两个球上的电荷在放电过程中是衰减变化的，所以这个过程的场可以看成静电场的波动和变化。球型电极模型虽然忽略了电流产生的场，但是它可以计算e s d 过程中近区电场。但是它还是其他的局限性，它不能够正确计算远场的辐射场分量，而且也没有给出磁场的计算公式。2 2 3偶极子模型w i l s o np f 认为e s d 过程中的电磁场主要是由e s d 火花产生的，而e s d 火花可以简化成位于无限大、导电的接地平板上的电性小、时变线性偶极子，于是平板上半空间的电磁场就可以看成是偶极子和它的镜像偶极子产生的。于是他提出了e s d 电磁场偶极子模型，采用柱坐标系，如图2 2 ：6图2 2 偶极子模型f i g 2 2m o d e lo fd i p o l e偶极子长度d l 为放电间隙的长度。利用推迟势，可以计算空间任意观察点a( z ，r ，) 处的电磁场：眦，r ，砌d l 删+ ri 心刊c ) + 冬半泣4 ，比 ，瓦a l l 童川产3q ( f r c )r ；1a i ( t r c )c zr?8t( 2 5 )在上面的式子中，晶是空气电容率，c 是光速；i ( t ) 是偶极子上的时变电流；近似认为在偶极子上处处相等，电流方向为z 轴正向；q ( t ) 是对电流的积分：q ( f r c ) = f ( f f - r c ) d t ( 2 - 6 )对导体放电时，可以近似认为偶极子及其镜像与地面距离为零，即z t - o ，则l弓= r = z 2 + 厂2 ) 2( 2 - 7 )由于放电导体表面电阻率很低，火花隙不能像自由空间偶极子那样保持住电流i ( t ) 产生电荷积累，所以w i l s o n p f 认为，偶极子模型中电流时间积分项可以忽略。观察点a ( z ，r ，中) 处的电磁场可以简化为：7掣+堕尘薯华降脚驯鸹芸簧 专掣+ 去篆半坦芸隧一 半+ 融 嘉半川码笔喜水圳小鲁半( 2 8 )( 2 - 9 )根据此模型，只要知道放电电流i ( t ) ，就可以求出电场和磁场时空分布。所以，偶极子模型可以方便的计算远区的e s d 辐射场。偶极子模型也是有缺陷的，它计算得到的仅仅是放电电流产生的电场，与真实的e s d 电场时空分布不符，并且没有考虑初始电荷积累产生的场。2 2 4改进的偶极子模型w i l s o n 的偶极子模型忽略了静电荷的作用，所以不能够正确计算e s d 产生的放电点附近的电磁场，所以，我国学者在2 0 0 3 年提出了一个改进的偶极子模型。参考图2 2 ，仍用柱坐标系，则改进的偶极子模型的电场和磁场的表达式为：聊以垆d lr zi 掣墨+ 半+ 去笺半il_ |也芸陪- 圳学+ 半i 一嘉华( 2 - 1 0 )脚h 羔卷+ 矧亿式中，r 指观察点的坐标，r 是观察点与源点的距离，d l 是放电间隙。改进型的偶极子模型考虑了静电荷的作用，可以计算出放电过程中的静电场，由式中也可以看出静电场逐渐减小，辐射场叠加在静电场上，在远场，静电场衰减很快，几乎可以忽略不计，远场是由电流微分项产生的辐射场。2 3e s d 静电模拟器2 3 1e s d 模拟器放电方式模拟器的结构和放电电极的形状是由采用的放电方式决定的。根据标准对静电敏感器件或系统进行e s d 检测时，e s d 模拟器采用空气放电和接触式放电两种方式。2 3 2空气放电方式空气放电方式是指用e s d 模拟器测试e u t ( 被测设备) 时，模拟器的放电电极以一定的速度靠近被测设备，放电电极和被测物体之间发生静电放电时会形成火花击穿通道。空气放电是由外部空气击穿形成火花通道而触发的静电放点方式，因此在进行空气放电测试时e s d 模拟器不需要内部的高压继电器来触发放电。在进行空气放电时，采用的放电电极形状为球状，这么做是为了减轻电极的电晕效应。因为空气放电击穿形成的外部火花通道与温度、湿度以及模拟器放电电极接近e u t 的速度有很大的影响，导致它的放电重复性很差，慢慢的，接触放电的方式逐渐代替了空气放电方式。2 3 3接触放电方式接触放电方式是指，先将e s d 模拟器的放电电极与被测物体的敏感部分保持紧密的金属接触，之后再进行静电放电。接触放电电流是由静电枪内部高压继电器触发产生。所以接触放电重复性很好，也能反映实际e s d 过程的主要特点。接触放电电极顶端形状为锥尖状，为了更好地接触被测物体。虽然接触放电被广泛使用，但是它还是有一定的局限性，比如当e u t 的敏感部分封装在非金属材料制成的壳内，而壳上的孔缝很小，放电电极不能进入壳内与敏感部分形成紧密的金属接触时，接触放电便不能实施。2 3 4人体金属e s d 模拟器 8 】人体金属e s d 模拟器的基本电路图如图2 3 所示：9j 竖立交通盔堂亟堂僮途童趁j 墨堑j l j 二旦j l 上直氍放电鞠赫遵接点图2 3e s d 模拟器电路简图f i g 2 3m o d e lo fe s ds i m u l a t o re s d 模拟器主要部分包括：( 1 ) r c , 5 0 1 0 0 m q ，充电电阻，高压发生器对储能电容器充电的限流电阻。( 2 ) c s ，1 5 0 p f ，储能电容器。( 3 )( 4 )( 5 )r a ，3 3 n v o m m ，放电电阻。放电开关：接触放电时触发放电，要求开启速度快，无跳变，重复性好。放电头：接触放电时采用尖形，空气放电时采用球形。( 6 )放电回路电缆：接地电缆的长度、粗细、结构与布置对e s d 过程中的慢速放电模式影响很大。2 3 5静电放电发生器特性的校验1 4 1放电电流特征参数应使用1 g h z 带宽的测量仪器进行验证。带宽较窄，则以为这上升时间和第一个电流峰值测量收到限制。验证时，放电电极头应与电流传感器直接接触，而且发生器以接触放电方式工作。静电放电模拟器输出电流的典型波形，如图2 4 所示：1 0，1 4 m_ _ _ 。一_ 。一l i_“l_ 一- _ _ v一，一3 0 甜。一z尊u b # 吼7 w 1l 媾图2 4 静电放电模拟器输出电流的典型波形f i g 2 4e s ds i m u l a t o ro fo u t p u tc u r r e n tw a v e f o r m具体波形参数见下表2 1 ：表2 - 1 标准静电放电电流波形参数t a b l e2 - 1s t a n d a r do fe s dc u r r e n tw a v ep a r a m e t e r s放电指示电压放电的第一个峰值放电开关操在3 0 n s 时电流在6 0 n s 时电流等级k v电流( 1 0 ) a作时的上升( 3 0 )( 3 0 )时间t r ( n s )127 5o 7 142241 5o 7 184362 2 50 7 11 26483 0o 7 11 68静电放电发生器应在规定的时间内按照认可的质量保证体系进行校准，校准标准参考见上表的波形参数。2 4e s d 模拟器放电电路模型分析最初静电放电测试标准中规定的放电模型为单r c 结构，放电参数r 为1 5 0 q ，c 为1 5 0 p f 。电路简图如下：图2 5 人体金属模型单r c 电路f i g 2 5h u m a nb o d y m e t a lm o d e lo fs i n g l er cc i r c u i t根据基础电路知识，可以求解该电路：r c 掣帆( f ) ：o ( 2 - 1 2 )d f。、7甜。( f ) = do pr c( 2 - 1 3 )从式中可以看出，在t = 0 时刻，放电电压u 。_ u o ，但是该电路计算的电流波形并不不符合实际情况，即与标准不符，因为其放电电流部分上升时间为零。随着时间的推移，人体金属模型被相关研究人员发展改进，如下图2 6 ，为理想状态下的人体金属静电放电模型，即双r l c 人体静电放电模型【8 1 。r 1l 1r 2l 2厂= u c lc 2 二二i ( t ) !ll图2 6 双r l c 人体静电放电电路f i g 2 6d o u b l er i 。ch u m a ne s dc i r c u i t其中，r 1 、c 1 、l 1 分别为人体电阻、电容和电感。r 2 、c 2 、l 2 分别为手、前臂及手持小金属物体的电阻、电容和电感。对图2 6 所示电路模型进行拉氏分析，其各项参数如下表2 2 所示：表2 2 双r l c 人体静电放电电路参数rt a b l e2 - 2d o u b l er l ch u m a ne s dc i r c u i tp a r a m e t e r s外加电压c 1r 1l lc 2r = i 匕+ rl 2u o ( k v )( p f )( q )( 1 a h )( p f )( q )( g h )61 4 01 7 l1 81 01 7 0o 1 5 4在拉氏域对该电路进行求解，得：卜踢+ 面1 + 壶一篱= 。卜蹦志) 邢，一哿= 。( 2 1 4 )( 2 1 5 )联立求解得：邢) = 丽意黜魏嵩端亿旧运用m a t l a b 编程，对其做逆拉氏变换，得到电流的时域表达式i ( t ) ，如图2 7所示：图2 7 电流时域表达式7 08 09 01 0 0f i g 2 7t i m ed o m a i no fc u r r e n te x p r e s s i o n通过上图，可以看到，静电放电电流波形上升时问为o 8 3 n s ，最大电流为2 2 5 a ，1 3j e 塞銮运太堂亟堂僮论塞j 盈l 立l 玉l j 曼j l 上3 0 n s 对应电流1 3 a ，6 0 n s 对应电流6 a ，与静电测试标准规定的波形参数基本一致。1 43 静电放电仿真分析3 1静电放电接触放电仿真静电枪模拟器被广泛的应用于各种电子设备的抗静电干扰测试中。静电可以严重的影响相关电子设备及系统的运行以及稳定性，为了更好地研究系统的稳定性，研究出一个尽可能精确地静电枪模拟器模型就变得很有必要。研究该模型的根本目的不是为了准确预测静电放电模拟器接触放电时产生的电场和电流，而是为了使模型的具体结构与实际静电模拟器更加的匹配并且使模拟得到的结果及电磁场分布变化与实际测试结果更好的吻合。本文所采用的模型属于一个折中的结构，它并不是如测试标准所示的简化模型，也不是实际静电枪模拟器内部完整电路模型。它简化了静电枪内部电路并且也简化了接地线模型，静电放电方式为接触放电，放电对象为大的金属平面。3 1 1静电放电接触放电激励源设置本文采用的激励源电流为我国学者毕增军，盛松林等人在2 0 0 3 年提出的新的e s d 电流解析表达式1 ：z ( t ) = i o ( 1 一e 一7 f - ) p e 一7 7 z + ( 1 一e - t r 3 ) g e 一7 7 。( 3 1 )式中，i 。和i ，两个参数分别关乎快、慢放电幅度。t 1 、t 2 、t 3 、t 4 与静电放电电流快慢上升时间相关，p 、q 是无量纲的常数。该函数是基于脉冲的表达式，它具有很多好的特性，如波形的峰值、前后沿的时间及其导数几乎都可以通过相关参数独立调整，同时，在零时刻，它的导数为0 。因为本文主要研究的是静电放电接触放电的情况，标准规定接触放电测试电压为6 k v ，6 k v 时的表达式为：i ( t ) = 15 9 ( 1 - e - t 0 6 2 ) 8e 玑1 + 91 ( 1 一g 一。7 5 5 ) 8 一7 2 6 ( 3 - 2 、用该电流表达式与标准i e c 6 1 0 0 0 - 4 2 的参数( 表2 一1 ) 要求相比较，我们可以看到他们拟合的非常好，并且满足标准当中的规定，故在仿真模型中，可以用该表达式作为激励电流对e s d 接触放电进行研究。下图4 1 为仿真用激励源波形( 放电电压为6 k v ) ：3 一l ：& 蛐n ：s i g n a l l ( a )一呐- _ - _ji v卜、h1 峨oh- h _ -_ 10i o2 03 04 05 06 07 0b 09 01 0 0t 衲e 憾图3 1 仿真用激励源波形f ig 3 1d r i v es o u r c ew a v e f o i t l lo fs i m u l a t i o n仿真用激励源波形曲线与标准i e c 6 1 0 0 0 4 2 规定曲线具体拟合情况见下表表3 1 仿真激励电流与i e c 6 1 0 0 0 4 1 标准电流比较t a b l e3 1c u r r e n tc o m p a r i s o no fs i m u l a t i o na n di e c 6 1 0 0 0 - 4 2放电电压峰值电流a上升时间( n s )3 0 n s 时电流a6 0 n s 时电流a6 k v仿真2 2 5o 8 01 2 0 76 0 1标准2 2 50 7 一l1 263 1 2静电放电接触放电模型静电放电接触放电模型主要包括两个部分，个是静电枪的模型，一个是放电金属板模型。静电放电金属板尺寸为6 0 c m * 6 0 c m * o 1 c m 。静电放电接触放电模型如图3 2 所示：1 6西孙蛞协5o图3 2 静电放电接触放电模孤!f ig 3 2m o d e lo fe s dc o n t a c td i s c h a r g e静电枪模型由电介质和金属以及集总参数元件构成。具体结构模型如下图3 3 所示：图3 3 静【u 枪模) 诅f i g 3 3m o d e lo fe s ds i m u l a t o r由图中可以看出静电枪模型非常j i , j 4 j c ，但也尽量接近了实际静电枪构造情况。为了更好地了解模型构造，下图3 4 给出了具体的参数前i 置以及数值大小：3 3 0 i l姘图3 4 静电枪模型等效图f i g 3 4e q u i v a l e n tm o d e lo f e s ds i m u l a t o r集总参数的选值是为了更好地与人体金属静电放电型匹配，1 5 0 p f 电容与3 3 0 f 2 的电阻都是标准i e c 6 1 0 0 0 4 2 里规定的，其他的参数的选择是考虑了人体手、前臂和小金属物件的电容和电阻。如图3 4 ，离散端口p o r t l 为电流激励源端口，通过p o r t 2 可以得到当静电枪向金属板放电时放电尖端处的电流波形( 图3 5 ) 。d i s 啾p o rc u r r e n tm es 唾谜( a )黻【 3厂”、h爿。“1 4 * 铀j_ _ m 01 02 03 0钧弱为鼢钧l 鞠t r e e fn s图3 5 放电尖端电流波形f i g 3 5t i pd i s c h a r g ec u r r e n tw a v e f o r m由图3 5 可以看到，在第二上升沿，电流波形有轻微的震荡，这些震荡是由| | | | | | |模型中电感，电容产生的谐振引起的。图3 6 为放电尖端电流的频谱幅度曲线：0 t , c r e t ep 0 f tc u r r e n tm a n , r u d e ( a )|l- l 攉| | l l i 。_ “硇诤删麟秘掰嗍。，l鬻。嘲蛹黼黼黼弛妯“确删蝴捌喇oo zo l 珥0 60 8ll 。21 l 61 8z融q i 州f 鼬图3 6 尖端放电电流频谱幅度曲线f i g 3 6s p e c t r u ma m p l i t u d ec u r v eo fp o i n td i s c h a r g ec u r r e n t图中可以看到，尖端放电电流频谱的分布范围主要集中在o 8 g h z 到1 6 g h z之间，由此说明静电放电的高频干扰是非常严重的。3 1 3静电放电接触放电瞬变电场分布在金属板上设置了电场探针，用来监测当接触放电发生时，分别距离放电点1 0 c m 、2 0 c m 、4 0 c m 距离时，金属板表面辐射电场的变化情况。具体分布情况见下图3 7 ，其中a 、b 、c 与接地电缆垂直，即测试点与静电放电点的连线与接地电缆垂直，d 、e 、f 与接地电缆成一条直线，即测试点与静电放电点的连线与接地电缆成一条直线：1 9图3 7 【乜场探针分布f i g 3 7e l e c t r i cf i e l dp r o b ed i s t r i b u t i o n如上图，a 、b 、c 、d 、e 、f 为电场探钭4 的位置标示，基本单位为m m ，它们的坐标分别为a ( 1 0 0 ，0 ，o ) 、b ( 2 0 0 ，0 ，o ) 、c ( 4 0 0 ，0 ，0 ) ，d ( o ，1 0 0 ，0 ) 、e ( 0 , 2 0 0 ，0 ) ，f ( 0 , 4 0 0 ，0 ) ，它们所监测得到的电场都是z 方向的值，所得的时域值如图3 8 3 1 3所示：晌o e i m 国n 盎n 铷_ j 。l 。_ j _ 。j l 一- - j l j j j ja a a n v 、，、甲一 fvv j苴j ；聿一、：j ! 一! ! ! ：! ”t r f r r 1 。 + - 一01 02 0如筏弱鼬7 0鼬蛳i 、协e jn s劁3 8a 点电场值( z 方向)f i g 3 8p o i n tae l e c t r i cf i e l dv a l u e ( zd i r e c t i o n )珊l薹删溯嬲姗o蚕糯霉；铆眺t 孤泌n 蜘-土一 ；f a v 0 矿智一。-i “ol o慧3 0钧弱6 07 0舯帅1 骶m图3 9 b 点电场值( z 方向)f i g 3 9p o i n tbe l e c t r i cf i e l dv a l u e ( zd i r e c t i o n )胁s 瞄h 咖i 1i。i船舭k 妻k 芒k v。l ilt oi o4 0弱国两粥椭协e 细图3 1 0 c 点电场值( z 方向)f i g 3 10p o i n tce l e c t r i cf i e l dv a l u e ( zd i r e c t i o n )2 1圣锄程：2 0 j o 0 0 。粥 铡露稻0 。嘲潮撇摊撇糯姗谢。锄姗饿蝴硼鼬瞄蕈i0硼；璧嘶p r o b e t r e e 瓣h w mi-。衄一附，、一一o ，- - 一-_- _ 2 0405 0固7 0船辨蜘t 炳图3 1 1d 点电场值( z 方向)f i g 3 11p o i n tde l e c t r i cf i e l dv a l u e ( zd i r e c t i o n )p 漱腿蛐v i mf，n脚，、 一矿o2 03 。稍5 06 07 08 09 0埘t 慨如图3 1 2e 点电场值( z 方向)f i g 3 1 2p o i n tee l e c t r i cf i e l dv a l u ef zd i r e c t i o n )2 2e i e | dc z ；0 ，01 0 0 00 0 ) 【l ji 融z ；2 0 0 0 0 嗍锄椭狲。砌懈姗锄姗黼撇。姗砌珊t 畹s i 9 l 泰h 蜘li6莎胁舭voi o船3 05 07 08骶7 髂图3 1 3f 点电场值( z 方向)f i g 3 13p o i n tfe l e c t r i cf i e l dv a l u ef zd i r e c t i o n )图3 8 3 1 3 所示的是放电电压为6 k v 时电磁场时域分布波形。波形是震荡衰减的，振荡周期大概为4 n s 。电场的峰值均出现在最初的3 n s 以内，且第一峰值一般是第二峰值的两部，但是c 点和f 点的情况除外，因为c 点和f 点离金属板较近，由于电场传播的受到金属边缘反射的作用，使得第二峰值较高。通过对比所得电场时域分布的第一峰值大小，我们可以得到第一峰值大小与观察点距放电点的距离成反比，随着距离成倍的增加，第一峰值呈现出成倍缩小的趋势。尽管如此，在距离放电点为4 0 c m 的c 点和f 点，电场峰值也达到了千伏的数量级，由此可见，静电放电产生的电磁场干扰是非常强的。但是电场的持续时间较短，在4 0 n s时，基本上已经衰减为零。从图3 8 3 1 3 还可以看到，测试点d 、e 、f 的峰值分别大于a 、b 、c 三点的峰值，这是由于接地电缆方向影响的。为了验证这一现象，我们在下章中进行了实验测量。3 2静电放电与金属腔体孔缝耦合的仿真分析屏蔽的方法一般是在电子设备的外部加一个金属腔体，将电子设备尽可能的完全封闭在金属腔体内，及内部场和外部场完全隔离，但是一般由于通信导线接口、天线、散热孔、通风孔以及电源的存在，电子设备是不可能完全封闭的，外部的磁场总是可以通过“前门”或者“后门”耦合进入系统。“前门”是指通过天线的耦合，“后门”是指通过目标腔体上的通信导线接口、天线、散热孔、通风孔以及电源等的耦合。因此，研究被屏蔽系统内部耦合场的分布情况及e s d 产生的辐射场与铷嘶蛳0勋嘲啪带孔缝金属腔体的耦合规律，对将来更好地更有效的探索电子设备系统的电磁防护措施具有重要的意义。3 2 1静电放电与金属腔体孑l 缝耦合仿真模型静电枪模型依旧采用3 2 节中所用的模型。激励源电流波形依旧耿放电电压为6 k v 时电流波形。模型中金属腔体的尺寸：大小为3 0 c m * 3 0 c m * 3 0 c m 。腔体壁为理想导体壁，在腔体壁上丌一个2 c m * 2 c m 尺弋j 的f 方形孑l 缝，在腔体内，沿z 轴的负方向，距离孔缝中心处5 c m ，1 0 c m ，1 5 c m 和2 0 c m 处设置电场探针，记录当静电放电发生时，腔体内电场的分布变化情况。在仿真中，设放电点距离金属腔体孔缝中心的距离为2 c m ，求解腔体内电场分布变化情况。模型的示意图如3 1 4 所示：蚓3 1 4 静电放1 l l 与金属腔体孔缝耦合仿真模，弘f i g 3 1 4c o u p l i n gs i m u l a t i o nm o d e lo f e s da n dm e t a lb o d yc a v