貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 伏 釗貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 阮方鳴

非接觸靜電放電的電極移動(dòng)速度和氣體壓強(qiáng)影響分析

貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院 伏 釗
貴州師范大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院 阮方鳴

靜電放電(ESD)發(fā)生時(shí)，放電參數(shù)（電流、峰值、上升時(shí)間）受氣體壓強(qiáng)、電極移動(dòng)速度等多種環(huán)境因素而發(fā)生明顯變化。理論上，應(yīng)用流體力學(xué)中的流體連續(xù)性定理和Bernoulli定理說明電極移動(dòng)速度怎樣影響放電參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，通過改變電極移動(dòng)速度和氣體壓強(qiáng)來考察放電電流峰值和上升時(shí)間，并試圖對(duì)引起放電結(jié)果參數(shù)明顯差異的內(nèi)在機(jī)制加以分析闡釋。在ESD的測(cè)試中，靜電放電參數(shù)測(cè)試結(jié)果呈現(xiàn)低重復(fù)性。從理論上和實(shí)驗(yàn)上對(duì)ESD參數(shù)的低重復(fù)特性進(jìn)行深入研究，對(duì)于充分認(rèn)識(shí)和把握靜電放電的本質(zhì)和靜電放電的危害防護(hù)有重要理論和實(shí)際意義。

靜電放電；電極移動(dòng)速度；氣體壓強(qiáng)；峰值電流；上升時(shí)間

1.引言

在現(xiàn)實(shí)的工業(yè)、科技、武器、日常生活出現(xiàn)的靜電放電，有氣體參與的放電占據(jù)著多數(shù)。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)具有低重復(fù)特性。這種低重復(fù)性，對(duì)于認(rèn)識(shí)靜電放電本質(zhì)特性，從而采取措施防止靜電放電危害，對(duì)于間接靜電放電測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的制定，有著非常重要的意義。

同時(shí)，德國研究者Rampe和Weizel提出了以他們名字命名的Rampe-Weizel公式[1]，用來描述放電間隙作為等效電阻不滿足歐姆定理的情況。類似的研究還包括Bragniski，Toepler，Renninger等人的工作[2]-[9]。已經(jīng)發(fā)表的國內(nèi)國際文獻(xiàn)，雖然對(duì)氣體靜電放電參數(shù)的低重復(fù)性進(jìn)行了或多或少、或直接或間接地進(jìn)行了一些討論，但對(duì)這種影響的內(nèi)部機(jī)理研究則幾乎沒有涉及，沒有進(jìn)行深入研究和闡明。由導(dǎo)師團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的新型測(cè)試系統(tǒng)可以得到不同速度和氣壓下參數(shù)的測(cè)量值，完成對(duì)該參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。對(duì)2種因素定量控制影響ESD效果的可能機(jī)制試圖進(jìn)行分析，討論描述其物理過程的模型、數(shù)值分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.理論分析

應(yīng)用流體力學(xué)中流體連續(xù)性定理和Bernoulli定理，就氣體放電參數(shù)測(cè)試低重復(fù)性的物理原因進(jìn)行討論，分析其內(nèi)在機(jī)理，提出物理模型。根據(jù)Townsend放電理論，放電電流與第一電離系數(shù)α存在著關(guān)系[i=i0exp(αx)]，而該系數(shù)α又與氣體壓強(qiáng)P有指數(shù)關(guān)系[α=APexp(-BP/E)]。對(duì)于內(nèi)在機(jī)理研究，可能找到非接觸靜電放電重復(fù)性差的本質(zhì)。

圖1 流體連續(xù)性原理示意圖

2.1 流體的連續(xù)性原理

對(duì)于如圖1所示流管，考慮到不同橫截面SA和SB，以及它的流速VA與VB，它們有如下關(guān)系：

其中，QA和QB分別是流過不同兩點(diǎn)A點(diǎn)和B點(diǎn)所在處橫截面積的流量，A點(diǎn)處流體的橫截面積和流速分別為SA，VA，點(diǎn)B所在處的橫截面積和流體速度SB，VB。從(2.1.1)式可知，理想流體內(nèi)的流量是恒定不變的常量。

2.2 Bernoulli定理

根據(jù)Bernoulli定理，可以寫出：

圖2 電極靜止和低速移動(dòng)時(shí)沒有流管形成

圖3 電極快速移動(dòng)時(shí)有流管形成，導(dǎo)致PA＜PB

由上面2.1.1可知：

從圖1可以明顯看出：

所以由(2.2.4)得到：.

因此可推導(dǎo)出A點(diǎn)的氣體壓強(qiáng)為：

這樣，就可以推得：

即放電間隙內(nèi)部壓強(qiáng)小于外部壓強(qiáng)。

根據(jù)湯生放電理論公式：

其中，α是單位長度上電離出的載流子數(shù)，d是放電間隙的度，同時(shí)，由式（2.2.10）可知α與氣體壓強(qiáng)存在非常強(qiáng)關(guān)系：

在（2.2.10）式中，電極到放電靶間的場強(qiáng)E，P是氣體強(qiáng)；A和B是分別與氣體性質(zhì)和電極材料有關(guān)的常數(shù)。

當(dāng)電極以較慢速度運(yùn)動(dòng)到放電靶，如圖1所示，沒有流管形成，而以較快速度運(yùn)動(dòng)（＞10cm）時(shí)，間隙之間場強(qiáng)隨著間不斷減小而增大，此時(shí)，快速運(yùn)動(dòng)的電極會(huì)似的氣體壓強(qiáng)而下降[10-11]。根據(jù)以上的(2.2.9)，(2.2.10)兩式，放電電流將以很陡斜率迅速上升到峰值。

3.新型ESD效應(yīng)測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及原理

根據(jù)國際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2制造的靜電放電發(fā)生器(俗稱放電槍)，是對(duì)放電過程的模擬裝置。如圖4所示，出了該新型測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型圖。

圖4 電極移動(dòng)速度效應(yīng)檢測(cè)儀

在測(cè)量時(shí)的兩種參數(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；

4.測(cè)試結(jié)果及其分析

4.1 電極移動(dòng)速度與測(cè)試結(jié)果關(guān)系分析

在圖4所示實(shí)驗(yàn)平臺(tái)下，實(shí)驗(yàn)箱溫度為21℃，相對(duì)濕度35%，放電槍電壓2KV，用電極移動(dòng)速度檢測(cè)儀進(jìn)行固定小間隙靜電放電的實(shí)驗(yàn)。通過改變電極移動(dòng)速度和氣體壓強(qiáng)，獲得電流峰峰值和上升時(shí)間如表1和表2所示。

表1

由表1可知，放電電壓一定情況下，峰值電流與速度成正比，而上升時(shí)間與速度成反比關(guān)系。這是因?yàn)樗俣容^快時(shí)，放電頭上分布電容電荷量只要較少電荷量消散在周圍環(huán)境中，所以才使得放電電流峰值大。上升時(shí)間反應(yīng)的是放電波形前沿的陡峭程度?，F(xiàn)代微電子設(shè)備對(duì)波形的前沿最敏感。因此，速度越快，上升時(shí)間越短，對(duì)于敏感設(shè)備造成干擾越強(qiáng)。目前，在非接觸靜電放電標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于速度并未提出規(guī)定，上面實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)際ESD抗度實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

4.2 氣壓與測(cè)試結(jié)果關(guān)系分析

表2

由表2可知，放電電壓一定情況下，峰值電流與氣壓成反比，而上升時(shí)間與速度成正比關(guān)系。當(dāng)氣壓越小，由電極發(fā)射載流子能以更快速度打到放電靶，使得放電電流峰值越大。目前，在非接觸靜電放電標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于氣壓變化并未提出規(guī)定，上面實(shí)驗(yàn)對(duì)于實(shí)際ESD抗擾度實(shí)驗(yàn)具有重要意義。

5.結(jié)語

因非接觸靜電放電參數(shù)測(cè)量結(jié)果受多種環(huán)境因素作用導(dǎo)致的低重復(fù)特性，現(xiàn)有的電磁兼容測(cè)試國際標(biāo)準(zhǔn)體系中尚未制定非接觸靜電放電測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)。為探索非接觸靜電放電受電極速度和氣壓作用機(jī)制，用流體連續(xù)性定理和Bernoulli定理進(jìn)行理論分析，基于新型ESD測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了放電結(jié)果參數(shù)的測(cè)試。分析實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果隨不同氣壓和速度的變化情況，并就靜電放電結(jié)果產(chǎn)生差異的原因，進(jìn)行了初步理論推演和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

下一步工作就估算在電極移動(dòng)過程中耗散的能量。找到它們與速度與氣壓關(guān)系。

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[11]阮方鳴,石丹,楊乘，高攸綱,周峰,劉素玲．在小間隙放電中用Bernoulli定理分析電極移動(dòng)速度效應(yīng)[J]．電波科學(xué)學(xué)報(bào),第24卷第3期,2009年5月:551-555．

E ffect Analysis of E lectrode M oving Speed and Gas Pressure on Non-contacted Electrostatic Discharge

Fu Zhao1，Ruan Fangming2
（1.Institute of Big data and information engineering，Guizhou University，Guiyang 550025；2.Institute of physics and electronics，Guizhou Normal University，Guiyang 550003）

Electrostatic Discharge(ESD)parameters of discharge current，electric f eld，rise time，shown distinctive variation caused by effect of environment multiple factors of gas pressure，electrode speed to the target when ESD exists.In theory，base on application of Coninuity and Bernoulli theorem，a theoretical description is proposed for the mechamism of speed effect of electrode moving on discharge parameters.Relationship of discharge peak value and rising time variation w ith electrode moving speed and gas pressure were described and discussed.Analysis was given on possible mechanism of low repeatability of ESD parameters.Measurement results of discharge parameters have obviously low repeatability in non-contacted electrostatic discharge due to effect of surrounding multiple factors.Investigation of ESD parameter low repeatability was performed with methods of theory and experiment for important theory and practice signif cance to understand ESD properties and to protect electronic systems from ESD harm.

electrostatic discharge；electrode moving speed；gas pressure；peak value current；rising time

伏釗（1988—），男，貴州大學(xué)大數(shù)據(jù)與信息工程學(xué)院電磁場與微波專業(yè)在讀碩士研究生，研究方向：電磁兼容。