刘鹏宇，徐晓英，甘瑛洁，舒晓榕，张成铭

（1.武汉理工大学 理学院，武汉430070；2.ESDEMC 科技有限公司，密苏里 罗拉65401，美国）

静电放电ESD 具有高电位和大瞬时电流[1]，会对电子设备造成损伤或干扰。 近年来，随着微电子技术和器件工艺的迅猛发展，各种微电子器件的集成度大幅度提高，使得电子设备的电磁抗扰度降低且抗过压能力下降。 ESD 严重威胁着现代信息化电子设备和武器系统，尤其对电子设备的潜在性失效威胁更为严重且难以预测[2-3]。

ESD 可分为2 类，电流注入放电和空气击穿放电[1]。由于空气式ESD 涉及到外部火花通道的形成过程，温度、湿度、放电电压的大小与极性、模拟器放电电极接近被测物体的速度等因素都会引起放电过程的显著变化，因此该方式的放电重复性极差[4]。然而，空气式ESD 是实际工程技术和生活环境中出现概率最大的放电现象，也是对电子器件和设备造成损伤或干扰的最主要方式之一，成为电子工业迫切需要解决的一个重要问题[3-5]。 因此对空气式ESD的试验研究及其规律的研究刻不容缓。

在前期，原青云、贺其元等人进行了关于电流靶的空气式ESD 试验[4，6]，但在实际ESD 抗扰度测试中，受测对象不是电流靶而是某一电子设备。 为了能够使电流靶的空气式ESD 与具体电子设备的空气式ESD 的试验结果相互印证， 在相同环境、相同位置进行了不同放电电压、不同极性、不同放电电极接近速度等条件下对地空气式ESD 试验研究。

1 试验装置与试验方法

对地ESD 放电电流波形测量系统如图1 所示。该系统包括ESD 模拟器、1 GHz 带宽F65 电流钳、ESD 空气式静电放电速度控制器、采样率5 GS/s 和带宽2 GHz 的示波器、20 dB 衰减器、法拉第笼。

图1 测量系统示意图Fig.1 Schematic diagram of measuring system

空气式ESD 速度控制器由空气放电控制监测仪、导轨、铝板3 部分组成。 ESD 模拟器由特制的夹具固定于导轨上，由空气放电控制监测仪控制上下移动，速度0.05～0.5 m/s 可调。 F65 电流钳置于ESD模拟器夹具之中，位于ESD 模拟器放电尖端处。 铝板放置在标准ESD 抗扰度测试平台上。 法拉第笼、示波器、铝板接地。

试验前，校准ESD 模拟器和电流钳，环境湿度30%，温度22°C。试验时，ESD 模拟器选择人体金属模型和空气式放电模式， 在不同放电电压水平、放电极性（±2，±4，±6，±8，±10，±12 kV）以及不同放电电极接近速度（0.1，0.3，0.5 m/s）的条件下，分别进行对地空气式ESD 试验，记录放电电流波形的特征值并保存波形数据，每种试验条件重复6 次。

2 试验结果与分析

2.1 放电电压对空气式ESD 的影响

试验研究发现，放电电极接近速度一定时，随着放电电压的增加，无论正极性还是负极性的放电，放电电流波形均发生极大变化，如图2 所示。图2 为模拟器接近速度为0.3 m/s 时，不同放电电压U 的放电电流波形主波形。 图2a 和图2c 为放电的完整主波形，图2b 和图2d 为对应主波形第一峰的放大图。

图2 不同放电电压的放电电流波形Fig.2 Discharge current waveform of different discharge voltage

IEC 61000-4-2 标准[7]中，给出的ESD 模拟器接触式放电电流波形的典型参数，放电电流峰值Ip与放电电压成正比，上升时间tr为0.7～1 ns。 文献[4，6]中对电流靶的空气式ESD 实际测量值表明：放电电流峰值大小在±20 kV 以下大体上随放电电压线性增加，与接触式放电情况一致；上升时间随放电电压的增加而增加，但呈非线性，即电流波形的前沿逐渐变得平坦，这在±12 kV 及以下放电电压时是极其明显的。

对地空气式ESD 试验中，±2，±4，±6 kV 放电电压的放电电流峰值及变化趋势与IEC 61000-4-2 标准一致，上升时间趋近相同；但在±8，±10，±12 kV，放电电流峰值随放电电压的增大而减小，上升时间随放电电压的增大而增大，如图3 和图4 所示。 图3，图4 分别为模拟器接近速度为0.3 m/s 时，不同电压放电的放电电流峰值和上升时间。

图3 不同放电电压的放电电流峰值Fig.3 Peak discharge current of different discharge voltage

图4 不同放电电压的上升时间Fig.4 Rise time of different discharge voltage

试验发现，在相同放电电压、极性和相同模拟器接近速度条件下，放电电流峰值越大，上升时间越小，如图5 所示。

图5 放电电流峰值与上升时间的关系Fig.5 Relationship between peak current and rise time

图5为在同一试验条件下记录不同放电电压、极性的峰值放电电流与上升时间，接近速度0.3 m/s。试验条件改变时，放电电流峰值与上升时间同时发生变化：随着放电电压的升高，放电电流峰值变小的同时，上升时间增加。 在图中表现为放电电流波形第一峰高度变小的同时变平缓， 在-8 kV 时尤为明显，第二峰高度随放电电压增加不断增大；而在8，10，12 kV 时第一峰高度不断变小，±12 kV 时第二峰的高度甚至超过了第一峰。

上升时间随放电电压的增加而增加，但呈非线性， 即放电电流波形前沿逐渐变得平坦的现象，出现的原因是放电电压较低时电弧长度很短，而在放电电压较高时电弧长度较长[2]。 放电电压相同时，放电能量相同，当电弧长度较长时，上升时间会增加，能量在更长时间释放，则电流峰值减小。 同时，电晕也会造成部分能量的损耗，导致放电电流波形总能量减少，电流峰值随之减小。

2.2 接近速度对空气式ESD 的影响

不同接近速度、不同放电电压时放电电流峰值和上升时间分别如图6，图7 所示。由于放电电流峰值的异变从±8 kV 开始，而放电电压小于±8 kV 时，上升时间趋近相同，因此图中仅列出±8，±10，±12 kV时的放电电流峰值和上升时间。

由图6 可见，模拟器接近速度越大，放电电流峰值越大，与放电电压极性无关。 由图7 可见，模拟器接近速度越大，上升时间越小，与放电电压极性无关；随着放电电压的增大，上升时间随之变大，在放电电压极性为正时尤为明显。 在接近速度为0.5 m/s 时，上升时间变化极其微小。

图6 不同接近速度的放电电流峰值Fig.6 Peak discharge current at different speeds

图7 不同接近速度的上升时间平均值Fig.7 Rise time at different speeds

接近速度会影响到统计时间延迟，进而影响到电弧长度[4]。 放电电压一定时，接近速度越快，在相同时间延迟内电极移动距离越长， 电弧长度越短，放电能量释放越集中，则放电电流峰值越大，上升时间越快。

2.3 放电电流波形出现多次波形

试验发现，放电电流波形出现了二次、三次甚至四次波形。 放电电压为-12 kV，接近速度为0.3 m/s时完整的放电电流波形如图8 所示。

图8 完整的放电电流波形Fig.8 Whole discharge current waveform

不同放电电压、不同极性单次放电下产生的完整放电电流波形如图9 所示。 为方便制图与观察，将多次波形的时间轴前移，使各次波形处于同一起点。 模拟器接近速度为0.3 m/s，各图中横轴坐标的范围相同，纵轴分度不同，大小不能直接比较。 由图9 可知，多次波形分别在+2 kV 和-8 kV 初次显现。

图9 完整的放电电流波形Fig.9 Whole discharge current waveform

记录多次波形参数以及单次放电的多次波形之间时间间隔ti， 由于多次波形个数即使在试验条件完全相同时也不尽然相同，所以仅列出主波形与二次波形之间的时间间隔，如图10 所示。

图10 为不同放电电压、 不同极性单次放电产生的完整放电电流波形的主波形与二次波形的时间间隔。 由图可见，随着模拟器接近速度的增加，主波形与二次波形之间的时间间隔减小。 图10 结果表明，时间间隔随放电电压的增大而增大，随接近速度的增大而增大。

图10 主波形与二次波形之间的时间间隔Fig.10 Time interval between the primary and secondary waveforms

对多次波形产生原因的分析是电容的充放电作用，即ESD 抗扰度试验平台的结构，如图11 所示。铝板、水平参考平面、接地参考平面通过接地线构成3层电容结构，ESD 模拟器放电尖端携带静电荷，铝板、水平参考平面感应出静电荷，放电尖端击穿空气放电后，由于水平参考平面与大地之间连接2 个470 kΩ电阻，电荷倾泄较慢，反之对ESD 模拟器放电尖端产生感应，使放电尖端再次携带静电荷。与此同时，ESD模拟器在自动速度控制器的控制下继续向下移动，直到放电尖端携带的静电荷再次击穿空气对铝板放电产生多次波形，这同时也解释了随着模拟器接近速度的增加，主波形与二次波形之间的时间间隔减小。 如图8 和图9 所示，二次波形的形状与主波形一致，上升时间与主波形相近，二次波形电流峰值达到13.8 A，可能对设备造成二次损伤或累积效应。

图11 静电放电抗扰度试验平台结构Fig.11 Structure of ESD immunity experimental platform

3 结语

对地空气式ESD 试验中，±2，±4，±6 kV 放电电压的放电电流峰值及变化趋势与IEC 61000-4-2 标准一致，上升时间趋于相同；但在±8，±10，±12 kV，放电电流峰值随放电电压的增大而减小，上升时间随放电电压的增大而增大。 其原因为放电电压较高时，电弧长度较长，上升时间增加，能量在更长时间释放，电流峰值减小。

放电电流峰值随接近速度的增大而增大，上升时间随接近速度的增大而减小； 接近速度越快，在相同时间延迟内电极移动距离约长， 电弧长度越短，放电能量释放越集中，则放电电流峰值越大，上升时间越快。

多次波形由于试验平台结构的电容振荡而产生。 多次波形的上升时间与主波形一致，其中二次波形的峰值可达13.8 A， 存在对电子设备造成二次损伤或累积效应的可能。