前言

靜電的模型有很多分類，常見的有人體模型、機械模型、帶電器件模型等等，當我開始接觸到這些模型時，心里就有疑問這些模型時怎么來的？很多人也搞不清楚靜電模型的參數是怎么來的，直到有一天我看到了一本書，解開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》-劉尚合。沒心情看書的，小編在此給大家總結一下。

1.人體電容理論模型

1.1 概念

人體模型（Human Body Model），簡稱HBM。主要用來模擬人體靜電放電對敏感電子器件的作用。人體是產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，通常可以忽略；電容C是與人體身高、體重、衣著及地面和周圍的材料有關系。影響最大的是人體的電容

，

其中是人體與地面構成的電容，如圖 2所示，

圖 2人體與地面構成的電容

（1）

式中為鞋底的相對電容率，S為鞋底的面積，d為鞋底的厚度。

把人體看成孤立導體，對自由空間的電容，如圖 3所示，

圖 3 人體對自由空間的電容

（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 人體模型參數的測量

1976年科克等人提出分別用高壓電流通10MΩ的電阻把被測人體和 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一個1kΩ的電阻對地放電，并用電流探頭和示波器采集放電電流波形，通過比較人體和電容器的放電電流的峰值來確定人體放電參數。

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 ，所以測出I0與Ip之后可通過上式得到R B 。

通過計算人體放電電流波形的時間常數τ，由τ/RB可 得到人體電容C B ，根據這種測試方法得到的人體參數 C B =132～190pF，R B =87～190Ω。

1980年5月，美國海軍司令部發布了DOD1686標準，規定了標準的人體ESD模型，用100pF的電容器串聯1.5千歐的電阻作為人體ESD模型。標準ESD STM5.1-1999以及IEC61340-3-1規定了標準人體模型的電路參數和放電電流波形及電流參數。

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%，且脈沖開始100ns后應該觀察不到，tr為脈沖上升時間，210ns，td~為脈沖衰減時間，150±20ns。

這里應該注意到標準中規定的人體模型主要針對不同場合對器件或設備的敏感度測試，所以不同場合的規定的參數有所不同，這也就不奇怪了。

2.機械模型

機械模型MM（Machine Model），最先由日本提出，主要用來模擬導體帶電后對電子器件放電事件。如在SMT階段的生產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 機械模型原理

機械模型最初提出是試圖研究“最嚴酷”的人體模型，所以其等效電阻R應該盡可能的小，一般為0。同樣等效電感非常小，所以也看做是0。而通過各種對比試驗表明機械模型比人體模型更嚴酷，同等電壓條件下器件對機械模型更敏感。

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ESD協會制定的標準ESD STM52-1999和國際電工委員會IEC61340-3-2規定了機械模型的相關波形。短路電流波形如圖 6所示，通過500歐姆電阻放電波形如圖 7所示。

圖 6 機械模型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500歐姆電阻放電的機械模型 ESD典型電流波形

Ipr大峰值電流，I100是100ns時的電流值。

在我們的設計中經常關注器件的人體模型的靜電能力，而機械模型卻不太關注，這主要原因是我們國內的研發工程師與生產工環節脫節，不了解生產環節的機器的靜電控制能力如何，想當然的生產是專業的一切交給他們就好。正確的做法是了解你們公司的SMT供應商，他們及機器設備的靜電能力控制情況如何，國內大部分生產商的靜電能力控制如何，在選用器件時一定要大于機器設備的靜電產生能力，控制好每一個環節。

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、運輸等過程中可能因與物體及包裝材料等接觸、摩擦而帶電 , 當帶電的電子元器件接近或接觸導體時，便會產生靜電放電。由于帶電器件靜電放電對敏感電子器件會造成較大的危害，且IC日益增長的引腳帶來的器件帶電風險大大增加。1974年斯皮克曼等人最先提出了帶電器件模型來描述帶電器件發生的靜電放電現象，如圖 8所示。

圖 8 帶電器件模型

其中C為帶電器件的對地電容，它的容值與器件的管腳排列形式、封裝結構及器件放置時的方位等因素有關，一般僅為幾個pF。而R則為放電時，器件內部放電通道的電阻，一般僅為幾個歐姆。考慮到電阻較小，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量帶電器件的靜電能力，即直接充電和場感應充電。直接充電如圖 9所示，通過直接接觸對DUT充電，充電時容易損壞DUT，必須注意不能損壞DUT。場感應充電方式如圖 10所示，其是通過電場感應對DUT進行充電，這樣避免了充電過程中可能損壞器件的事情發生。故推薦采用場感應充電這種方法來進行測試。

圖 9 直接充電

圖 10 場感應充電方式

美國ESD協會標準 ESD STM5 .3 .1-1999 規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、運輸過程中一定要嚴格控制靜電產生，使用防靜電材料包裝元器件。小編曾見過某公司生產時倉庫發出去的元器件時，由于是不是整盤數量，而找了幾個塑料袋裝起來發到SMT工廠。這還是一家比較大的企業，窺豹一斑，可見國內很多電子廠生產過程中并不是每一個環節都做得很到位。這也折射出很多人對器件帶電模型的不了解，本文做個理論介紹，具體還得由廣大同仁身體力行。

4.傳輸線脈沖和場感應模型

4.1 傳輸線脈沖模型（TLP）

優點是可以提供元器件可能的失效機理方面的信息，目前大量御用ESD防護設計領域，TLP的等效模型如圖 12所示。

圖 12 傳輸線脈沖模型

TLP 測試系統的參數容易控制，電壓方波脈沖的高度V，電流值I=(V-V dut )/R；脈沖持續時間取決于傳輸長度，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,通過查看擊穿點和直流泄漏雪崩閾值來判定元器件的ESD失效水平。設計者在測試到的I-V曲線上，就可以分析器件的ESD承受能力及如何防護。

4.2 場感應模型

描述當對地絕緣的電子器件處于靜電場中時，電子極化現象或靜電感應會導致這些物體上的電荷分離，如圖 13所示。當電場足夠強時，這些物體上的感應電位可達到足夠高，電子元器件就會對周邊的物體放電，這一靜電放電過程被稱為場感應靜電放電。

場感應模型描述由于靜電場的作用導致靜電放電而引起器件失效的一種機制。而在這樣的機制下我們明確我們的器件會因什么而失效，器件或設備應盡量避免在強電場的環境下存放或使用。一些設備必須在強電場中運行需要做好足夠的靜電防護。

圖 13 場感應模型

5.人體金屬模型

人體金屬模型 （BMM）用來模擬帶電人體通過手持的小金屬物件，如螺絲刀、鑰匙等等，對其他物體產生放電時的情況。當帶電人體手持小金屬物件時，由于金屬物件的尖端效應，使得其周圍的場強大大增強，再加上金屬物件的電極效應，導致放電時的等效電阻大大減小。因此在同等條件下，它產生的放電電流峰值比單獨人體放電的要大，放電持續時間短。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年發布的IEC-1000-4-2（等同IEC61000）標準中規定的模型參數為：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。

并同時規定了靜電的放電電流波形，如圖 15所示。這也是我們現在熟悉的靜電標準中規定的人體模型，實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很小的等效無感電容Ca，當人體與帶電金屬物件被充電到一定水平，并對外放電時，此電容值很小且無感，所以能產生更快的上升沿時間。

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 指的是在計算機房或實驗室內那些易于移動的家具，如椅子、小的儀器搬運車等，由于摩擦或感應帶電后對其他儀器設備產生的放電過程。對于家具ESD的研究最早是在IBM公司進行的。為了加強其產品的防ESD能力，他們分別對人體ESD、人體-金屬ESD和家具ESD進行研究與比較，他們認為在同等的放電電位下，家具ESD產生的放電電流的峰值要比另外兩種形式的ESD產生的電流峰值要大，因此其造成的危害也就比較嚴重。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、結構、離地高低等因素影響很大，通過大量的測試之后，所以取了一個最壞情況下的值，C約為150pF，R約為15Ω，L約為0.2-0.4mH。其規定的放電電流波形如圖 17所示。

在歐洲計算機制造商協會發布的標準中采用了家具模型，而IEC只采用了人體-金屬模型，而我們國家的標準都是參考IEC發布的標準，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生的靜電損壞。在絕緣薄膜上將裸露芯片分成各個器件的操作中，芯片是用金屬夾進行夾拾的。此時，由于絕緣薄膜上的靜電荷使得芯片具有高電位，帶電的芯片對金屬夾頭放電產生了靜電。放電形成快速上升沿的放電電流,通過金屬夾頭流入芯片中，產生的瞬變高電壓施靜電放電及危害防護加于芯片內部結構上并造成芯片的損壞。帶電芯片模型用來測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進行測試，元器件充電和放電之間的時間會影響測試結果。CPM測試能保證元器件所有管腳通過高阻抗材料(酚醛塑料) 同時充電。見圖 19 所示。

當一特定放電電極靠近待測連接器時，通過接地1Ω電阻產生放電。放電脈沖波形通過示波器觀測。在元器件下次充電之前，用一套由兩列構成的電極來中和所有連接器，這樣所有可能的剩余電荷通過1MΩ的電阻泄漏至大地。然后進行新的試驗程序—充電、放電、中和等等。前面提到的CDM測試，元器件所有的管腳直接連接高壓源進行充電。CPM是通過其他的充電方法進行充電，使得測試盡量還原了實際的帶電器件充電過程。

圖 19 帶電包裝模型

7.3帶電電路板模型（Charged Board Model）

過去很長時間一直對PCB上元器件的靜電有誤解，認為PCB上的元器件能抗ESD。很多事實表明，導致PCB上元器件損壞的靜電放電電壓比單個元器件CDM或HBM測試的放電電壓要低。如圖 20所示。

圖 20 帶電電路板模型

待測PCB板置于絕緣板上,接地金屬板支撐此絕緣板。PCB由高壓單元充電，經由一連接器和1Ω電阻對地放電。PCB上元器件失效的發生有兩種常見情況。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，這類放電隨后發生。當人體將這塊電路板放置于架子上時，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進入，流過整流二極管正極，再流經負載，通過熱地，到整流二極管，再回到N，在這條通路上，有高速開關的大功率器件，有反向恢復時間極短的二極管，這些器件產生的高頻干擾，都會從整條回路流過，從而被接收機檢測到，導致傳導超標。

**共模干擾：**共模干擾是因為大地與設備電纜之間存在寄生電容,高頻干擾噪聲會通過該寄生電容，在大地與電纜之間產生共模電流，從而導致共模干擾。

下圖為差模干擾引起的傳導FALL數據，該測試數據前端超標，為差模干擾引起：

下圖為開關電源EMI原理部分：

圖中CX2001為安規薄膜電容（當電容被擊穿或損壞時，表現為開路）其跨在L線與N線之間，當L-N之間的電流，流經負載時，會將高頻雜波帶到回路當中。此時X電容的作用就是在負載與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，而不會進入市電，即通過電容的短路交流電讓干擾有回路不串到外部。

對差模干擾的整改對策：

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（因為共模電感幾種繞線方式，雙線并繞或雙線分開繞制，不管哪種繞法，由于繞制不緊密，線長等的差異，肯定會出現漏磁現象，即一邊線圈產生的磁力線不能完全通過另一線圈，這使得L-N線之間有感應電動勢，相當于在L-N之間串聯了一個電感）

下圖為共模干擾測試FALL數據：

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，從而被接收機檢測到，導致傳導超標（這也可以解釋為什么有的主板傳導測試時，不接地通過，一夾地線就超標。USB模式下不接地時，電流回路只能通過L-二極管-負載-熱地-二極管-N,共模電流不能回到LISN，LISN檢測到的噪聲較小，而當主板的冷地與大地直接相連時，線纜與大地之間有了回路，此時若共模噪聲未被前端LC濾波電路吸收的話，就會導致傳導超標）

對共模干擾的整改對策：

1. 加大共模電感感量

2. 調整L-GND，N-GND上的LC濾波器，濾掉共模噪聲

3. 主板盡可能接地，減小對地阻抗，從而減小線纜與大地的寄生電容。

二、產品電磁兼容騷擾源有：

1、設備開關電源的開關回路：騷擾源主頻幾十kHz到百余kHz，高次諧波可延伸到數十MHz。

2、設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百kHz；開關電源高頻整流噪聲頻率上限可延伸到數十MHz。

3、電動設備直流電機的電刷噪聲：噪聲頻率上限可延伸到數百MHz。

4、電動設備交流電機的運行噪聲：高次諧波可延伸到數十MHz。

5、變頻調速電路的騷擾發射：開關調速回路騷擾源頻率從幾十kHz到幾十MHz。

6、設備運行狀態切換的開關噪聲：由機械或電子開關動作產生的噪聲頻率上限可延伸到數百MHz。

7、智能控制設備的晶振及數字電路電磁騷擾：騷擾源主頻幾十kHz到幾十MHz，高次諧波可延伸到數百MHz。

8、微波設備的微波泄漏：騷擾源主頻數GHz。

9、電磁感應加熱設備的電磁騷擾發射：騷擾源主頻幾十kHz，高次諧波可延伸到數十MHz。

10電視電聲接收設備的高頻調諧回路的本振及其諧波：騷擾源主頻數十MHz到數百MHz，高次諧波可延伸到數GHz。

11、信息技術設備及各類自動控制設備的數字處理電路：騷擾源主頻數十MHz到數百MHz（經內部倍頻主頻可達數GHz），高次諧波可延伸到十幾GHz。