非接触静电放电的电极移动速度和气体压强影响分析

贵州大学大数据与信息工程学院 伏 钊贵州师范大学物理与电子科学学院 阮方鸣

非接触静电放电的电极移动速度和气体压强影响分析

贵州大学大数据与信息工程学院 伏 钊
贵州师范大学物理与电子科学学院 阮方鸣

静电放电(ESD)发生时，放电参数（电流、峰值、上升时间）受气体压强、电极移动速度等多种环境因素而发生明显变化。理论上，应用流体力学中的流体连续性定理和Bernoulli定理说明电极移动速度怎样影响放电参数。在实验中，通过改变电极移动速度和气体压强来考察放电电流峰值和上升时间，并试图对引起放电结果参数明显差异的内在机制加以分析阐释。在ESD的测试中，静电放电参数测试结果呈现低重复性。从理论上和实验上对ESD参数的低重复特性进行深入研究，对于充分认识和把握静电放电的本质和静电放电的危害防护有重要理论和实际意义。

静电放电；电极移动速度；气体压强；峰值电流；上升时间

1.引言

在现实的工业、科技、武器、日常生活出现的静电放电，有气体参与的放电占据着多数。在电子工业中，每年会因为大量集成电路失效或损坏而造成巨大的经济损失。而静电放电引起集成电路失效或损坏，占了全部三分之一的比例。静电放电发生时，放电间隙的电性质具有低重复特性。这种低重复性，对于认识静电放电本质特性，从而采取措施防止静电放电危害，对于间接静电放电测试标准的制定，有着非常重要的意义。

同时，德国研究者Rampe和Weizel提出了以他们名字命名的Rampe-Weizel公式[1]，用来描述放电间隙作为等效电阻不满足欧姆定理的情况。类似的研究还包括Bragniski，Toepler，Renninger等人的工作[2]-[9]。已经发表的国内国际文献，虽然对气体静电放电参数的低重复性进行了或多或少、或直接或间接地进行了一些讨论，但对这种影响的内部机理研究则几乎没有涉及，没有进行深入研究和阐明。由导师团队自主研发的新型测试系统可以得到不同速度和气压下参数的测量值，完成对该参数的实验室测量。对2种因素定量控制影响ESD效果的可能机制试图进行分析，讨论描述其物理过程的模型、数值分析和实验验证。

2.理论分析

应用流体力学中流体连续性定理和Bernoulli定理，就气体放电参数测试低重复性的物理原因进行讨论，分析其内在机理，提出物理模型。根据Townsend放电理论，放电电流与第一电离系数α存在着关系[i=i0exp(αx)]，而该系数α又与气体压强P有指数关系[α=APexp(-BP/E)]。对于内在机理研究，可能找到非接触静电放电重复性差的本质。

图1 流体连续性原理示意图

2.1 流体的连续性原理

对于如图1所示流管，考虑到不同横截面SA和SB，以及它的流速VA与VB，它们有如下关系：

其中，QA和QB分别是流过不同两点A点和B点所在处横截面积的流量，A点处流体的横截面积和流速分别为SA，VA，点B所在处的横截面积和流体速度SB，VB。从(2.1.1)式可知，理想流体内的流量是恒定不变的常量。

2.2 Bernoulli定理

根据Bernoulli定理，可以写出：

图2 电极静止和低速移动时没有流管形成

图3 电极快速移动时有流管形成，导致PA＜PB

由上面2.1.1可知：

从图1可以明显看出：

所以由(2.2.4)得到：.

因此可推导出A点的气体压强为：

这样，就可以推得：

即放电间隙内部压强小于外部压强。

根据汤生放电理论公式：

其中，α是单位长度上电离出的载流子数，d是放电间隙的度，同时，由式（2.2.10）可知α与气体压强存在非常强关系：

在（2.2.10）式中，电极到放电靶间的场强E，P是气体强；A和B是分别与气体性质和电极材料有关的常数。

当电极以较慢速度运动到放电靶，如图1所示，没有流管形成，而以较快速度运动（＞10cm）时，间隙之间场强随着间不断减小而增大，此时，快速运动的电极会似的气体压强而下降[10-11]。根据以上的(2.2.9)，(2.2.10)两式，放电电流将以很陡斜率迅速上升到峰值。

3.新型ESD效应测试系统的结构及原理

根据国际电工委员会标准IEC61000-4-2制造的静电放电发生器(俗称放电枪)，是对放电过程的模拟装置。如图4所示，出了该新型测试系统的结构模型图。

图4 电极移动速度效应检测仪

在测量时的两种参数范围：

(1)电极运动速度可控(0-1.0)m/s；

(2)气体压强可控，1atm-1/20atm；

4.测试结果及其分析

4.1 电极移动速度与测试结果关系分析

在图4所示实验平台下，实验箱温度为21℃，相对湿度35%，放电枪电压2KV，用电极移动速度检测仪进行固定小间隙静电放电的实验。通过改变电极移动速度和气体压强，获得电流峰峰值和上升时间如表1和表2所示。

表1

由表1可知，放电电压一定情况下，峰值电流与速度成正比，而上升时间与速度成反比关系。这是因为速度较快时，放电头上分布电容电荷量只要较少电荷量消散在周围环境中，所以才使得放电电流峰值大。上升时间反应的是放电波形前沿的陡峭程度。现代微电子设备对波形的前沿最敏感。因此，速度越快，上升时间越短，对于敏感设备造成干扰越强。目前，在非接触静电放电标准中，对于速度并未提出规定，上面实验对于实际ESD抗度实验具有重要意义。

4.2 气压与测试结果关系分析

表2

由表2可知，放电电压一定情况下，峰值电流与气压成反比，而上升时间与速度成正比关系。当气压越小，由电极发射载流子能以更快速度打到放电靶，使得放电电流峰值越大。目前，在非接触静电放电标准中，对于气压变化并未提出规定，上面实验对于实际ESD抗扰度实验具有重要意义。

5.结语

因非接触静电放电参数测量结果受多种环境因素作用导致的低重复特性，现有的电磁兼容测试国际标准体系中尚未制定非接触静电放电测试的标准。为探索非接触静电放电受电极速度和气压作用机制，用流体连续性定理和Bernoulli定理进行理论分析，基于新型ESD测试系统进行了放电结果参数的测试。分析实验室测试结果随不同气压和速度的变化情况，并就静电放电结果产生差异的原因，进行了初步理论推演和实验验证。

下一步工作就估算在电极移动过程中耗散的能量。找到它们与速度与气压关系。

[1]Meek and Craggs,Electrical Breakdown of Gases,Oxford Univ．Press Oxford,1953 and Wiley,New York,1978．

[2]S．I．Braginski,Theory of the development of a spark discharge,Sov．Phys．JETP,7(1958):1068-1074．

[3]R．G．Renninger,Mechanisms of charged-device electrostatic discharge,EOS/ESD Symp(1991)．

[4]Mesyats,Physics of Pulse Breakdown in Gases,Nauka Publishers,Russia,1991(in Russian)．

[5]D．L．Lin and T．L．Welsher,From ligntning to charged-device model electrostatic discharges,EOS/ESD Symp．(1992):67-75．

[6]J．C．Martin,Multichannel gaps,Switching Notes,Note 10,1970．

[7]V．M．Ristic and G．R．Dubois,Time dependent spark-gap resistance in short duration arcs with semimetallic cathodes,IEEE Trans．Plasma Sci．PS-6(4)(1978)．

[8]R．C．O’Rourke,Investigation of the resistive phase in high power gas switching,Lawrence Livemore Laboratories,University of California,1977．

[9]H．M．Hyatt,The resistive phase of an air discharge and the formation of fast rise time ESD pulses,EOS/ESD Symp．1992．

[10]阮方鸣,高攸纲,石丹,等．静电放电参数对电极速度的相关性与机理分析[J]．电波科学学报,2008,23(5):977-981．

[11]阮方鸣,石丹,杨乘，高攸纲,周峰,刘素玲．在小间隙放电中用Bernoulli定理分析电极移动速度效应[J]．电波科学学报,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

伏钊（1988—），男，贵州大学大数据与信息工程学院电磁场与微波专业在读硕士研究生，研究方向：电磁兼容。