微小間隙靜電放電中兩種放電模式的影響研究

阮方鳴 董 墨 吳 亮 王 義周 峰 石 丹 高攸綱

（1.貴州師范大學(xué)電子信息系，貴州 貴陽 550001；2.中國電子科技集團(tuán)第三十研究所，四川 成都 610041；3.北京郵電大學(xué)電子工程學(xué)院，北京 100876）

引 言

電極移動(dòng)速度對(duì)小間隙靜電放電參數(shù)有明顯的影響。文獻(xiàn)［1］－［8］討論了放電參數(shù)如放電電流峰值，電流峰值的時(shí)間變化率，電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度等隨著電極移動(dòng)速度、隨著氣體壓強(qiáng)等的變化情況。在很多文獻(xiàn)中具有電極移動(dòng)速度的靜電放電過程被認(rèn)為是空氣放電過程，沒有考慮接觸放電的影響。電極移動(dòng)速度為什么會(huì)對(duì)放電參數(shù)產(chǎn)生非常大的影響，至今尚無公認(rèn)的答案。通過用靜電放電模擬器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，我們測試了在不同放電間隙下向靶移動(dòng)放電的參數(shù)，分析了測試結(jié)果和電極移動(dòng)速度影響的物理含義。

1 靜電放電模擬器的等效電路

一種常用靜電放電發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，它滿足國際電工委員會(huì)制定的靜電放電測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61000－4－2。這種類型的靜電放電模擬器的結(jié)構(gòu)組成部分包括外殼、集總電容器、觸發(fā)開關(guān)、人體等效電阻、放電頭、接地電纜。同時(shí)，還外接高壓發(fā)生器作為充電電源。集總電容作為人體的等效電容，其取值大小為C＝150pF，模擬人體電阻的阻值為R＝330Ω，接地電纜的長度為2m.

與圖1的靜電放電模擬器相對(duì)應(yīng)，圖2給出了一種包含兩種不同放電模式的等效電路。該電路中所有的電路元件都用頻率域中的符號(hào)表示，通過拉普拉斯變換將時(shí)域量轉(zhuǎn)換為頻域量，便于推導(dǎo)與計(jì)算。靜電放電實(shí)驗(yàn)中放電靶（又稱檢流器）的有效電阻約為2Ω.該等效電路給出了與空氣放電和接觸放電兩種模式相對(duì)應(yīng)的兩種情況。

對(duì)于接觸放電模式，從圖2的右半部分可以看出，放電頭上的分布電容不需要考慮。但對(duì)于空氣放電模式（如圖2的左半部分），放電頭上的分布電容在整個(gè)放電過程中起著非常重要的作用。在用靜電放電模擬器進(jìn)行的放電實(shí)驗(yàn)中，所測得的放電電流中通常呈現(xiàn)出兩個(gè)大的波峰。由靜電學(xué)理論中電流與電荷的關(guān)系可知，放電電流波形曲線下的面積，代表放電過程中電量的多少。如果測得放電電流，就可以通過積分對(duì)泄放的電荷量進(jìn)行估算。在空氣放電模式中，人體等效電容和放電頭上分布電容兩個(gè)電容的放電都要加以考慮。但在接觸放電模式中，只需要計(jì)算人體等效電容的放電電流，靜電放電模擬器尖端上分布電容的影響，則無需考慮。

2 實(shí)驗(yàn)裝置與測量

用靜電放電模擬器進(jìn)行電極向靶有移動(dòng)速度的小間隙靜電放電實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)采用的靜電放電模擬器型號(hào)為EMPEK ESD－2020G，符合國際電工委員會(huì)靜電放電測試標(biāo)準(zhǔn)IEC61000－4－2.實(shí)驗(yàn)裝置包括靜電放電發(fā)生器、靜電放電靶（檢流器）、高性能數(shù)字示波器。放電靶安裝在一塊面積為50cm×50cm的接地鋁板上。在放電靶（檢流器）的另一端，通過同軸電纜接到Tektronix DPO7245（BW＝2.5GHz，取樣率40GS／s）的數(shù)字示波器輸入接口上，以便觀察和儲(chǔ)存放電電流。

在設(shè)定的第一種放電間隙情況中，放電模擬器的放電頭前端離放電靶約1cm，形成很小的固定間隙（見圖3）。當(dāng)靜電放電模擬器充好電后，扣動(dòng)放電模擬器的觸發(fā)開關(guān)，放電間隙兩端電壓超過擊穿電壓，對(duì)靶的放電立即發(fā)生，連接在靶另一端的數(shù)字示波器記錄下此時(shí)的放電電流波形。

在圖4給出的第二種放電間隙情況中，先調(diào)節(jié)高壓電源一定電壓，對(duì)靜電放電模擬器進(jìn)行充電，再扣動(dòng)其觸發(fā)開關(guān)，并手握靜電放電模擬器從離靶約10cm處以一定的速度向靶移動(dòng)，并最終碰觸到靶上。

實(shí)驗(yàn)中使用的靜電放電發(fā)生器是國產(chǎn)化后的日本系列的產(chǎn)品，型號(hào)為EMPEK ESD－2020G.它符合國際電工委員會(huì)關(guān)于對(duì)靜電放電進(jìn)行測試的標(biāo)準(zhǔn)IEC61000－4－2.進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試時(shí)的環(huán)境條件為：溫度T＝20°C，空氣相對(duì)濕度：RH＝56%.

在電極向放電靶移動(dòng)并與之碰觸放電的過程中，通過同軸電纜接在放電靶另一端的高性能數(shù)字示波器，記錄下了放電電流波形。

3 測量結(jié)果與分析

在用靜電放電模擬器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，改變充電電壓數(shù)值，可以測得不同的數(shù)據(jù)組。圖5和圖6給出了針對(duì)兩種不同放電間隙實(shí)施放電所測量到的結(jié)果，兩種放電中高壓發(fā)生器提供的充電電壓（Vc）都是6kV.從圖5和圖6中看出，兩種放電電流峰值和波形的差異都很大。相同的充電電壓、相同的靜電放電模擬器，結(jié)果卻得到了非常不同的放電電流，這就說明放電間隙的狀態(tài)不同造成了放電參數(shù)的離散特性。圖5所示的是對(duì)應(yīng)于第一種放電間隙情況的結(jié)果，即放電頭離開放電靶約1cm，直接扣動(dòng)觸發(fā)開關(guān)放電。圖6則是對(duì)應(yīng)于第二種放電間隙狀態(tài)的放電結(jié)果，也就是靜電放電模擬器在離開靶約10cm處扣動(dòng)觸發(fā)開關(guān)，然后手握靜電放電模擬器向靶以一定速度運(yùn)動(dòng)并最終碰觸靶而放電。

從圖5（a）看出，放電波形中沒有相對(duì)其他波峰數(shù)值顯著大的波峰存在，這是對(duì)應(yīng)于純空氣放電的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，空氣放電產(chǎn)生后在靜電放電模擬器中仍然有相當(dāng)多的電荷沒有釋放，要經(jīng)過1～2次碰觸放電靶的放電才會(huì)完全消耗掉。圖5（b）就是空氣放電后靜電放電模擬器再次碰觸靶而放電所測得的放電電流，它是空氣放電后殘留在放電模擬器中電荷釋放的結(jié)果。圖6是在離放電靶約10cm處扣動(dòng)觸發(fā)開關(guān)，并向靶以一定速度運(yùn)動(dòng)最終與靶相碰觸放電的結(jié)果。圖6（a）給出第一次放電的結(jié)果，圖6（b）則是第一次放電后殘留在靜電放電模擬器中電荷再次放電的結(jié)果。在一般情況下，如果充電電壓相同，放電間隙相同，放電電流的峰值應(yīng)相同。

從圖5和圖6給出的測量結(jié)果看，除了電壓和放電間隙外，在實(shí)驗(yàn)中還有其他因素對(duì)放電結(jié)果產(chǎn)生了影響。環(huán)境溫度、空氣壓強(qiáng)和相對(duì)濕度是需要考慮的三種可能影響放電結(jié)果的因素。

在用靜電放電模擬器進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中，空氣壓強(qiáng)、空氣相對(duì)濕度、環(huán)境溫度三種因素并沒有發(fā)生顯著變化。對(duì)于第一種放電間隙情況，空氣放電幾乎在扣動(dòng)觸發(fā)開關(guān)的同時(shí)就產(chǎn)生。但對(duì)于第二種放電間隙的情況，扣動(dòng)觸發(fā)開關(guān)后，靜電放電模擬器要向靶運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間后，放電才會(huì)產(chǎn)生。圖6（a）給出的是第一次放電的波形，留在集總電容里的電荷并未一次放完；圖6（b）則給出了第二次放電的波形。

在兩種放電間隙狀態(tài)的放電結(jié)果中，可以看出第一種放電間隙的放電電流圖5（b）中的第一個(gè)放電電流峰值，比第二種放電間隙狀態(tài)放電電流圖6（a）中第一個(gè)放電峰值高得多。由此可以推測，在靜電放電模擬器向靶移動(dòng)的過程中，有部分電荷耗散到了周圍環(huán)境中。

已經(jīng) 有發(fā) 表 的 相 關(guān) 文 獻(xiàn)［9］－［19］重 點(diǎn) 分 析 了 靜 電放電在空氣模式下?lián)舸┖笞栊噪A段的性質(zhì)，討論放電電流波形與計(jì)算方法間的對(duì)應(yīng)關(guān)系［20］－［23］，并且指出電極移動(dòng)速度影響下靜電放電的波形如圖7所示。該波形也是本實(shí)驗(yàn)中用靜電放電模擬器對(duì)靶直接放電的結(jié)果。一個(gè)有意義的問題是，需要進(jìn)一步探索在第二種放電間隙條件下，放電過程中向周圍環(huán)境消散的電荷量有多少、電極向靶運(yùn)動(dòng)速度與氣體壓強(qiáng)、空氣相對(duì)濕度以及環(huán)境溫度之間的關(guān)系。

考慮圖5（b），圖6（a），以及圖7三者之間的差別，是什么原因?qū)е氯咴诘谝粋€(gè)峰值上如此大的差別呢？根據(jù)本文在第1章所描述的靜電放電模擬器的等效電路分析，第一個(gè)電流峰值是由靜電放電模擬器放電頭分布電容放電所引起的，而放電電流波形中，第二個(gè)大的峰值則是由靜電放電模擬器中的集總電容（人體等效電容）的放電所致。對(duì)于微小間隙而言，放電頭上分布電容的電荷在觸發(fā)開關(guān)被扣動(dòng)且放電頭與放電靶碰觸的同時(shí)就放電，幾乎沒有向周圍環(huán)境耗散。在第二種放電間隙狀態(tài)的放電中，靜電放電模擬器開關(guān)首先被觸發(fā)，然后以一定速度從約10cm外向靶運(yùn)動(dòng)并最后與靶碰觸放電。在向靶移動(dòng)的過程中，放電模擬器前端的放電頭上分布電容里的電荷向周圍環(huán)境耗散幾乎殆盡。一旦電極與靶之間的電場強(qiáng)度超過空氣擊穿場強(qiáng)，放電模擬器電容中的剩余電荷就向放電靶釋放形成放電電流。在此放電過程中，由于放電頭分布電容較小，貯存的電荷耗散較多，所以放電波形中與之對(duì)應(yīng)的第一個(gè)電流峰值就可能低于由放電模擬器集總電容里電荷放電形成的第二個(gè)峰值。

圖7 直接接觸放電電流Vc＝6kV

在空氣放電的模式中，隨著電壓的變化放電電流的幅度值也跟著發(fā)生變化。當(dāng)充電電壓從2kV上升到6kV時(shí)，兩種放電間隙模式下放電電流的峰值差別可以達(dá)到甚至超過50% .在充電電壓為2kV時(shí)，兩種放電間隙狀態(tài)下對(duì)應(yīng)放電電流峰值差別不是很大，隨著充電電壓增加，這種差別逐漸擴(kuò)大。

從測量到的實(shí)驗(yàn)波形，可以看到第一次放電是空氣放電模式的放電，第二次放電則是接觸放電模式的放電。因此，有電極向靶移動(dòng)并最終與靶相碰的靜電放電，是同時(shí)包含了空氣放電模式與接觸放電模式的放電過程。

4 結(jié) 論

針對(duì)不同放電間隙狀態(tài)用靜電放電模擬器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，研究電極以一定速度向靶移動(dòng)并與之碰撞放電對(duì)放電參數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)中測得三種放電波形，對(duì)放電波形峰值之間的明顯差異進(jìn)行了初步分析。電極與靶之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和空氣相對(duì)濕度會(huì)對(duì)放電波形產(chǎn)生很大的影響。具有電極向靶移動(dòng)并接觸的實(shí)際放電過程，是同時(shí)包含空氣放電與接觸放電兩種模式的放電過程。真實(shí)測得的空氣放電電流波形中，沒有出現(xiàn)顯著尖銳和幅度非常高的峰值。在兩種不同放電間隙狀態(tài)的放電過程中，電極最終都會(huì)與靶碰觸。即使空氣被擊穿產(chǎn)生了電弧放電，放電槍的集總電容中仍然有一部分電荷沒有完全釋放。如果電極與放電靶接觸，這些剩余電荷就可能產(chǎn)生第二次甚至第三、第四次放電?？諝夥烹姴ㄐ斡薪葡嗟鹊姆?，而接觸放電則出現(xiàn)了兩個(gè)明顯高于其他幅值的峰值。在電極有向靶移動(dòng)速度并最后與之碰撞的靜電放電過程中，所測得的參數(shù)其實(shí)是空氣放電與接觸放電兩種放電模式組合的結(jié)果，并非已有文獻(xiàn)普遍認(rèn)為的僅僅是空氣放電一種模式。從微觀與宏觀結(jié)合上深入探索放電間隙狀態(tài)對(duì)放電性質(zhì)的影響機(jī)理，是以后要做的工作。

［1］POMMERENKE D.ESD：transient fields，arc simulation and rise time limit［J］.Journal of Electrostatics，1995，36（1）：31－54.

［2］POMMERENKE D.On influence of speed of approach，humidity and arc length on ESD breakdown［C］／／Proc The 3rd ESD Forum.Grainau，1993：103－111.

［3］SUMIDA A，YOSHIDA T，MASUI N.Effects of the relative humidity on ESD from the charged metal［J］.Seidenki Gakkai Koen Ronbunshu，2006：43－44.（in Japanese）

［4］BONISH S，POMMERENKE D，KALKNER W.Broadband measurement of ESD：risetimes to distinguish between different discharge mechanisms［J］.E－lectrostatics，2002，56（3）：363－383，.

［5］RUAN F M，GAO Y G，SHI D.Analysis on electrode speed correlation of discharge parameters applying short－gap electrostatic discharge model［C］／／Proc IEEE International Conference on EMC.Detroit，August19－23，2008：1－4.

［6］阮方鳴，高攸綱，石 丹，等.靜電放電參數(shù)對(duì)電極速度的相關(guān)性及其機(jī)理分析［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，23（5）：977－981.

RUAN Fangming，GAO Yougang，SHI Dan.et al.Mechanism analysis of correlation between electrode moving speed and discharge parameters［J］.Chinese Journal of Radio Science，2008，23（5）：977－981.（in Chinese）

［7］阮方鳴，石 丹，沈遠(yuǎn)茂，等.人體靜電放電參數(shù)對(duì)帶電電壓的依賴關(guān)系研究［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（3）：551－555.

RUAN Fangming，SHI Dan，SHEN Yuanmao，et al.Analysis with Bernoulli theorem on speed moving effect of electrode in short－gap ESD［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（3）：551－555.（in Chinese）

［8］阮方鳴，石 丹，楊 乘，等.用Bernoulli方程分析小間隙放電中的電極速度效應(yīng)［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2009，24（5）：979－982.

RUAN Fangming，SHI Dan，YANG Cheng，et al.Investigation of discharge parameters relying on charge voltage in human－metal ESD event［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（5）：979－982.（in Chinese）

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

［10］O＇ROURKE R C.Investigation of the resistive phase in high power gas switching［R］.Lawrence Livemore Laboratories，University of California，1977.

［11］HYATT H M.The resistive phase of an air discharge and the formation of fast rise time ESD pulse［C］／／Proc EOS／ESD Symp.Dallas，September 16－18，1992.

［12］MEEK J M，CRAGGS J D.Electrical Breakdown of Gases［M］.New York：Wiley，1978.

［13］RENNINGER R G.Mechanisms of charged－device electrostatic discharge［C］／／Proc.EOS／ESD Symp，1991：127－143.

［14］MESYATS.Physics of Pulse Breakdown in Gases［M］.Moscow：Nauka Publishers，1991.（in Russian）

［15］LIND L， WELSHER T L.From lightning to charged－device model electrostatic discharges［C］／／Proc EOS／ESD Symp，1992：67－75.

［16］MARTIN J C.Multichannel gaps［M］.Aldermaston：Atomic Weapons Res Establishment，1970.

［17］RISTIC V M，DUBOIS G R.Time dependent sparkgap resistance in short duration arcs with semimetallic cathodes［J］.IEEE Trans Plasma Sci，1978，6（4）：124－131.

［18］TAKA Y，F(xiàn)UJIWARA O.Verification of spark－resistance formulae for micro－gap ESD.IEICE Transactions on Communication，E93－B（7）：1801－1806.

［19］MORI I，TAKA Y，F(xiàn)UJIWARA O.Current calculation model for contact discharge of charged human body［R］∥IEICE Technical Report Electromagnetic Compatibility，2004，104（499）：35－40.（in Japanese）

［20］MORI I，TAKA Y，F(xiàn)UJIWARA O.Evaluation of breakdown voltage with discharge current in humanmetal contact discharge［R］∥IEICE Technical Report Electromagnetic compatibility，2006，106（433）：59－63.（in Japanese）

［21］MORI I，F(xiàn)UJIWARA O.Characteristics measurement of discharge current in air model discharge with ESD gun［J］.IEEJ Transactions on Electronics，Information and Systems，2005，125（12）：1798－1804.（in Japanese）

［22］BARAN J，SROKA J.Distortion of ESD generator pulse due to limited bandwidth of verification path［J］.Trans IEEE EMC，2010，52（4）：797－803.

［23］TAKA Y，ADACHI T，F(xiàn)UJIWARA O，et al.Reconstruction of discharge currents injected on calibration target from electrostatic discharge generator［C］／／Proc 18th Int Symp Electromagn.Compat.Zurich，Switzerland，2007：349－352.