非接觸靜電放電的濕度影響分析

伏釗

摘要：靜電放電（ESD）發(fā)生時(shí)，放電參數(shù)受氣體壓強(qiáng)、物體移動速度、溫度、濕度、氣體類型等多種原因而發(fā)生明顯變化。在ESD的測試中，靜電放電參數(shù)測試結(jié)果很難呈現(xiàn)低一致性。從理論上和實(shí)驗(yàn)上對ESD參數(shù)的一致性進(jìn)行深入研究。在實(shí)驗(yàn)條件下，通過調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)箱中濕度來觀察放電電流峰值的變化。對引起放電結(jié)果參數(shù)明顯差異性進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：靜電放電;濕度;一致性

中圖分類號：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）09-0226-03

0 引言

關(guān)于靜電放電參數(shù)低重復(fù)特性相關(guān)的一些問題，已有一些文獻(xiàn)進(jìn)行過討論。在電子電器設(shè)備、科技試驗(yàn)、集成系統(tǒng)、日常生活出現(xiàn)的靜電放電過程，很多情況下有氣體參與放電存在[1]。我們研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)自主研制的多因素影響靜電放電參數(shù)測試系統(tǒng)，通過精巧的機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，解決了電極向靶高速運(yùn)動與避免造成儀器損壞這一國際電磁兼容靜電放電研究領(lǐng)域的難題[2-5]。在手機(jī)集成模塊、科學(xué)研究軍事武器飛行器以及生活中，靜電隨處可見，靜電放電（ESD）將會擊穿這些電子設(shè)備中某一個(gè)模塊或者多個(gè)模塊，從而影響設(shè)備正常工作。在電子工業(yè)中，每年會因?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)具有低一致特性。一個(gè)物體觸碰另外一個(gè)物體速度、兩物體直接間隙、所處環(huán)境空氣壓強(qiáng)和當(dāng)時(shí)溫度和濕度等，這幾個(gè)參數(shù)將對放電結(jié)果有著很大影響。目前學(xué)術(shù)界對于兩者間移動速度，放電間隙對于ESD參數(shù)影響的研究已日漸深入。但是關(guān)于環(huán)境濕度的對于放電參數(shù)影響仍有待商討[6]。而我們新型ESD測試系統(tǒng)為了完成環(huán)境濕度變化對參數(shù)的測試，完成對該參數(shù)的實(shí)驗(yàn)室測量。

1 新型ESD多因素效應(yīng)測試儀

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-2制造的靜電放電發(fā)生器（俗稱放電槍），它是測試儀關(guān)鍵部分，真實(shí)情況重復(fù)性太低，而放電槍是對真實(shí)情況的進(jìn)行特定的模擬。

如圖1（a）和圖1（b）所示，給出了該新型設(shè)備結(jié)構(gòu)圖。它的具體工作原理如下：

在測試儀內(nèi)裝有攝像頭、溫度濕度傳感顯示裝置和氣壓表，用來觀察在環(huán)境因素變化，便于實(shí)驗(yàn)開展。根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)來設(shè)計(jì)一個(gè)0.8m的導(dǎo)軌，在上面配置放電槍，以便于放電槍能夠直線運(yùn)動，通過一個(gè)功率較小直流電機(jī)來帶動導(dǎo)軌運(yùn)動，電機(jī)與導(dǎo)軌運(yùn)動軌跡友通過曲軸連桿來連接。

之前設(shè)計(jì)測試儀都是根據(jù)物理原理用一種圓周運(yùn)動來代替直線運(yùn)動實(shí)現(xiàn)放電模擬測試，但畢竟不是真實(shí)直線運(yùn)動，該測試儀為了解決這個(gè)問題，把運(yùn)動軌跡設(shè)計(jì)成一種真實(shí)直線運(yùn)動。

在測量時(shí)的五種參數(shù)范圍：

（1）電極運(yùn)動速度可控（0-1.0）m/s;

（2）氣體壓強(qiáng)可控，1atm-1/20atm;

（3）溫度可以控制;

（4）濕度可以控制;

（5）氣體種類可以改變。

2 濕度引起放電電流峰值變化

在實(shí)驗(yàn)室條件下，用新型ESD測試系統(tǒng)進(jìn)行固定小間隙靜電放電的實(shí)驗(yàn)。在正常大氣壓情況下，放電電壓為固定值1kV，分別測得速度為0.2m/s和速度0.6m/s情況下，只改變試驗(yàn)箱內(nèi)濕度，獲得下面波形如圖2所示。

理論上講，帶電電壓是相同，在相同移動速度下放電的峰值也應(yīng)該是一樣的。但是測試結(jié)果顯示每次放電產(chǎn)生的電流峰值有較大的波動，這樣的結(jié)果表明空氣中的ESD會受到環(huán)境相對濕度的影響，也就是說，濕度是影響ESD參數(shù)的一個(gè)重要參數(shù)。

3 濕度影響ESD結(jié)果的分析

大氣中含有水分的多少直接影響大氣的干濕程度。在物理學(xué)中，絕對濕度用來體現(xiàn)對大氣濕度的物理量。在環(huán)境因?yàn)闇囟群蛪簭?qiáng)一定情況下，1個(gè)平方體積的氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量為絕對濕度，公式為，式中為待測混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量;V為待測混合氣體的總體積;為待測混合氣體的絕對濕度，其單位為以AH表示。目前，普遍使用相對濕度（RH）來表示濕度。所謂相對濕度是指氣體的絕對濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對濕度的百分比，即滿足關(guān)系：。

濕度對靜電放電的影響，主要體現(xiàn)在周圍存在著氣體情況下的電暈放電過程。電暈放電是指氣體介質(zhì)在不均勻電場中的局部自持放電，它是最常見的一種氣體放電形式。在曲率半徑很小的尖端電極附近，由于局部電場強(qiáng)度超過氣體的電離場強(qiáng)，使氣體發(fā)生電離，因而出現(xiàn)電暈放電。發(fā)生電暈放電時(shí)在電極周圍可以看到光亮 ，并伴有咝咝聲。電暈放電可以是相對穩(wěn)定的放電形式也可以是不均勻電場間隙早期發(fā)展階段擊穿過程中的。

最早對電暈放電做系統(tǒng)性研究的是美國工程師F.W.Peek。他在忽略濕度對放電過程影響的前提下，提出了著名的Peek公式，用來描述放電電場與其影響因素之間的數(shù)量關(guān)系：

其中H為空氣的相對濕度，和K為相應(yīng)的常數(shù)，其值由所加電壓的特性決定，為周圍的空氣密度。

上世紀(jì)80年代，中國電力科學(xué)研究院對氣壓與濕度影響電暈放電的原理進(jìn)行了研究，結(jié)論顯示，當(dāng)空氣的濕度低于65%時(shí)，電暈場強(qiáng)隨濕度增加略有增加;當(dāng)空氣的濕度在65%-80%范圍時(shí)，電暈場強(qiáng)隨濕度的增加而下降;當(dāng)空氣的濕度在30%-70%范圍時(shí)，電暈場強(qiáng)隨濕度的增加而明顯增加。場強(qiáng)變化將直接影響到放點(diǎn)弧長，從而影響放電電流。

在一定濕度情況下，電暈場強(qiáng)隨濕度的升高而減小，主要是由于密閉空氣中水分子分布不均。從圖2（a）和圖2（b）中，可以看出空氣相對濕度對靜電放電峰值電流影響比較明顯。目前新的集成電路設(shè)備要通過ESD的五項(xiàng)測試，即使都采用一樣的實(shí)驗(yàn)裝置，濕度不同將導(dǎo)致測試結(jié)果截然不同。在工期生產(chǎn)中，比如電路板車間就需要在一定的濕度車間生產(chǎn)。一般情況下，世需要佩戴靜電手環(huán)，但是在進(jìn)行ESD抗擾度測試時(shí)應(yīng)考慮濕度的影響。

4 結(jié)語

多種環(huán)境變量對非接觸靜電放電參數(shù)測量結(jié)果產(chǎn)生較低的共性，現(xiàn)有的電磁兼容測試體系中只對接觸式放電提出要求并未制定非接觸靜電放電測試的標(biāo)準(zhǔn)。為探索非接觸靜電放電受單一環(huán)境變量影響作用，所以基于新型測試儀進(jìn)行濕度影響（單一變量）放電結(jié)果實(shí)驗(yàn)分析。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 17626.2-2006，電磁兼容試驗(yàn)和測量技術(shù)靜電放電抗擾度試驗(yàn)[S].

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