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1、第2讲 静电放电和静电放电模型,静电放电及其特点 静电放电的类型 静电放电模型 静电放电模拟器 静电放电电流波形的校验,一、静电放电的定义,静电放电（ESD）是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。,通常把偶然产生的静电放电称为ESD事件。在实际情况中，产生ESD事件往往是物体上积累了一定的静电电荷，对地静电电位较高。带有静电电荷的物体通常被称为静电源，它在ESD过程中的作用是至关重要的 。,二、静电放电的特点,高电位，强电场，瞬时大电流的过程。,过去，人们认为静电是一种高电位、强电场、小电流的过程，其实这种看法并不完全正确。的确有
2、些静电放电过程产生的放电电流比较小，如电晕放电，但是在大多数情况下静电放电过程往往会产生瞬时脉冲大电流，尤其是带电导体或手持小金属物体（如钥匙或螺丝刀等）的带电人体对接地导体产生火花放电时，产生的瞬时脉冲电流的强度可达到几十安培甚至上百安培。,二、静电放电的特点,会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲,过去人们在研究静电放电的危害时，主要关心的是静电放电产生的注入电流对电火工品、电子器件、电子设备及其它一些静电敏感系统的危害和静电放电的火花对易燃易爆气体、粉尘等的引燃 、引爆问题，忽视了静电放电的电磁脉冲效应。,二、静电放电的特点,在ESD过程中会产生上升时间极快、持续时间极短的初始大电流脉冲，并产
3、生强烈的电磁辐射形成静电放电电磁脉冲（ESD EMP），它的电磁能量往往会引起电子系统中敏感部件的损坏、翻转，使某些装置中的电火工品误爆，造成事故。目前ESD EMP已受到人们的普遍重视，作为近场危害源，许多人已把它与高空核爆炸形成的核电磁脉冲（NEMP）及雷电放电时产生的雷电电磁脉冲相提并论。,会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲,二、静电放电的特点,总之，随着研究工作的深入，ESD的特性越来越清楚地展现在人们面前。但是应当注意的是：实际的静电放电是一个极其复杂的过程，它不仅与材料、物体形状和放电回路的电阻值有关，而且在放电时往往还涉及到非常复杂的气体击穿过程，因而ESD是一种很难重复的随机过程
4、。,三、静电放电类型,电晕放电 火花放电 刷形放电 沿面放电 大型料仓内的粉堆放电 雷状放电 电场辐射放电,三、静电放电的类型,电晕放电（corona discharge)电晕放电以电晕为特点的一种放电，当某气体中的两个电极中有一个的形状导致其表面的电场明显大于两个电极之间电场的时候所发生放电现象。,电晕放电是发生在极不均匀的电场中，空气被局部电离的一种放电形式。 它又叫尖端放电。,三、静电放电的类型,电晕放电的特点电晕放电是一种高电位、小电流、空气被局部电离的放电过程。在放电中，它产生的电流很小，约在1A到几百个之间，因此一般不具备引燃、引爆能力。,电晕放电的形成,对于两极间的静电放电，只有
5、当某一电极或两个电极本身的尺寸比起极间距离小的多时才会出现电晕放电。例如，在空气中两平行细线间的静电放电，当细线的半径r与两线间距d之比d/r5.85时，才有可能产生电晕放电。否则，随着极间电压的升高，两极间直接产生火花放电而不会产生电晕放电；除两平行细线电极结构之外，其它能产生电晕放电的典型的电极结构还有圆柱筒与其轴线上的细导线构成的电极，细线或尖端与平板构成的电极。另外，处在空气中的带电体当其电位足够高时也会产生电晕放电。,电晕放电机制,当两极间的电压小于某一特定值Vc时，极间任何部分的场强均未超过空气的击穿场强，两极间任何地方都不会产生显著的空气电离现象。但是两极间却有一定的电流流过，这
6、一电流随外加电压的升高而增加，最终达到一饱和值，饱和电流的量级为10-14A。这一电流是由宇宙射线和自然界中其它放射性射线在空气中产生的电子、离子对形成的。,电晕放电机制,当极间电压升高到某一特定值Vc时，尖端附近的场强开始超过空气的击穿场强，在尖端附近形成了电子雪崩，极间电流迅速增大。但是这一过程仅在尖端附近才能维持，而极间其它地方由于场强较小不能维持这一过程。,电晕放电机制,在空气被电离的同时，也会产生空气分子或原子的激发，处于激发状态的分子或原子回到基态时会放出光，因此，在产生电晕放电时尖端附近有时可以看到淡蓝色的光晕，这一放电过程由此被称为电晕放电。 形成电晕放电的最基本标志并不是出现
7、电晕，而是放电电流由饱和电流10-14A突然增加到10-6A左右。,电晕放电的形成过程,当放电尖端为阴极时，产生的电晕称负电晕，形成机制为汤逊机制，即产生二次电子雪崩的次极电子是由正离子碰撞阴极表面引起阴极的电子发射而产生的。 当放电尖端为阳极时，产生的电晕称正电晕。阴极处的场强很弱，流向阴极的正离子不足以引起二次电子发射，此时在尖端处维持放电过程的二次电子主要是由其附近的中性分子和原子的光电离而提供的。,电晕放电,从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈现出非均匀的丝状。一般来讲，正电晕的起晕电压要比负电晕的起晕电压高。,电晕放电,“特里切尔”脉冲,在
8、一定的条件下，虽然引发电晕放电的电压是恒定的，但电晕放电产生的放电电流却呈现出周期性的脉冲形式。 当放电电极为阴极时，电流脉冲重复频率可达到104Hz。而放电电极为阳极时，这一频率可达到106Hz，这一现象是由特里切尔(Trichel)于1938年发现的，被称为“特里切尔”脉冲。 由于这些频率正好位于射频段，因此会产生强烈的射频干扰。,电晕放电危害,射频干扰飞机、航天器的通讯或导弹在飞行过程中，机壳或弹体上会因摩擦而产生静电，当静电电位足够高时可引发电晕放电，形成的电磁干扰会对飞机、航天器或导弹的制导系统产生干扰，造成通讯中断或制导失灵，引发事故。 浪费电能高压输电线上的电晕放电会造成电力浪费
9、。,电晕放电的利用,静电除尘 脱硫脱硝 静电喷涂,静电火花放电 （spark discharge ）,当静电电位比较高的带电导体或人体靠近其它导体、人体或接地导体时，便会引发静电火花放电。 静电火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，与此同时还伴随着噼啪的爆裂声，爆裂声是由火花通道内空气温度的急骤上升形成的气压冲击波造成的。 在发生静电火花放电时，静电能量瞬时集中释放，其引燃、引爆能力较强。另外静电火花放电产生的放电电流及电磁脉冲具有较大的破坏力，它可对一些敏感的电子器件和设备造成危害。 金属导体间形成一次火花通道便能放掉绝大部分静电电荷。而人体静
10、电放电过程中可能包含了多次火花通道的形成、消失过程，即重复放电。,刷形放电 （brush discharge）,刷形放电电往往发生在导体与带电绝缘体之间，带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率的液体。 产生刷形放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内。根据其放电通道的形状，这种放电被称为刷形放电。,刷形放电,当绝缘体相对于导体的电位的极性不同时，其形成的刷形放电所释放的能量和在绝缘体上产生的放电区域及形状是不一样的。 当绝缘体相对导体为正电位时，在绝缘体上产生的放电区域为均匀的圆状，放电面积比较小，释放的能量也比较少。而当绝缘体相对于导体为负电
11、位时，在绝缘体上产生的放电区域是不规则的星状区域，区域面积比较大，释放的能量也较多。 刷形放电还与参与放电的导体的线度及绝缘体的表面积的大小有关，在一定范围内，导体线度越大，绝缘体的带电面积越大，刷形放电释放的能量也就越大。 刷形放电释放的能量可高达4mJ，因此它可引燃、引爆大多数的可燃气体。但它一般不会引起粉体的爆炸。,沿面放电,沿面放电又称传播型刷形放电，旧称利登彼格(Lichtenberg)放电，仅在绝缘体的表面电荷密度大于2.710-4C/m2时较易发生。一般情况下，传播型刷形放电发生在绝缘材料与金属之间，放电通道沿绝缘材料的表面进行。,沿面放电,只有当绝缘体的表面电荷密度大于2.71
12、0-4 C/m2时才可能发生。但在常温、常压下，如此高的面电荷密度较难出现，因为在空气中单极性绝缘体表面电荷密度的极限值约为2.710-5C/m2，超过时就会使空气电离，只有当绝缘体两侧带有不同极性的电荷且其厚度小于8mm时，才有可能出现这样高的表面电荷密度，此时绝缘体内部电场很强，而在空气中则较弱。,沿面放电,当绝缘板一侧紧贴有接地金属板时，就可能出现这种高的表面电荷密度。另外，当电介质板被高度极化时也可能出现这种情形。若金属导体靠近带电绝缘体表面时，外部电场得到增强，也可引发刷形放电。刷形放电导致绝缘板上某一小部分的电荷被中和，与此同时它周围部分高密度的表面电荷便在此处形成很强的径向电场，
13、这一电场会导致进一步的击穿，这样放电沿着整个绝缘板的表面传播开来，直到所有的电荷全部被中和。 沿面放电释放的能量很大，有时可以达到数焦耳，因此其引燃引爆能力极强。,粉堆放电一般发生在容积达到100m3以上的料仓中，放电能量可达10mJ。 粉料沉积后，粉堆电量迅速增加，表面的场强相应增强。当场强增加到一定程度时，首先在粉堆的顶部产生空气的电离，形成从仓壁到粉堆顶部的等离子体导电通道，产生粉堆与仓壁之间的静电放电。 料仓体积越大，粉体进入料仓时流量愈高，粉粒绝缘性愈好，愈容易形成粉堆放电。,大型料仓内的粉堆放电,这是一种大范围的空间放电形式。 最初在火山爆发的尘埃中曾观察到过，近年来在实验中也得到
14、证实。 但在实际工业生产中尚未发生过，有人通过试验证实认为容器体积小于60m3或柱型容器的直径小于3m时不会发生这种放电。,雷状放电,电场辐射放电,电场辐射放电依赖于高电场强度下气体的电离，当带电体附近的电场强度达到3MV/m时，这种放电就可能发生。 放电时，带电体表面可能发射电子。这类放电能量比较小，引燃引爆能力较小，出现这类放电的概率也小。,四、静电放电模型,静电放电是一个复杂多变的过程，常常使得研究者难以捉摸。再加上静电放电有许多不同的放电形式，能产生静电放电的静电源多种多样，而且同一静电源对不同的物体放电时产生的结果也是不一样的，即使同一静电源对同一物体放电，也会受气候、环境等条件的影
15、响，难以得到具有重复性的放电结果。由于静电放电的这种多变性，使得难以有效地对ESD的危害及其效应进行正确的评估。针对这一问题，人们对实际中各种可能产生具有危害的静电放电的静电源进行了深入的研究，根据其主要特点建立了相应的静电放电模型。,ESDA (Electrostatic Discharge Association), AEC(Automotive Electronics Council), EIA/JEDEC (Electronic Industries Alliance / Joint Electron Device Engineering Council) MIL-STD (US Mi
16、litary Standard). IEC (International Electrotechnical Commission),ESD 标准组织,HBM (Human Body Model) BMM(Body-Metal Model） MM (Machine Model) CDM(non-socketed Charged-Device Model, Field Induced Model, or Direct Charge Model) SDM (Socket Device Model, or Socketed Discharge Model).,ESD 标准,人体模型（Human Body Model），简称HBM。主要用来模拟人体静电放电对敏感电子器件的作用。人体是产生静电危害的最主要的静电源之一。现有文献资料中的大部分静电感度数据都是以人体ESD模型为基础得到的。,1、人体模型,人体特征参量主要有3个：人体电容CB：它决定人体储存静电能量的能力；人体电阻RB：它决定人体静电放电时自身消耗的能量；人体电感LB：它主要决定人体静电放电时的电流波形。（人体电感的量值仅为零点几个微亨，在多数情况下可以不加考虑。）,
