5.放电和静电放电模型
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静电放电esd)最常用的三种模型及其防护设计
静电放电（ESD）最常用的三种模型及其防护设计ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握?ESD?的相关知识。
为了定量表征 ESD 特性，一般将 ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。
1.HBM：Human Body?Model，人体模型：该模型表征人体带电接触器件放电，Rb 为等效人体电阻，Cb 为等效人体电容。
等效电路如下图。
图中同时给出了器件 HBM 模型的 ESD 等级。
ESD人体模型等效电路图及其ESD等级2.MM：Machine Model，机器模型：机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是?200pF，等效电阻为 0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取 200pF。
由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。
ESD机器模型等效电路图及其ESD等级3.CDM：Charged?Device?Model，充电器件模型：半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。
它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。
器件本身作为电容器的一个极板而存贮电荷。
CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：ESD充电器件模型等效电路图及其ESD等级器件的 ESD 等级一般按以上三种模型测试，大部分 ESD 敏感器件手册上都有器件的 ESD数据，一般给出的是 HBM 和 MM。
通过器件的 ESD 数据可以了解器件的 ESD 特性，但要注意，器件的每个管脚的 ESD 特性差异较大，某些管脚的 ESD 电压会特别低，一般来说，高速端口，高阻输入端口，模拟端口 ESD电压会比较低。
手机ESD静电放电模型和分析
对常见的几种容易导致 ESD 隐患的情况的分析：
情况 1： 孤立的金属片容易导致 ESD 问题，是因为金属片的等效导体面积大（特别是那种尖端多的金 属片），容易积聚电荷。当积聚足够多后就容易击穿空气转嫁到附近的敏感信号线或者元器 件上。所以金属片最好能够接地；条件不允许的，附件的电路和元器件要尽量用参考地平面 保护好（包围，覆盖，弄多一些尖端结构（如过孔），面积尽量大一些），以让金属片放电时， 能够把尽量多的电荷吸附过来。
放电路径 3：即信号线与参考地之间的通路，假设是由电路之间的各种电子元件、部分 PCB 构成的。所以如果大量的电荷通过这条路径的话，会对电路造成不可预计的干扰，使我们设 计时需要规避的。
按目前的设计规范，手机中的 3 条放电路径，放电路径 1 的放电阻抗远远大于放电路径 2 的放电阻抗（因为信号面的“折合等效”面积远远小于地平面），放电路径 3 的放电阻抗数 量级不好说，我想一般会远小于放电路径 2，所以： 放电阻抗： 放电路径 1 ＞＞＞ 放电路径 2 ＞ 放电路径 3
图1
（下面，以图 1 中红色层为信号线为例子进行分析）
放电路径 1：即信号线与大地之间的通路，假设是由空气、手机外壳、其他不重要、人体、 ESD 实验室中的耦合板、桌子椅子等等等等的物体构成的。
放电路径 2：即参考地与大地之间的通路，假设是由空气、手机外壳、其他不重要、人体、 ESD 实验室中的耦合板、桌子椅子等等等等的物体构成的。
假设初始手机为电中性，现在使用静电枪分别促使 地平面/信号线 积累大量电荷 情况 1：静电枪打在地平面上 电荷直接从放电路径 2 跑掉，没有经过内部器件，必然不会造成影响。
情况 2：静电枪打在信号线上 电荷先通过放电路径 3，从信号线到达参考地平面，然后再从放电路径 2，到达大地。 由于由电路之间的各种电子元件、部分 PCB 构成的，如果这个放电路径 2 上有一些敏感的 元器件、信号线，就会对电路造成影响。 所以，如下图 2，在一些敏感的元器件和信号线上加 TVS 管，其实就是提供另外一条低阻抗 的放电路径 4，分走大部分通过放电路径 3 的电流，从而保护电路，并且同时钳住电压，防 止电压过高打坏器件。
情况 1： 孤立的金属片容易导致 ESD 问题，是因为金属片的等效导体面积大（特别是那种尖端多的金 属片），容易积聚电荷。当积聚足够多后就容易击穿空气转嫁到附近的敏感信号线或者元器 件上。所以金属片最好能够接地；条件不允许的，附件的电路和元器件要尽量用参考地平面 保护好（包围，覆盖，弄多一些尖端结构（如过孔），面积尽量大一些），以让金属片放电时， 能够把尽量多的电荷吸附过来。
放电路径 3：即信号线与参考地之间的通路，假设是由电路之间的各种电子元件、部分 PCB 构成的。所以如果大量的电荷通过这条路径的话，会对电路造成不可预计的干扰，使我们设 计时需要规避的。
按目前的设计规范，手机中的 3 条放电路径，放电路径 1 的放电阻抗远远大于放电路径 2 的放电阻抗（因为信号面的“折合等效”面积远远小于地平面），放电路径 3 的放电阻抗数 量级不好说，我想一般会远小于放电路径 2，所以： 放电阻抗： 放电路径 1 ＞＞＞ 放电路径 2 ＞ 放电路径 3
图1
（下面，以图 1 中红色层为信号线为例子进行分析）
放电路径 1：即信号线与大地之间的通路，假设是由空气、手机外壳、其他不重要、人体、 ESD 实验室中的耦合板、桌子椅子等等等等的物体构成的。
放电路径 2：即参考地与大地之间的通路，假设是由空气、手机外壳、其他不重要、人体、 ESD 实验室中的耦合板、桌子椅子等等等等的物体构成的。
假设初始手机为电中性，现在使用静电枪分别促使 地平面/信号线 积累大量电荷 情况 1：静电枪打在地平面上 电荷直接从放电路径 2 跑掉，没有经过内部器件，必然不会造成影响。
情况 2：静电枪打在信号线上 电荷先通过放电路径 3，从信号线到达参考地平面，然后再从放电路径 2，到达大地。 由于由电路之间的各种电子元件、部分 PCB 构成的，如果这个放电路径 2 上有一些敏感的 元器件、信号线，就会对电路造成影响。 所以，如下图 2，在一些敏感的元器件和信号线上加 TVS 管，其实就是提供另外一条低阻抗 的放电路径 4，分走大部分通过放电路径 3 的电流，从而保护电路，并且同时钳住电压，防 止电压过高打坏器件。
静电放电
（ 3 ）静电放电使人体遭受电击引发操作失误造成二次事故、静电场的库仑力作用 使纺织、印刷、塑料包装等自动化生产线受阻。 （ 4 ）静电放电的电磁辐射或静电放电电磁脉冲（ ESDEMP) 对电子设备造成的电 磁干扰引发的各种事故。
四、静电放电模型
目前公于报导的 9种 ESD模型，人体模型和场增强模型描述人体作为危险静电源在 不同情况下放电的特征参量；机器模型和家具模型描述金属带电体作为危险静电源在 不同情况下放电的特征参量；带电器件模型描述带电的电子器件接近或接触静电导体 时引起静电放电的特征参量；场感应模型描述对地绝缘的器件、组件或静电导体受其 他静电带电体的感应或极化作用而引起静电放电的情况，当带电体移去后，留在器件、 组件或对地绝缘的静电导体上的异号电荷存在引起二次静电危害的 aJ 能；电容耦合模 型、悬浮器件模型和瞬态感应模型均描述静电放电引起器件失效的情况。 本文主要讨 论其中的一种模型：人体金属模型。 人体金属模型是指模拟带电人体通过手持的小金属物件，如螺丝刀、钥匙等，对 其它物体产生放电时的情形。带电人体手持小金属物件时，由于金属物件的尖端效应， 使得其周围的场强大大增强，再加上金属物件的电极效应，导致放电时的等效电阻大 大减小。因此在同等条件下，它产生的放电电流峰值比单独人体放电的要大，放电持 续时间短。 在人体 --金属放电过程中，包含高速、低速两种放电模式。高速放电模式与手、前 臂及手持小金属物件的 “自由电容 ” 相联系，它产生的初始放电电流尖脉冲的上升速度 很高，峰值很大，可产生强烈的电磁脉冲。而且它速度高，持继时间短，往往使得许 多电子设备的 ESD 保护装置还没有来的及动作便已侵入设备，造成设备的损伤。因而 也较难防护，不过由于与之相联系的放电电容容量较小，其放电中释放的能量也较小， 它造成的损伤往往是软损伤或形成随机干扰。低速放电模式则与人体电容相联系，在 放电时释放的能量较大 ,引起意外爆炸及电子器件、系统的硬损伤等等。这两种放电模 式各具特点，人体 --金属放电模型应能全面地反映出这两种不同的放电模式。 人体金属模型的等效电气结构如图 1 所示。其中 , CB 、 RB 、 LB 分别为人体电容、 电阻、电感； CHA 、 RHA 、 LHA 分别为手、前臂和小金属物件的“ 自由电容” 、 电阻和电感。放电回路中元器件参数的选择以人体静电参数为根据。国内外科研工作
静电放电类型和静电放电模型
特点及引燃引爆性
有时有声光,气体介质在物体尖端附近局部电离,形成放电 通道.感应电晕单次脉冲放电能量小于20J,有源电晕单次 脉冲放电能量则较此大若干倍,引燃能力甚小
刷形 放电
在带电电位较高的静电非导体与导 体间较易发生
有声光,放电通道在静电非导体表面附近形成许多分叉,在 单位空间内释放的能量较小,一般每次放电能量不超过4mJ, 引燃引爆能力中等
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.
+ --
+
A
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.
+ --
+
A
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.
静电放电(ESD)最常用的三种模型及其防护设计
静电放电(ESD)最常用的三种模型及其防护设计
ESD：Electrostatic Discharge，即是静电放电，每个从事硬件设计和生产的工程师都必须掌握ESD 的相关知识。
为了定量表征ESD 特性，一般将ESD 转化成模型表达方式，ESD 的模型有很多种，下面介绍最常用的三种。
1.HBM：Human Body Model，人体模型：
该模型表征人体带电接触器件放电，Rb 为等效人体电阻，Cb 为等效人
体电容。
等效电路如下
ESD 人体模型等效电路2.MM：Machine Model，机器模型：
机器模型的等效电路与人体模型相似，但等效电容(Cb)是200pF，等效电阻为0，机器模型与人体模型的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取200pF。
由于机器模型放电时没有电阻，且储电电容大
于人体模式，同等电压对器件的损害，机器模式远大于人体模型。
ESD 机器模型等效电路3.CDM：Charged Device Model，充电器件模型：
半导体器件主要采用三种封装型式(金属、陶瓷、塑料)。
它们在装配、
传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的
塑料袋、传递用的塑料容器等)相互磨擦，就会使管壳带电。
器件本身作为电
容器的一个极板而存贮电荷。
CDM 模型就是基于已带电的器件通过管脚与地
接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的，器件带电模型如下：。
emc静电测试标准
emc静电测试标准EMC（电磁兼容性）静电测试标准是评估电子产品或系统在静电放电（ESD）环境中的性能和可靠性的重要标准。
静电放电是指两个不同电位的物体相互接触或摩擦时，瞬间产生大量电荷的现象。
这些电荷可能会对电子设备产生干扰或损坏，因此进行静电测试是确保设备在真实环境中的稳定性和可靠性必不可少的环节。
一、静电放电模型在EMC静电测试中，通常采用人体模型（HBM）、机器模型（MM）和地模型（GM）三种静电放电模型来模拟不同情况下的静电放电。
1.人体模型（HBM）：模拟人类带电体与电子设备之间的放电。
在测试中，使用人体模型来模拟操作员、维修人员或其他与设备交互的人可能引起的静电放电。
2.机器模型（MM）：模拟机器或设备之间的放电。
例如，两个不同电位的电路板或电子部件之间的摩擦会产生静电放电。
机器模型用于评估设备在生产线或机器之间的静电放电风险。
3.地模型（GM）：模拟设备内部不同电路或组件之间的放电。
地模型主要用于评估设备内部不同部分之间的静电放电风险。
二、静电放电测试标准1.国际电工委员会（IEC）：IEC 61000-4-2是最常用的静电放电测试标准之一。
该标准规定了电子产品或系统在进行电磁兼容性测试时应遵循的静电放电抗扰度要求。
它包括三个等级的测试：Level 1、Level 2和Level 3，分别对应不同的电荷量等级。
2.美国联邦航空管理局（FAA）：FAA对航空设备的电磁兼容性有特殊要求，其中涉及静电放电测试。
FAA要求设备必须能够承受特定的静电放电等级，以确保其在飞机和其他航空器上的正常运行。
3.其他国家和地区标准：除了IEC和FAA，许多国家和地区都有自己的静电放电测试标准和要求。
例如，中国、欧洲电信标准协会（ETSI）和日本电信标准协会（JTS）等都制定了相应的静电放电测试标准。
三、静电放电测试方法在进行静电放电测试时，通常采用以下步骤：1.确定测试设备和条件：选择适当的测试设备，如静电发生器、示波器、电压表等，并设定适当的测试条件，如测试环境湿度、温度、气压等。
ESD(静电放电)原理、模型及防护
料、防静电涂料等，以降低设备表面静电电荷的积累。
设备接地
Байду номын сангаас
02
将设备与大地连接，使设备上积累的静电电荷能够迅速泄放到
大地，避免静电放电对设备造成损害。
静电消除器
03
在关键部位安装静电消除器，通过产生相反电荷来中和设备表
面的静电电荷，达到消除静电的目的。
系统级防护策略
系统接地
将整个系统与大地连接，确保系统内各部分电位一致，减少静电放 电的可能性。
ESD(静电放电)原理、模型及防护
目录
• 静电放电（ESD）基本概念与原理 • ESD模型与特性分析 • ESD防护措施与方法 • ESD测试与评估方法 • ESD在工业生产中应用案例分享 • 总结与展望
01
静电放电（ESD）基本概念与原 理
静电产生及危害
静电产生原因
物质接触、摩擦、分离等过程导 致电荷不平衡，形成静电。
规范操作培训
制定详细的设备操作规范，对操作人员进行培训，确保其在操作 过程中能够遵循规范，减少静电放电的风险。
静电防护装备使用
要求操作人员佩戴防静电手环、防静电鞋等静电防护装备，降低 人体静电对设备的影响。
04
ESD测试与评估方法
测试标准介绍
这是国际电工委员会制定的静电放电抗扰度测试标准，它规定了 测试等级、测试方法、测试环境和设备要求等。
特性
HBM放电电流具有较快的上升时间和较短的持 续时间，通常持续几百纳秒。放电能量较低，但 足以对敏感器件造成损坏。
应用场景
HBM模型常用于评估手持设备、可穿戴设备等 便携式电子产品的ESD防护能力。
机器模型（MM）
描述
应用场景
静电放电的基本模型
静电放电的基本模型静电放电是指发生在两个物体之间的电流放电现象，是一种非常普遍的现象。
在许多日常生活中，比如在干燥的天气中摇动电毯，会发出明亮的闪光;在穿着塑料鞋的人走动一段距离后，再触摸金属物品时，会出现明显的火花现象。
这些现象正是产生了静电放电现象。
静电放电是由于两个物体之间电荷不对称引起的，本文将介绍静电放电的基本模型。
静电放电的基本模型被称为带电物体对相邻物体的影响，这种模型可以协助我们了解为什么一些物体易于积累电荷，并在另一些物体上产生静电现象。
在这种现象中，带电物体和另一个物体（有时称为地面）之间会形成电荷的累积。
当电荷积累到一定程度时，就会产生电弧放电并生成火花。
静电放电是一种由相对比较高电压的放电引起的，两个物体之间的距离和电荷大小对产生静电放电是有影响的。
小的静电放电可以看作是一个电子从一个物体上离开，并在另一个物体上产生一个电子(openai)。
而大量的静电放电则是由于大量的电子跃入和跃出。
这些静电电子通常形成一个电流环，并在带电物体和地面之间形成电弧放电。
静电放电的基本模型是带电物体和相邻物体之间相互作用的结果。
当一个物体携带电荷时，它会带有电场。
离带电物体很近的物体会感受到电场并充分受到其影响。
如果物体的大小和形状是合适的，那么电场会从物体的一个部分向另一个部分移动，并在两个部分之间产生电压梯度。
当电压梯度增加到某个阈值时，就会发生弧形放电，这时由于大量的电子被激发，并形成一个电流环，从而在两个物体之间形成电弧放电。
这种电弧放电产生了大量的热量和光能，并在物体上产生了明亮的火花。
总之，静电放电的基本模型是由带电物体与相邻物体之间的相互作用产生的，它可以用于解释不同形状，大小和材料的物体产生不同的电荷，并在相邻物体上产生静电现象的原因。
当电荷足够大时，静电放电就会发生并产生大量的热量和光能。
了解静电放电的基本原理，将有助于我们更好地预防和管理这种现象。
静电放电模型
击穿前 击穿后
二次击穿前后的TLP输出电压波形
击穿后 击穿前
二次击穿前后的TLP输出电流波形
电流IDUT/A
泄漏电流 雪崩阈值
保持 点
二次击穿点 触发点
泄漏电流
电压VDUT/V
NMOS ESD结构的TLP数据曲线实例
TLP测试是无破坏性的准确测试，这是由于TLP 测试具有易于控制而且短暂的持续时间。设计者在 调试和优化设计过程中，瞬态I-V曲线和泄漏电流信 息是很重要的。通过设置TLP参数，例如脉冲持续 时间和上升时间，可以保证测试模型结果的相关性。 例如持续时间为100ns，上升时间为10ns的TLP脉 冲与HBM模型相关。
面的电流波形有所区别，区别来源是由于小金属器件对空间
有3-10pF无感电容导致的，由此形成了双RLC人体静电放电
模型。电路如图所示：
பைடு நூலகம்RB
LB
RHA
LHA
放电端
CB
CHA
其中CB、RB、LB分别为人体电容、电阻及电感，CHA、RHA、 LHA分别为手、前臂及手持的小金属物件的电容、等效电阻及 电感。
IEC-1000-4-2和IEC61000-4-2人体-金属模型规定模型的电 网络为双RLC结构，模型参数为：CB =150pF±10%，RB =330Ω±10%，LB =0.04～0.2μH，CHA =3～10pF，RHA =20～200Ω,LHA =0.05～0.2μH。除此之外，标准也对模型 的放电电流波形作出了新的要求，即放电电压分别为2kV、 4kV、6kV、8kV时，用带宽不小于1GHz的测量系统测，放 电网络的放电电流波形应与标准中给出的参考波形相吻合。 标准中给出的波形如图所示。 我国在IEC61000-4-2基础上制定了GB/T17626.2-1998标准。
静电放电
6
六、静电对电子产品损害有哪些形式?
静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电 位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元件 的三种影响： 1．静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。 2．静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。 3．静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤（潜 在损伤）。 4．静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米） 频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成 干扰甚至损坏（电磁干扰）
5
印刷电路装配(PCA, printed circuit assembly)或单 个元件可能有几种方式被ESD所损坏： •手直接接触到元件引脚。
•非直接接触，如手接触连接器或金手指(gold finger)。ESD“攻击”沿PCA的迹线运行直到找到 一个脆弱的IC，将它摧毁。 •PCA或单个的元件放在一个充电表面，通过感应 “拾取”类似静电充电。这样，当放在一个金属 表面，迅速放电(慢放电是安全的)。 •PCA或单个的元件暴露在很强的外部电场，诱发 过大的内部电流。
4
电子器件所能承受静电破坏的静电电压
电子器件所能承受静FET GaAsFET PROM CMoS HMOS E／DMOS
ECL
静电破坏电压(V)
30～1800 100～200 100～300
100 250～2000 50～500 200～1000 300～2500
下表是在两种不同湿度条件下人体活动产生的静电电位。在干燥 的季节，人体静电可达几千伏甚至几万伏。
人体活动
静电电位(KV)
人在地毯上走动 人在乙烯树脂地板上行走 人在工作台上操作 包工作说明书的乙烯树脂封皮 从工作台上拿起普通聚乙烯袋 从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起
原子运动
六、静电对电子产品损害有哪些形式?
静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电 位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元件 的三种影响： 1．静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。 2．静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。 3．静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤（潜 在损伤）。 4．静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米） 频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成 干扰甚至损坏（电磁干扰）
5
印刷电路装配(PCA, printed circuit assembly)或单 个元件可能有几种方式被ESD所损坏： •手直接接触到元件引脚。
•非直接接触，如手接触连接器或金手指(gold finger)。ESD“攻击”沿PCA的迹线运行直到找到 一个脆弱的IC，将它摧毁。 •PCA或单个的元件放在一个充电表面，通过感应 “拾取”类似静电充电。这样，当放在一个金属 表面，迅速放电(慢放电是安全的)。 •PCA或单个的元件暴露在很强的外部电场，诱发 过大的内部电流。
4
电子器件所能承受静电破坏的静电电压
电子器件所能承受静FET GaAsFET PROM CMoS HMOS E／DMOS
ECL
静电破坏电压(V)
30～1800 100～200 100～300
100 250～2000 50～500 200～1000 300～2500
下表是在两种不同湿度条件下人体活动产生的静电电位。在干燥 的季节，人体静电可达几千伏甚至几万伏。
人体活动
静电电位(KV)
人在地毯上走动 人在乙烯树脂地板上行走 人在工作台上操作 包工作说明书的乙烯树脂封皮 从工作台上拿起普通聚乙烯袋 从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起
原子运动
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机器模型电路原理图
(IEC61340-3-2)
Typical current waveform through a shorting wire IEC61340-3-2
Typical current waveform through a 500 resistor IEC61340-3-2
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，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。
Typical current waveform through a shorting wire ( tr )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a shorting wire ( td )
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500 resistor
静电放电类型
电晕放电 火花放电 刷形放电
沿面放电
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。
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。 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。
刷形放电
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。
capacitances / pF Human body
130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 10 100 1000
distance above concrete floor / mm
人体电容与离地高度关系测量结果（Enoch-Shaw)
ESD 标准组织
ESDA (Electrostatic Discharge Association), AEC(Automotive Electronics Council), EIA/JEDEC (Electronic Industries Alliance /
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。
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。 只有当绝缘体的表面电荷密度大于2.7×10-4 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2.7×105C/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。
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。
RB 1000 I 0 I p ) ( IP
CB
RB 1000
结果：RB=87~190
CB=132~190pF
人体静电电容和放电电阻测量（ Kirk）
人体静电参数的测量
Enoch-Shaw通过测试得到的人体电容随人体脚
底离铺有地毯的水泥地面的高度d变化的曲线。 测量方法： ①把赤脚站在地面上高度为d的绝缘平台上的人 充电到200V; ②经过5秒钟的稳定后，用继电器把带电人体对 电容为500pF的电容器放电； ③经过1秒钟后测出500 pF的电容器上的电压， 再经过计算可得到人体电容。
t为鞋底的厚度，单位为cm。
人体静电参数的计算
十字形或球形等等，其中取常用的是球形，球的半径一 般取人体身高的一半。这样可得到： CS=4π ε 0r=0.55H (pF)
计算Cs时需把人体等效为形状较为规则的导体，如柱形、
一个人身高为173cm时，其Cs=95pF 假设此人的鞋底与地面的接触面积约为360cm2，鞋底 厚度t为1cm，鞋底的相对电容率r =5，则Cg=158pF。 CB=Cs+Cg=253pF
人体静电参数的计算
一般认为人体电容由两部分组成，一部分是人体的脚通
过鞋底与地面构成的平行板电容器的电容Cg，另一部分 则是把人体看成孤立导体，对自由空间的电容Cs，人体
的总电容为这两部分电容的并联，即CB=Cg+Cs，其中Cg
很容易被计算出： Cg=r0A/t=0.0885r A/t 其中r为鞋底的相对电容率。 A为两个鞋底的总面积，单位取cm2, (pF)
静电放电和静电放电模型
静电放电的特点 静电放电的类型 静电放电模型 静电放电模拟器
静电放电产生的辐射场
静电放电的特点
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。 静电放电是高电位，强电场，瞬时大电流的过 程。 静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲 （EMP）。
IEC61340-3-1
Typical current waveform through a 500 resistor
IEC61340-3-1
HBM ESDS 元器件敏感度分类
敏感类别 0 1A 1B 1C 2 电压范围(V) <250 250~<500 500~<1000 1000~<2000 2000~<4000
MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96
短路电流波形 MIL-STD-883E GBJ128A-97 GBJ548A-96
IEC61340-3-1
Methods for simulation of electrostatic effect Human body model (HBM) Component testing
MIL-STD-883E GJB128A-97 GJB548A-96 IEC61340-3-1
100
1500
<10ns
150
电子器件 分立器件 集成电路 电子器件
100
1500 2~10ns
150
The equivalent circuit of the HBM ESD event with R1= 1500ohm and C1= 100pF.
机器模型波形参数（IEC61340-3-2)
Level Equivalent IP1/A voltage (shorting) IPR /A (500) I100 /A (500,100ns)
人体静电参数的测量
1962年，美国国家矿务局在其公告520中报导，
通过对22个不同的人进行测试，电容 值在90～ 398pF之间，而100个不同的人两手之间的电阻 的平均值为4000。
人体静电参数的测量
1976年 Kirk等人分别用高压电源通过10M的电
阻把被测人体和C=270pF的电容器充电到某一电 压V，之后分别让人体和电容器通过一个1k的 电阻对地放电，并用电流探头和示波器采集放 电电流波形，通过比较人体和电容器的放电电 流的峰值来确定人体放电参数。
Field Induced Model, or Direct Charge Model)