基于場路協同的手機靜電放電仿真研究?

王 倩，楊蘭蘭，王香霽，楊 昌，屠 彥

(東南大學電子科學與工程學院，江蘇 南京 210096)

靜電放電(Electrostatic Discharge，ESD)是靜電電荷累積，在接觸另一物體時，對這個物體到地的阻抗進行放電的一種現象[1]。隨著現代電子設備的便攜化發展，集成度越來越高，靜電放電的影響也隨之增大，可能干擾信號的傳輸，嚴重時甚至會直接擊穿高精密的集成芯片[2]。在日常生活中，尤其秋冬干燥季節，人體靜電放電最高可達15 kV，對電子設備的潛在危害很大[3]。

靜電放電對電子設備的影響經常不易直接感知，并且存在累積性，即當時不產生影響，在多次累積后帶來嚴重隱患和靜電干擾場所及途徑不能預期的特性[4]。因此對于靜電放電在不同電子設備介質上的影響情況討論很有必要。除放電介質影響之外，放電位置與芯片的距離也是很重要的一個因素。接地是靜電防護中的基礎措施，有效的接地方式能夠給靜電放電提供泄放路徑，減少對內部電路的損害[5]。

本文采用CST 微波工作室(MICROWAVE STUDIO，MWS)和設計工作室(DESIGN STUDIO，DS)相結合的瞬態場路協同仿真方法，基于人體－金屬靜電槍模型對包含PCB 板、保護外殼和芯片模型的手機設備的信號傳輸進行研究，特別關注放電位置和放電介質對電磁干擾和信號傳輸的影響。

1 瞬態場路協同仿真模型

1.1 微波工作室三維全波模型

MWS 中手機三維模型由外部金屬鋁外殼和玻璃材質的顯示屏組成，內部導入PCB 板，金屬鋁殼和接地板之間通過大電容連接。靜電槍及手機三維全波仿真模型如圖1 所示。

圖1 三維全波仿真模型示意圖

放電位置為靜電槍與手機外殼接觸的位置，圖2 給出了放電位置示意，選取三個放電位置為(a)金屬頂部，(b)金屬左側，(c)玻璃左側。盡管在接觸放電模式中，靜電槍與設備的接觸點須是金屬，本文選用玻璃介質作為接觸點，是此時的情況可與小弧長的空氣放電情況相比擬。

圖2 放電位置示意

手機內部置入的PCB 板主要包含CPU(IC100)和四塊高速DDR 緩存(IC200－IC203)，功能主要是CPU 與高速緩存之間進行數據交換。本文研究選取的信號線為ADDR5，是連接IC100－C19 與緩存IC200－36 的地址線。在三維全波仿真模型中，需要設置端口，與外部電信號進行連接，圖3 給出了三維全波模型仿真時的端口設置及選取的信號線位置。port1 為芯片IC－100 的C19 引腳，port2 是IC200 的36 引腳，信號線及端口位置如圖3 所示，而port3 為圖2 所示的靜電放電電壓施加端口。

圖3 信號線及端口位置

1.2 設計工作室電路

瞬態協同仿真要求三維模型中的端口與設計工作室的電路元件有一個連接，每個時間步長，電壓和電流信息都會在電路仿真和全波電磁仿真之間進行交流[6]。圖4 所示為設計工作室中的協同仿真電路，包含三維全波仿真模型轉化的電路模塊、IC100和IC200 芯片的IBIS 模型及信號激勵。DS 中方形的Terminal1 施加靜電放電電壓，對應到MWS 中的port3(圖1 中的實心圓點位置)；傳輸信號在DS 中方形Terminal2 處施加，經過芯片IC－100 處理后經引腳C19 和地址傳輸線ADDR5 傳輸到IC200－36。在信號線兩端分別加了兩個探針P1、P2 來探測信號的傳輸情況，分別檢測IC100－C19 和IC200－36引腳，也對應于MWS 中的port1 和port2 端口。DS中方形Terminal3 為芯片的使能信號，此處為低電平使能。

圖4 設計工作室協同仿真電路

傳輸信號采用1.8 V，50 MHz 方波，施加在圖3的Terminal2 處，靜電放電電壓8 kV，上升時間1 ns，仿真時間為60 ns，施加在圖3 的Terminal1 處。

1.3 瞬態協同仿真設置

DS 中新建瞬態任務，選擇CST MWS-co-simulation。瞬態協同仿真采用三維瞬態求解器，施加上文所述的端口激勵，在電路和三維全波仿真模型中同時進行，且可以同時計算顯示電磁場數據[7]。

MWS 中因探針不能接觸或距離金屬過近，所以在port1 和port2 對應位置上方約3mm 處設置電磁場探針，以獲得對應電磁場數值。

2 仿真結果

圖5 所示為金屬鋁殼不同位置處放電電流的對比，可以看到兩處放電電流結果較為一致。電流在1 ns 左右達到峰值20 A，在經約1 ns 的急速下降到12.5 A 之后，下降速度放緩，60 ns 時下降到約7 A。

圖5 金屬鋁殼不同位置處放電電流對比

靜電放電損傷主要來源之一是靜電放電產生的電磁場輻射干擾。金屬鋁殼上選取的兩個放電位置中，頂部較為接近端口2，而左側較為接近端口1。圖6 所示為金屬鋁殼不同位置放電時port1 和port2端口位置處的電場強度模和磁場強度模。從圖6 可以看出，頂部和左側位置放電，在與各自較為接近的端口產生的電場強度模最高都能達到2.8×104V/m，磁場強度模最高約50 A/m，到達峰值的時間均約為1.3 ns。經快速下降之后，電場強度模在后期有略微的上升趨勢，是因為放電時產生沿金屬上下表面幅度相同的表面波，在邊緣反射疊加入射波[8]，而磁場是由放電過程中不均勻的電流產生的，所以變化趨勢與電流保持一致。

電磁場中的坡印廷矢量，即單位時間內通過單位面積的能量，綜合了電磁場情況，可以更直觀地顯示出特定位置的潛在損傷程度。其表達式為:

圖7 給出了金屬鋁殼不同位置放電時端口處的坡印廷矢量模。從圖7 可以看出，坡印廷矢量模與電磁場數值關系也保持一致，其中金屬頂部放電在兩個端口產生的能流密度相差更大，port2 約是port1 的5 倍，在port2 峰值能達到約1.4×106W/m2。

圖6 和圖7 的數據反映出，首先靜電放電產生的輻射干擾主要和放電點與受影響端口的距離有關，金屬頂部放電時，靠近頂部位置的port2 端口處電磁場強度大，金屬左側放電時，靠近左側位置的port1 端口處電磁場強度大，即端口與放電點距離越近，產生的電磁場數值越大，對器件的損傷潛在危害更大。

圖6 金屬鋁殼不同位置放電時端口處的電場強度模和磁場強度模

圖7 金屬鋁殼不同位置放電時端口處的坡印廷矢量模

靜電放電對于信號的影響屬于軟故障，一般來說會對信號造成延遲，振蕩，過沖和下沖等問題。圖8為DS 中靜電放電對信號波形的干擾情況。由圖8 可以看出，在探針P1 處，兩個位置放電對信號的干擾效果相近，而在P2 處，兩個位置的干擾在不同時間段的劇烈程度不一樣，頂部放電在前1 ns 附近波動更加明顯，而左側放電波動較為集中在1 ns～5 ns，總體上來衡量對信號傳輸的影響還是相當的。另外可以發現左側放電帶來的信號傳輸波動會更加頻繁，原因可能是左側位于邊緣中央附近，且側邊縫隙要比上下端縫隙更長，邊緣會產生更加劇烈的電磁場變化，也會使得電流更容易耦合進入內部PCB，而DS 中的瞬態仿真又是對所有輸入產生影響的實時反映，因此左側放電的“毛刺”會更多。

圖8 金屬鋁殼不同位置放電時端口處的信號干擾情況

為比較不同介質上放電的區別，排除距離、開孔及縫隙等因素的影響，又選取了圖2(c)玻璃左側位置和圖2(b)金屬左側結果進行對比。放電電流及電磁場結果如圖9 所示。

圖9 兩種介質上放電電流及電磁場結果

從圖9 可以看出，相近的位置在金屬鋁和絕緣玻璃介質上放電，在金屬上放電總體會產生數值更大的電磁場，玻璃因絕緣導致電流無法在表面傳播，因此磁場與電流都在急速上升之后迅速歸零，后續輻射干擾可能性非常小，因此在金屬上放電對器件造成潛在故障的可能性更大。

圖10 為DS 中兩種介質上放電對信號的干擾情況。由圖10 可以看出，P1 和P2 處的信號干擾情況都是在玻璃上放電時比較嚴重。和圖9 對比來看，可以看出雖然在玻璃上放電產生的電流及電磁場水平較小，但是信號干擾卻是比較嚴重。在絕緣介質上放電，放電電流無法在表面傳播，但電磁波可以透過玻璃耦合到內部PCB 的金屬連接線上，對信號傳輸造成更大的干擾。而金屬鋁殼具有良好的導電性，當在上面發生靜電放電時，產生的電流大部分通過殼體，流向接地板，小部分通過PCB 與殼體連接耦合到PCB 線路上，對信號傳輸造成的干擾相對較小。

圖10 不同介質上放電時信號干擾情況

3 結論

靜電放電是一種常見的電磁危害源，手機等電子設備容易受到ESD 產生的高電壓和強電流的影響產生失效。

本文基于場路協同仿真模型，對包含PCB 板，芯片及保護外殼的手機設備進行靜電放電的仿真研究。本文提出以靜電放電槍打到玻璃絕緣介質上的接觸放電來近似模擬小弧長時的空氣放電情況，并與和金屬相接觸的接觸放電進行比較。

研究結果表明在同種介質上放電，放電點與監測點的距離對產生的輻射干擾占據主導因素，同時開孔、縫隙等因素也會泄露電磁場并影響信號的傳輸。

不同介質上放電，在金屬鋁殼放電時保護外殼內產生的輻射更大，而玻璃上放電雖然保護外殼內不會產生較大的輻射場，卻會造成傳輸信號更大的干擾。