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系統(tǒng)級(jí)靜電仿真到底能做到什么程度

更新時(shí)間：2025-08-07 點(diǎn)擊次數(shù)：286

一、前言

靜電放電（Electrostatic Discharge, ESD）現(xiàn)象是造成現(xiàn)代電子設(shè)備故障和可靠性下降的重要因素。隨著半導(dǎo)體工藝尺寸的不斷縮小和電子設(shè)備集成度的持續(xù)提高，靜電放電（ESD）已成為影響電子設(shè)備可靠性的關(guān)鍵因素之一。根據(jù)ESD協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在電子設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)失效案例中，約35%-40%可歸因于ESD事件（Voldman, 2018）。傳統(tǒng)的ESD測(cè)試依賴物理實(shí)驗(yàn)，成本高且周期長(zhǎng)，而仿真技術(shù)可顯著提高設(shè)計(jì)效率。

那么，大家可能都有一個(gè)疑問，系統(tǒng)級(jí)靜電仿真難不難？準(zhǔn)不準(zhǔn)？

我們認(rèn)為當(dāng)前行業(yè)發(fā)展階段還是非常難的！因?yàn)樽鳛镋MC工程師或硬件開發(fā)人員，對(duì)仿真的預(yù)期還是比較高的：

1、想要通過仿真復(fù)現(xiàn)測(cè)試中出現(xiàn)的問題；

2、想要通過在設(shè)計(jì)階段仿真能夠預(yù)測(cè)產(chǎn)品能不能通過ESD測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；對(duì)于這種預(yù)期，看一些仿真軟件的宣傳好像能做到，但實(shí)際卻是非常艱巨。首先如果只仿真局部電路是無法模擬靜電測(cè)試的狀態(tài)的，而要分析整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)，建模精細(xì)度及仿真工作站硬件決定了仿真的準(zhǔn)確度。想要達(dá)到上面的期望，可能不僅僅是企業(yè)本身的投入，還包括上游產(chǎn)業(yè)鏈的支持，比如元器件廠家、連接器廠家能否提供仿真模型，不然巧婦也難為無米之炊??！當(dāng)前行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀搞一個(gè)大而全的模型仿真是不太現(xiàn)實(shí)的，需要付出很大的代價(jià)，并且仿真周期也會(huì)很長(zhǎng)，很難趕上項(xiàng)目的開發(fā)交期。

和我們之前寫的浪涌仿真類似， ESD仿真也是只需要關(guān)注的關(guān)鍵電路或結(jié)構(gòu)就可以了，以盡可能簡(jiǎn)單的仿真模型獲取到我們想要驗(yàn)證的措施。這樣就要求仿真工程師要足夠了解產(chǎn)品，仿真工程師必須有EMC設(shè)計(jì)整改經(jīng)驗(yàn)，如果只是專門做電磁仿真的工程師是不太可能仿得到有效結(jié)果。

二、仿真建模

靜電仿真工具常用的有如下幾種仿真工具，下面用CST軟件仿真來講解靜電仿真的思路。

首先是靜電槍的建模，靜電槍模型很多仿真軟件都要自己建，但是CST2023版軟件內(nèi)部已經(jīng)建好了靜電槍模型，只要調(diào)入即可。

下面驗(yàn)證一下這個(gè)靜電槍模型輸出波形，仿真得到的靜電波形曲線如下，按照靜電6KV接觸放電的等級(jí)，對(duì)比GBT17626.2 等級(jí)3要求，第一個(gè)峰值、30ns、60ns 基本在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的誤差范圍內(nèi)，說明模型可用。

這里要說明一點(diǎn)，這個(gè)模型接地線很長(zhǎng)，會(huì)增加網(wǎng)格計(jì)算量，但這個(gè)地線長(zhǎng)度對(duì)波形有影響，不能隨意變短，如果要調(diào)整接地線長(zhǎng)度，需要同步調(diào)整串接的電感，同時(shí)要校驗(yàn)波形。當(dāng)然也有簡(jiǎn)化的建模方法，比如就加一個(gè)PORT，然后

編輯一個(gè)靜電波形文件。還有一種方法是搭建電路通過電路仿真輸出靜電波形的如下圖：

但總體來看還是建立靜電槍模型最（）接近真實(shí)測(cè)試模擬，優(yōu)點(diǎn)主要有以下兩點(diǎn)：

1、靜電槍體及電路能和被測(cè)EUT形成回路更接近真實(shí)測(cè)試狀態(tài)；

2、槍體干擾的影響能夠體現(xiàn)，做過靜電整改的同學(xué)可能都清楚，靜電槍的槍體產(chǎn)生的干擾也是非常大的，不能被忽略，如下圖槍體干擾場(chǎng)還是非常強(qiáng)的；

下圖圖示就是一個(gè)完整的靜電仿真系統(tǒng)模型，建模思路：首先給設(shè)備增加一層足夠大的金屬平面，用于模擬靜電桌測(cè)試臺(tái)的水平耦合板HCP，再在上面增加橡膠絕緣墊，靜電槍直接接觸注入的測(cè)試點(diǎn)，產(chǎn)品的機(jī)殼及內(nèi)部單板及單板上的阻容類器件模型可直接導(dǎo)入進(jìn)行仿真，根據(jù)工作站計(jì)算能力適當(dāng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，影響不大的部件可以刪除。

靜電仿真一般考慮三個(gè)觀察點(diǎn)：表面電流(Surface Current)、近場(chǎng)(E-Field)、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電壓(Voltages)

1、表面電流(Surface Current)：重點(diǎn)可以觀察結(jié)構(gòu)表面的靜電電流流向，靜電電流是否流過敏感電路或模塊區(qū)域，指導(dǎo)設(shè)計(jì)中進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。

2、近場(chǎng)(E-Field):產(chǎn)品機(jī)殼和內(nèi)部單板上的靜電場(chǎng)分布，重要敏感的電路區(qū)域是否有較強(qiáng)的靜電干擾場(chǎng)，指導(dǎo)單板布局和防護(hù)設(shè)計(jì)。

3、信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電壓(Voltages)：這個(gè)通過PORT端口可直接觀察信號(hào)網(wǎng)絡(luò)上的靜電場(chǎng)電平持續(xù)時(shí)間，當(dāng)然這個(gè)靜電干擾噪聲是否會(huì)引起問題，就需要工程師們進(jìn)行分析和判斷了，比如干擾信號(hào)電平是否超過芯片的工作閾值，如果超過就有可能出現(xiàn)系統(tǒng)工作狀態(tài)的異常，這里（）根據(jù)各個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)的特點(diǎn)，有許多需要經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的積累。

三、仿真精度驗(yàn)證

對(duì)于靜電測(cè)試中產(chǎn)品的表面電流及近場(chǎng)精確分布，目前沒有儀器和工具能夠準(zhǔn)確測(cè)量，國(guó)外有一些用屏蔽箱屏蔽測(cè)量?jī)x器，用場(chǎng)探頭測(cè)量的方式。國(guó)內(nèi)也有通過近場(chǎng)掃描的方式測(cè)量，但總體來看這兩項(xiàng)在實(shí)際產(chǎn)品上測(cè)量難度很高，仿真精度不太好去驗(yàn)證。

信號(hào)網(wǎng)絡(luò)的電壓(Voltages)的測(cè)量，目前市面上也沒有很好的能夠抗靜電干擾的專用測(cè)量探頭。不過，可以用微同軸探頭配合示波器來進(jìn)行信號(hào)線上靜電波形的抓取，有一定的可操作性和準(zhǔn)確度。探頭采用微同軸外殼可以焊接在單板地上，微同軸采用全屏蔽并套磁環(huán)，通過470歐姆接入信號(hào)，因?yàn)槲⑼S的特性阻抗是50歐姆，包括示波器的輸入阻抗，因此測(cè)得的靜電壓就是Vmeas=Vreal X 50/520。為什么要加入串阻呢？一是為了避免靜電電流過多的進(jìn)入示波器損壞示波器，二是為了避免探頭的接入導(dǎo)致被測(cè)信號(hào)信號(hào)失真。這種測(cè)量方法可以參考IEEE上的會(huì)議文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real Mobile Products）。

測(cè)得數(shù)據(jù)后，將仿真和實(shí)測(cè)波形曲線對(duì)比如下，可以看出仿真與實(shí)測(cè)在量級(jí)上基本一致，通過仿真還是可以指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，給出趨勢(shì)性的結(jié)果。當(dāng)然精度的高低與仿真建模和測(cè)試都強(qiáng)相關(guān)，目前基本上能做到量級(jí)上的一致。

四、總結(jié)：

ESD仿真屬于系統(tǒng)性仿真，是一項(xiàng)比較艱巨的仿真任務(wù)，目前ESD仿真的目的主要是用于改進(jìn)和優(yōu)化，而非替代測(cè)試給出通過/不通過的結(jié)論。通過 ESD 仿真可以幫助我們給出參考的措施：

1、優(yōu)化ESD 電流釋放的路徑，避免ESD干擾到敏感電路或模塊；

2、優(yōu)化機(jī)箱接地、屏蔽設(shè)計(jì)、內(nèi)部線纜布線；

3、指導(dǎo)單板的布局與布線設(shè)計(jì)；