系統(tǒng)級靜電仿真到底能做到什么程度

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)會的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在電子設(shè)備現(xiàn)場失效案例中，約35%-40%可歸因于ESD事件（Voldman, 2018）。傳統(tǒng)的ESD測試依賴物理實(shí)驗(yàn)，成本高且周期長，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，對仿真的預(yù)期還是比較高的：

1、想要通過仿真復(fù)現(xiàn)測試中出現(xiàn)的問題；

2、想要通過在設(shè)計(jì)階段仿真能夠預(yù)測產(chǎn)品能不能通過ESD測試標(biāo)準(zhǔn)；對于這種預(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啊！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)，并且仿真周期也會很長，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，對比GBT17626.2 等級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。

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

1、靜電槍體及電路能和被測EUT形成回路更接近真實(shí)測試狀態(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，用于模擬靜電桌測試臺的水平耦合板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(E-Field)、信號網(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。

三、仿真精度驗(yàn)證

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

信號網(wǎng)絡(luò)的電壓(Voltages)的測量，目前市面上也沒有很好的能夠抗靜電干擾的專用測量探頭。不過，可以用微同軸探頭配合示波器來進(jìn)行信號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，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)致被測信號信號失真。這種測量方法可以參考IEEE上的會議文章（Measurement and Modeling of System-level ESD Noise Voltages in Real Mobile Products）。

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)；