基于场路协同的手机静电放电仿真研究∗

2021-11-13杨兰兰王香霁

电子器件 2021年5期

王倩，杨兰兰，王香霁，杨昌，屠彦

(东南大学电子科学与工程学院，江苏南京 210096)

静电放电(Electrostatic Discharge，ESD)是静电电荷累积，在接触另一物体时，对这个物体到地的阻抗进行放电的一种现象[1]。随着现代电子设备的便携化发展，集成度越来越高，静电放电的影响也随之增大，可能干扰信号的传输，严重时甚至会直接击穿高精密的集成芯片[2]。在日常生活中，尤其秋冬干燥季节，人体静电放电最高可达15 kV，对电子设备的潜在危害很大[3]。

静电放电对电子设备的影响经常不易直接感知，并且存在累积性，即当时不产生影响，在多次累积后带来严重隐患和静电干扰场所及途径不能预期的特性[4]。因此对于静电放电在不同电子设备介质上的影响情况讨论很有必要。除放电介质影响之外，放电位置与芯片的距离也是很重要的一个因素。接地是静电防护中的基础措施，有效的接地方式能够给静电放电提供泄放路径，减少对内部电路的损害[5]。

本文采用CST 微波工作室(MICROWAVE STUDIO，MWS)和设计工作室(DESIGN STUDIO，DS)相结合的瞬态场路协同仿真方法，基于人体－金属静电枪模型对包含PCB 板、保护外壳和芯片模型的手机设备的信号传输进行研究，特别关注放电位置和放电介质对电磁干扰和信号传输的影响。

1 瞬态场路协同仿真模型

1.1 微波工作室三维全波模型

MWS 中手机三维模型由外部金属铝外壳和玻璃材质的显示屏组成，内部导入PCB 板，金属铝壳和接地板之间通过大电容连接。静电枪及手机三维全波仿真模型如图1 所示。

图1 三维全波仿真模型示意图

放电位置为静电枪与手机外壳接触的位置，图2 给出了放电位置示意，选取三个放电位置为(a)金属顶部，(b)金属左侧，(c)玻璃左侧。尽管在接触放电模式中，静电枪与设备的接触点须是金属，本文选用玻璃介质作为接触点，是此时的情况可与小弧长的空气放电情况相比拟。

图2 放电位置示意

手机内部置入的PCB 板主要包含CPU(IC100)和四块高速DDR 缓存(IC200－IC203)，功能主要是CPU 与高速缓存之间进行数据交换。本文研究选取的信号线为ADDR5，是连接IC100－C19 与缓存IC200－36 的地址线。在三维全波仿真模型中，需要设置端口，与外部电信号进行连接，图3 给出了三维全波模型仿真时的端口设置及选取的信号线位置。port1 为芯片IC－100 的C19 引脚，port2 是IC200 的36 引脚，信号线及端口位置如图3 所示，而port3 为图2 所示的静电放电电压施加端口。

图3 信号线及端口位置

1.2 设计工作室电路

瞬态协同仿真要求三维模型中的端口与设计工作室的电路元件有一个连接，每个时间步长，电压和电流信息都会在电路仿真和全波电磁仿真之间进行交流[6]。图4 所示为设计工作室中的协同仿真电路，包含三维全波仿真模型转化的电路模块、IC100和IC200 芯片的IBIS 模型及信号激励。DS 中方形的Terminal1 施加静电放电电压，对应到MWS 中的port3(图1 中的实心圆点位置)；传输信号在DS 中方形Terminal2 处施加，经过芯片IC－100 处理后经引脚C19 和地址传输线ADDR5 传输到IC200－36。在信号线两端分别加了两个探针P1、P2 来探测信号的传输情况，分别检测IC100－C19 和IC200－36引脚，也对应于MWS 中的port1 和port2 端口。DS中方形Terminal3 为芯片的使能信号，此处为低电平使能。

图4 设计工作室协同仿真电路

传输信号采用1.8 V，50 MHz 方波，施加在图3的Terminal2 处，静电放电电压8 kV，上升时间1 ns，仿真时间为60 ns，施加在图3 的Terminal1 处。

1.3 瞬态协同仿真设置

DS 中新建瞬态任务，选择CST MWS-co-simulation。瞬态协同仿真采用三维瞬态求解器，施加上文所述的端口激励，在电路和三维全波仿真模型中同时进行，且可以同时计算显示电磁场数据[7]。

MWS 中因探针不能接触或距离金属过近，所以在port1 和port2 对应位置上方约3mm 处设置电磁场探针，以获得对应电磁场数值。

2 仿真结果

图5 所示为金属铝壳不同位置处放电电流的对比，可以看到两处放电电流结果较为一致。电流在1 ns 左右达到峰值20 A，在经约1 ns 的急速下降到12.5 A 之后，下降速度放缓，60 ns 时下降到约7 A。

图5 金属铝壳不同位置处放电电流对比

静电放电损伤主要来源之一是静电放电产生的电磁场辐射干扰。金属铝壳上选取的两个放电位置中，顶部较为接近端口2，而左侧较为接近端口1。图6 所示为金属铝壳不同位置放电时port1 和port2端口位置处的电场强度模和磁场强度模。从图6 可以看出，顶部和左侧位置放电，在与各自较为接近的端口产生的电场强度模最高都能达到2.8×104V/m，磁场强度模最高约50 A/m，到达峰值的时间均约为1.3 ns。经快速下降之后，电场强度模在后期有略微的上升趋势，是因为放电时产生沿金属上下表面幅度相同的表面波，在边缘反射叠加入射波[8]，而磁场是由放电过程中不均匀的电流产生的，所以变化趋势与电流保持一致。

电磁场中的坡印廷矢量，即单位时间内通过单位面积的能量，综合了电磁场情况，可以更直观地显示出特定位置的潜在损伤程度。其表达式为:

图7 给出了金属铝壳不同位置放电时端口处的坡印廷矢量模。从图7 可以看出，坡印廷矢量模与电磁场数值关系也保持一致，其中金属顶部放电在两个端口产生的能流密度相差更大，port2 约是port1 的5 倍，在port2 峰值能达到约1.4×106W/m2。

图6 和图7 的数据反映出，首先静电放电产生的辐射干扰主要和放电点与受影响端口的距离有关，金属顶部放电时，靠近顶部位置的port2 端口处电磁场强度大，金属左侧放电时，靠近左侧位置的port1 端口处电磁场强度大，即端口与放电点距离越近，产生的电磁场数值越大，对器件的损伤潜在危害更大。

图6 金属铝壳不同位置放电时端口处的电场强度模和磁场强度模

图7 金属铝壳不同位置放电时端口处的坡印廷矢量模

静电放电对于信号的影响属于软故障，一般来说会对信号造成延迟，振荡，过冲和下冲等问题。图8为DS 中静电放电对信号波形的干扰情况。由图8 可以看出，在探针P1 处，两个位置放电对信号的干扰效果相近，而在P2 处，两个位置的干扰在不同时间段的剧烈程度不一样，顶部放电在前1 ns 附近波动更加明显，而左侧放电波动较为集中在1 ns～5 ns，总体上来衡量对信号传输的影响还是相当的。另外可以发现左侧放电带来的信号传输波动会更加频繁，原因可能是左侧位于边缘中央附近，且侧边缝隙要比上下端缝隙更长，边缘会产生更加剧烈的电磁场变化，也会使得电流更容易耦合进入内部PCB，而DS 中的瞬态仿真又是对所有输入产生影响的实时反映，因此左侧放电的“毛刺”会更多。

图8 金属铝壳不同位置放电时端口处的信号干扰情况

为比较不同介质上放电的区别，排除距离、开孔及缝隙等因素的影响，又选取了图2(c)玻璃左侧位置和图2(b)金属左侧结果进行对比。放电电流及电磁场结果如图9 所示。

图9 两种介质上放电电流及电磁场结果

从图9 可以看出，相近的位置在金属铝和绝缘玻璃介质上放电，在金属上放电总体会产生数值更大的电磁场，玻璃因绝缘导致电流无法在表面传播，因此磁场与电流都在急速上升之后迅速归零，后续辐射干扰可能性非常小，因此在金属上放电对器件造成潜在故障的可能性更大。

图10 为DS 中两种介质上放电对信号的干扰情况。由图10 可以看出，P1 和P2 处的信号干扰情况都是在玻璃上放电时比较严重。和图9 对比来看，可以看出虽然在玻璃上放电产生的电流及电磁场水平较小，但是信号干扰却是比较严重。在绝缘介质上放电，放电电流无法在表面传播，但电磁波可以透过玻璃耦合到内部PCB 的金属连接线上，对信号传输造成更大的干扰。而金属铝壳具有良好的导电性，当在上面发生静电放电时，产生的电流大部分通过壳体，流向接地板，小部分通过PCB 与壳体连接耦合到PCB 线路上，对信号传输造成的干扰相对较小。