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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:邱冠銘
研究生(外文):Kuan-Ming Chiu
論文名稱:電子裝置靜電放電測試的模擬分析與實驗
論文名稱(外文):Simulation and Measurement of ESD Test for Electronic Devices
指導教授:吳宗霖吳宗霖引用關係
指導教授(外文):Tzong-Lin Wu
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:電機工程學系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:100
中文關鍵詞:浮接和接地系統量測方式靜電槍模擬模型Q3D等效電路萃取靜電放電
外文關鍵詞:ESDFloating and grounding systemMeasurement approachESD simulation model
相關次數:
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隨著電子產品的運算速度變快、體積變小、低耗電的演進,靜電放電(ESD)造成的問題越來越嚴重,對產品設計者而言,如何對ESD所造成的影響做一個正確的量測與模擬估算,以快速找出產品中最脆弱的地方並提出防治的方法加以解決,是目前最重要的課題。
本論文將會對靜電放電的量測方法做一個詳細分析,找出最適合的使用時機;在ADS中建構實驗室使用的靜電槍模擬模型,提供設計者一個簡便、快速的靜電放電模擬工具,用以估算待測物受靜電放電干擾的情形,以及因受量測系統限制而無法觀察比較的其他現象;最後實測PDA(浮接系統)和桌上型電腦(接地系統)中的主機板受靜電放電干擾的情形,發現浮接系統因無接地路徑,在數值上其絕對電壓受靜電放電影響較大,時間上亦較久;再將其做合理的簡化後,利用Q3D萃取待測物等效電路,搭配ADS做模擬分析,論證模擬數據的可信度,並試圖改變許多參數及結構擺設,了解其中之機制。
The trends of present design in electronic systems are towards high speed, small size, and lower voltage levels. Due to these trends, the influence of ESD becomes a more serious problem for an EMC designer. How to precisely evaluate the effect of ESD by measurement and simulation, and try to solve these questions quickly is the most important topic at present.
In this thesis we introduce several measurement approaches to ESD. We try to find the equivalent circuit model of the ESD gun operated in our lab, and construct the simulation model by Agilent ADS software. Good agreement between simulation and measurement demonstrates the correctness of the model for this ESD gun. By combining the simulation model of ESD gun with equivalent circuit of DUT extracted by Ansoft Q3D software, it is found this method can evaluate the ESD phenomena of DUT fast and precisely. In addition, with this method some phenomena restricted by measurement can be studied. Finally two real products including a PDA (floating system) and the mainboard in the desktop computer system (grounding system) are discussed in detail.
目錄
目錄
圖表索引
第一章 序論 1
1.1 研究目的 1
1.2 論文大綱 1
第二章 概述靜電放電與規範 3
2.1 靜電成因與靜電放電現象 3
2.1.1 何為靜電 3
2.1.2 靜電成因 3
2.1.3 靜電放電成因 5
2.1.4 靜電放電的影響 7
2.2 靜電放電模型介紹 10
2.2.1 簡介 10
2.2.2 人體放電模型(Human-Body Model, HBM) 11
2.3 IEC 61000-4-2測試規範 12
2.3.1 簡介 12
2.3.2 IEC 61000-4-2靜電槍模型 12
2.3.3 IEC 61000-4-2靜電放電波形規範 13
2.3.4 IEC 61000-4-2靜電放電測試方法及配置 14
2.3.5 IEC 61000-4-2靜電放電測試參數規範 18
2.3.6 實驗室使用之靜電槍驗證波形 19
第三章 靜電放電基本波形量測與模擬模型建立 21
3.0 工作目的 21
3.1 量測設備需求及配置 21
3.1.1 挑選數位示波器 21
3.1.2 數位示波器的比較與量測配置選擇 22
3.1.3 探棒對量測波形的影響 24
3.1.4 系統接地配置考量 25
3.2 建立靜電放電模擬模型 26
3.2.1 規範上的原始模型 26
3.2.2 簡述模擬環境與靜電放電原始模型之討論 26
3.2.3 靜電槍參數分析 29
3.2.4 建構完整模擬模型 30
第四章 量測靜電放電的方法討論與比較 36
4.0 工作目的 36

4.1 量測方法簡介 36
4.2 討論量測結果 40
4.2.1 50Ω同軸電纜線搭配20dB衰減器 40
4.2.2 單端被動電壓探棒(single-ended passive probe) 43
4.2.3 表面接觸式電流探棒(skin current probe) 45
4.3 綜合討論量測方法的使用時機 48
4.3.1 待測物說明與擺設 48
4.3.2 量測結果與使用時機討論 49
第五章 浮接系統與接地系統的靜電放電現象 54
5.0 動機描述 54
5.1 靜電放電對PDA和桌上型電腦主機板的影響 54
5.1.1 空氣放電之討論 54
5.1.2 靜電放電對PDA(浮接系統)的影響 56
5.1.3 靜電放電對PC主機板(接地系統)的影響 59
5.2 簡化模型與Q3D萃取方式討論 62
5.2.1 簡化模型 62
5.2.2 如何利用Q3D軟體精確地萃取待測物的等效電路 63
5.2.3 萃取方法的實例討論 66
5.2.4 從模擬結果討論單端被動電壓探棒對量測數值造成的影響 75
5.3 靜電放電對浮接和接地系統簡化模型的量測與模擬 77
5.3.1 目的 77
5.3.2 簡化模型的實做和配置 77
5.3.3 討論訊號面朝上無螺絲結構之模擬與量測結果 78
5.3.4 討論訊號面朝下無螺絲結構之模擬與量測結果 80
5.3.5 討論訊號面朝上加入螺絲結構之模擬與量測結果 81
5.3.6 討論訊號面朝下加入螺絲結構之模擬與量測結果 83
5.3.7 從模擬數值比較上述四種配置 84
5.4 模擬其他三層金屬結構之靜電放電現象 86
5.4.1 目的 86
5.4.2 改變底板與兩層金屬之間距(無螺絲狀態) 86
5.4.3 改變底板與兩層金屬之間距(加入螺絲狀態) 88
5.4.4 改變訊號面與地平面之間距(固定底板位置) 89
5.4.5 改變訊號面與地平面間之介質係數(εr) 90
5.5 模擬五層金屬結構之靜電放電現象 93
5.5.1 結構描述 93
5.5.2 無螺絲結構之模擬分析 93
5.5.3 加入螺絲結構之模擬分析 95
第六章 結論 97
參考文獻 98

圖表索引
圖2.1 摩擦帶電示意圖 4
表2.1 摩擦帶電序列 4
圖2.2 感應帶電示意圖 5
圖2.3 傳導帶電示意圖 5
表2.2 靜電電壓與溼度關係圖 6
圖2.4 人體接觸塑膠材料、木材、抗靜電材料所帶之電量與溼度關係圖 7
表2.3 工業上常見的靜電放電災害分類 8
表2.4 靜電放電規範 10
圖2.5 人體充放電示意圖 11
圖2.6 人體充放電等效電路模型 11
圖2.7 IEC 61000-4-2靜電槍等效電路模型 12
圖2.8 量測放電波形的實驗配置 13
圖2.9 靜電放電電流波形 13
表2.5 靜電放電電流詳細規格表 14
圖2.10 放電尖端介紹:(a)接觸放電使用、(b)空氣放電使用 15
圖2.11 放電測試流程 16
圖2.12 直立於地上的待測物靜電放電量測配置 16
圖2.13 桌上型待測物靜電放電量測配置 17
圖2.14 中山大學電磁相容實驗室之測試平台 17
表2.6 測試等級分類 18
表2.7 測試結果分級 19
圖2.15 實驗室所使用支靜電槍 19
圖2.16 實驗室使用之靜電槍驗證波形: (a)電壓2kV之驗證波形
、(b)電壓8kV之驗證波形 20
表3.1 示波器的基本規格比較 22
圖3.1 數位示波器:(a) 54855A、(b) TDS684B、(c) 54522A 22
圖3.2 示波器量測靜電放電之配置與放電波形(返回路徑接至SMA的地):
(a)配置圖、(b)量測波形 23
圖3.3 500MHz示波器於電波暗室內外量測波形比較(返回路徑接至SMA的
地):(a)配置圖、(b)量測波形 24
圖3.4 1GHz示波器返回路徑接法不同的量測波形比較:
(a)配置圖、(b)量測波形 24
圖3.5 系統接地的配置 25
圖3.6 原始模型設定 27
圖3.7 簡易模型量測與模擬配置 28
圖3.8 簡易模型量測與模擬結果比較 28
圖3.9 靜電槍拆解 29
圖3.10 考量返回路徑的電感效應 30
圖3.11 考量返回路徑電感效應的結果比較 31
圖3.12 考量靜電槍本體與接地平面間之電容效應 32
圖3.13 考量靜電槍本體與接地平面間電容效應的結果比較 32
圖3.14 考量寄生效應的模型 33
圖3.15 考量寄生效應的模擬與量測結果 33
圖3.16 靜電槍的最終模型 34
圖3.17 最終模型的模擬與量測結果 34
圖3.18 最終模型的參數探討 35
表3.2 模擬模型中各參數功能介紹 35
圖4.1 50Ω同軸電纜線搭配20dB衰減器 37
圖4.2 被動電壓探棒 37
圖4.3 主動電壓探棒 38
圖4.4 實驗室使用的電流探棒 39
圖4.5 微帶線規格 40
圖4.6 50Ω同軸電纜線搭配20dB衰減器的整體配置 41
圖4.7 示波器選擇50Ω終端的ADS模擬模型 41
圖4.8 DSO選擇50Ω終端的量測與模擬波形:(a) through port
、(b)coupled port 42
圖4.9 示波器選擇1MΩ終端的ADS模擬模型 42
圖4.10 DSO選擇1MΩ終端的量測與模擬波形:(a) through port
、(b)coupled port 43
圖4.11 靜電放電至單端被動電壓探棒 44
圖4.12 靜電放電至單端被動電壓探棒之ADS模擬模型 44
圖4.13 靜電放電至單端被動電壓探棒之模擬與量測波形 45
圖4.14 表面接觸電流探棒量測配置 46
圖4.15 表面接觸電流探棒量測波形 46
圖4.16 電流探棒F97的頻率-阻抗圖 47
圖4.17 待測物--50Ω微帶線的規格 48
圖4.18 加入底板隻整體量測配置 48
圖4.19 (a)50Ω同軸電纜線搭配示波器的設置圖、(b)量測結果 49
圖4.20 (a)單端被動電壓探棒搭配示波器的設置圖、(b)量測結果 50
圖4.21 (a)接觸示電流探棒搭配示波器的設置圖、(b)量測結果 50
圖4.22 50Ω同軸電纜線之適用考量 51
圖4.23 對照組--雙端皆為50Ω電阻搭配電壓探棒做量測:(a)配置圖
、(b)量測結果 52
圖4.24 電流探棒的天線效應:(a)配置圖、(b)量測結果 53
圖5.1 浮接與接地系統示意圖:(a)浮接系統、(b)接地系統 54
圖5.2 簡易空氣放電量測配置 55
圖5.3 比較空氣放電中有無產生spark之結果 55
圖5.4 討論PDA的放電測試點與量測點:(a)接觸放電的測試點
、(b)空氣放電測試點與單端被動電壓探棒的量測點 56
圖5.5 (a)接觸放電於I/O port金屬的配置圖、(b)量測結果 57
圖5.6 (a)接觸放電於金屬功能鍵的配置圖、(b)量測結果 57
圖5.7 (a)空氣放電於I/O port的配置圖、(b)和(c)為量測結果 58
圖5.8 PC主機板的簡化量測配置圖:(a) PC system、(b)簡化量測配置 59
圖5.9 (a)接觸放電於I/O port ground量測screw的配置圖、(b)量測波形 60
圖5.10 (a)接觸放電於I/O port ground量測任意元件的配置圖、(b)量測波形 60
圖5.11 浮接與接地系統的簡化模型:(a)浮接系統、(b)接地系統 62
圖5.12 兩層金屬中間介質為空氣的浮接與接地系統模型 63
圖5.13 萃取方法一:整體描述方式 64
圖5.14 萃取方法二:結構大小不變在Q3D中切割多段萃取方式 65
圖5.15 萃取方法三:(a)於Q3D中置入適當切割長度萃取方式
、(b)非對稱結構之切割萃取方式 65
圖5.16 實例一之結構 66
圖5.17 Q3D萃取的lump模型 66
圖5.18 利用ADS鏈結Q3D模型模擬S參數 67
圖5.19 計算的lump模型置入ADS中模擬 67
圖5.20 實例一之S參數:(a)反射係數S11,透射係數S21
、(b)phase--左圖為S11,右圖為S21 67、68
圖5.21 實例二的結構 68
圖5.22 實例二的Q3D萃取方式 69
圖5.23 整體置入萃取之模型:利用ADS模擬S參數 69
圖5.24 等分切段後整體置入萃取之模型:利用ADS模擬S參數 70
圖5.25 適當切段翠取後再自行連接之模型:利用ADS模擬S參數 70
圖5.26 實例二之S參數:(a)透射係數S21、(b)phase 71
圖5.27 實例三的結構 72
圖5.28 實例三之S參數:(a)透射係數S21、(b)phase 73
圖5.29 實例三之time-domain比較:(a)實際配置、(b)ADS模擬電路
、(c)時域下的量測和模擬結果 73、74
圖5.30 待測端不加探棒的ADS模擬配置 75
圖5.31 有無電壓探棒的模擬數值比較:(a)加入探棒、(b)無探棒之結果 76
圖5.32 分析探棒間的寄生電容對待測物的影響 76
圖5.33 簡化結構的整體量測配置 77
圖5.34 訊號面朝上無螺絲結構的實做和示意圖 78
圖5.35 訊號面朝上無螺絲結構的模擬和量測結果:
(a)浮接系統量測訊號平面、(b)浮接系統量測地平面、
(c)接地系統量測訊號平面、(d)接地系統量測地平面 79
圖5.36 訊號面朝下無螺絲結構的實做和示意圖 80
圖5.37 訊號面朝下無螺絲結構的模擬和量測結果:
(a)浮接系統量測訊號平面、(b)浮接系統量測地平面、
(c)接地系統量測訊號平面、(d)接地系統量測地平面 81
圖5.38 訊號面朝上有螺絲結構的實做和示意圖 82
圖5.39 訊號面朝上有螺絲結構的模擬和量測結果:(a)浮接系統
、(b)接地系統 82
圖5.40 訊號面朝下有螺絲結構的實做和示意圖 83
圖5.41 訊號面朝下有螺絲結構的模擬和量測結果:(a)浮接系統
、(b)接地系統 84
圖5.42 浮接系統下四種擺設之比較:
(a)訊號面朝上無螺絲結構、(b)訊號面朝上有螺絲結構、
(c)訊號面朝下無螺絲結構、(d)訊號面朝下有螺絲結構 84
圖5.43 接地系統下四種擺設之比較:
(a)訊號面朝上無螺絲結構、(b)訊號面朝上有螺絲結構、
(c)訊號面朝下無螺絲結構、(d)訊號面朝下有螺絲結構 85
圖5.44 些微改變的三層金屬結構 86
圖5.45 改變底板與兩層金屬間距(無螺絲)之示意圖:
(a)訊號面朝上-浮接系統、(b)訊號面朝上-接地系統、
(c)訊號面朝下-浮接系統、(d)訊號面朝下-接地系統 86、87
圖5.46 改變底板與兩層金屬間距(無螺絲)之比較:(a)浮接系統
、(b)接地系統 87
圖5.47 改變底板與兩層金屬間距(加入螺絲)之示意圖:
(a)訊號面朝上-浮接系統、(b)訊號面朝上-接地系統、
(c)訊號面朝下-浮接系統、(d)訊號面朝下-接地系統 88
圖5.48 改變底板與兩層金屬間距(加入螺絲)之比較:(a)浮接系統
、(b)接地系統 88
圖5.49 改變訊號面與地平面間距(固定底板位置)之示意圖:
(a)訊號面朝上-浮接系統、(b)訊號面朝上-接地系統、
(c)訊號面朝下-浮接系統、(d)訊號面朝下-接地系統 89
圖5.50 改變訊號面與地平面間距(固定底板位置)之比較:(a)浮接系統
、(b)接地系統 90
圖5.51 改變訊號面與地平面介質係數之示意圖:
(a)訊號面朝上-浮接系統、(b)訊號面朝上-接地系統、
(c)訊號面朝下-浮接系統、(d)訊號面朝下-接地系統 90、91
圖5.52 改變訊號面與地平面介質係數之比較:(a)浮接系統、(b)接地系統 91
圖5.53 模擬結構及側示圖 93
圖5.54 無螺絲結構下不同擺置之示意圖與各層電壓分布:
(a) power層在上-浮接系統、(b) power層在上-接地系統、
(c) power層在下-浮接系統、(d) power層在下-接地系統 94
表5.1 無螺絲結構下不同擺置之絕對值電壓差 94
圖5.55 加入螺絲結構下不同擺置之示意圖與各層電壓分布:
(a) power層在上-浮接系統、(b) power層在上-接地系統、
(c) power層在下-浮接系統、(d) power層在下-接地系統 95
表5.2 加入螺絲結構下不同擺置之絕對值電壓差 95
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