Research Progress on the Mechanism of Air Discharge Repeatability
摘 要 ：随着电子科学技术的飞速发展,电子器件特征尺寸越来越小,静电放电 (ESD) 给电子器件、设备、系统带来的干扰和损坏问题日益严重。空气放电是静 电放电的主要形式,影响空气放电过程的因素众多且复杂,导致空气放电的重复 性较差。该文介绍了国内外学者对空气放电的研究情况,总结了相关参数如放电 时延、放电弧长、趋近速度、空气湿度以及压强等对空气放电重复性的影响机理, 并对目前的空气放电重复性研究进展进行了探讨,在此基础上对空气放电重复性 机理研究进行了展望。
关键词 ：静电放电 ;空气放电 ;重复性
引用格式 : 魏继晨 , 万发雨 *, 崔强 . 空气放电重复性机理研究进展 [J]. 安全与电磁 兼容 , 2023(5): 16-22, 41. Wei Jichen, Wan Fayu*, Cui Qiang. Research Progress on the Mechanism of Air Discharge Repeatability[J]. SAFETY & EMC, 2023(5): 16-22, 41. (in Chinese)
Abstract ：With the rapid development of electronic science and technology, the feature size of electronic devices is becoming smaller and smaller, and electrostatic discharge (ESD) is causing increasingly severe interference and damage to electronic devices, equipment, and systems. Air discharge is the main form of electrostatic discharge, and there are many complex factors that affect the air discharge process, leading to poor repeatability of air discharge. This article introduces the research situation of air discharge by domestic and foreign scholars, summarizes the influence mechanisms of related parameters such as discharge delay, discharge arc length, approach velocity, air humidity, and pressure on the repeatability of air discharge, and discusses the current research progress on the repeatability of air discharge. Based on this, the future research on the mechanism of air discharge repeatability is discussed.
Keywords ：electrostatic discharge; air discharge; repeatability
0 引言
早在 20 世纪 80 年代人们就已经发现静电放电对半导体器件、电子设备（系 统）来说是一种潜在危险源 [1]；如今随着电子元器件集成度越来越高、特征尺 寸越来越小，导致电子元器件、设备以及系统的电磁敏感度逐渐提高，同时使 电子元器件的抗过电压能力逐渐下降 [2]，因此静电放电所造成的危害日益严重。ESD 放电过程中形成的瞬时大电流以及产生的瞬态强电磁脉冲，是静电放电 对半导体器件、电子设备造成直接或间接损伤的主要原因 [3]。根据 IEC 61000- 4-2:2001 规定的试验要求，ESD 试验模式被分为接触式放电模式和空气放电模式 [3]。空气放电在放电过程中产生的瞬时大电流，会使 电子设备的功能丧失，并对电子器件造成永久性的损 伤 [4]。同时其放电过程中产生的瞬态强电磁脉冲，可能 会导致电子设备的潜在性损伤，虽然不会使电子元器件 立刻被损毁，但会引发设备或系统的失敏、重启，功能 下降等现象，并使电子元器件的使用寿命大大缩短。空 气放电造成的潜在性损伤一般不易察觉，但危害较大， 因此需要进行相关的实验研究来探究哪些物理因素会对 空气放电造成影响，来实现潜在性的失效预测和降低空 气放电带来的风险，并提出相应改善与防护措施。
1 国内外研究现状
国外对空气放电的研究起步较早，在上世纪就已经 有学者对此进行相关的研究，如今国际上知名的有美国 密苏里科技大学、德国柏林理工大学和日本名古屋工业 大学等。他们对于空气放电的研究主要为放电过程的物 理机理和放电的物理形成过程两个方面。其中关于空气 放电过程中物理机制的研究主要有实验方法和模型仿真 方法。Pommerenke D 教授团队 [5-11]研究分析了不同的 ESD 模式和相关的试验方式以及测试方法，并通过实 验研究探讨了哪些因素会影响空气放电强度，取得了较 多的成果。如放电弧长效应，在相同条件下，放电弧长 越短，空气放电的程度越强烈 ；湿度效应，在一定条件 下，空气中的湿度越大，空气放电的强度越弱 ；电极移 动速度效应，在相同电压下，电极趋近靶目标的速度越 快，空气放电的程度越强烈 [12-15]。Taka Y 教授团队 [16-17]研究分析了空气放电中的二次放电现象，得出一次放电 的预电离会降低二次放电电压的结论。这些学者们的研 究大多通过实验从宏观上较好的揭示了放电弧长、电极 趋近速度、湿度等环境因素对空气放电的过程以及放电 参数的影响机制，但未能从微观上揭示空气放电的具体 机理。在此基础上，学者们研究发现放电弧长等受放电 时延的影响较大，因此有学者对空气放电过程中的放电 时延问题进行了深入的研究与分析，以此来探究空气放 电的微观机理。如在空气放电中绝对湿度对放电时延的 影响，学者们认为空气中水分子的增多提高了初始电子 的出现概率，能够有效地降低统计时延，促进放电的发 展，但同时空气中电子又容易被水分子吸附，导致电子 雪崩速度减慢，延长形成时延 [18-19]。但有关放电时延的 物理机制还不是非常明晰，还需要进一步研究。同时，研究空气放电物理形成过程主要依靠实验 手段和数值模型两种方法。Deng J 等人 [20]利用高速相 机来拍摄空气放电的过程并利用光谱仪进行相关研究， 他们通过对比拍摄得到的照片分析出流注发展速率和形 态，进一步研究空气放电的微观过程，实验从宏观上较好的揭示了空气放电重复性机理，但空气放电过程中初 始电子的数量、各类粒子的分布情况以及电场分布规律 等物理量很难通过这些实验方法进行定量的研究。因此， Fujiwara O 教授等人 [21-23]运用数值模型分析的方法，分 析空气放电试验的过程，并通过电火花等效时变电阻模 型，根据 Rampe- Weizel 公式，提出了计算空气放电过 程中两电极间放电电流的解析模型与方法。Monnereau N 教授等人 [24]提出了一种系统级的 ESD 建模方法，能 够有效预测放电时印制电路板上的电流电压变化。这 些研究通过电路模型、三维电磁仿真模型，能够契合 IEC 61000-4-2:2001 所规定的空气放电模式，但这些仿 真研究也未能从微观粒子运动规律角度来揭示空气放电 的物理形成过程。为了探究空气放电的微观物理形成过 程，一些学者通过建立流注放电物理数学模型等方法， 来对空气放电的形成过程进行理论分析 [25-29]，主要有流 体动力学模型和等离子体化学反应等模型，但因模型中 包含对流扩散方程和解析解非常困难，并且数值解存在 结果不收敛的问题。这些研究对空气放电的物理形成解 释还不够明确，为此还需要在简化模型和测量的研究中 做进一步的工作。国内对空气放电的研究起步较晚，但经过学者们不 断的研究与探索，已取得了丰富的成果。其中比较著名 的有陆军工程大学团队、航天五一四所团队、武汉理工 大学团队、贵州师范大学团队等。刘尚合院士是国内静 电放电领域的奠基者与开拓者，对国内静电放电领域的 标准制定提出了许多有益的建议，并对空气放电所带来 的危害提出了许多对策和相关的防护方法 [30]，并为国 内在静电放电领域中培养了许多杰出人才。他们团队对 影响空气放电特性的因素进行了理论与实验的分析，得 出放电电弧长度与电极趋近速度会直接影响空气放电的 特性，并得到空气湿度等环境因素以及电极极性等也会 影响空气放电的结果 [31-34]。贵州师范大学团队分析了 空气压强对空气放电结果的影响，并在探究放电电极的 趋近速度对放电参数影响等研究中做了更深入的工作， 研究了放电参数与放电电极的趋近速度之间的相关系 数，得出在高气压下放电电极的趋近速度会影响间隙气 压强度进而影响放电特性，但在低气压下放电电极的趋 近速度则不影响放电参数 [35]，同时他们发现电极趋近 速度的影响存在值一旦超过临界值，其影响特性就会降 低 [36]。笔者实验室研究了湿度对放电参数的影响，得 到了高湿度加速统计时延的过程，但延缓形成时延过 程的结论。他们还研究了绝对湿度和相对湿度对空气 放电特性的影响，实验结果表明相对湿度比绝对湿度 更为重要 [37-38]；并对二次放电 ( 一种特殊的空气放电现 象 ) 的特性进行了研究，分析了二次放电的时间延迟特性 [39-41]。虽然对空气放电重复性机理已经有了较深入的 研究，但是如何在工程实践中提升空气放电重复性的研 究还不完善，为此还需要做进一步的研究。
2 空气放电的物理过程
空气放电的物理过程如图 1 所示，包含了统计时延 过程和形成时延过程。其中，统计时延是指带电体与接 地导体之间的场强达到空气击穿场强时刻与实际击穿发 生时刻二者之间的时间间隔，它主要受种子电子的来源 影响，如宇宙射线、强电场下场致效应、水分子的电离 等，具有统计特性。形成时延是指放电（击穿）开始时 刻到放电完成时刻之间的时间间隔，包含从种子电子产 生开始、电子雪崩发生、转化为流注、流注连接阴极和 阳极形成放电通道等阶段。其放电过程涉及两个重要理 论 ：汤逊放电理论与流柱放电理论。
图 1 空气放电的物理过程
IEC 61000-4-2:2001 所规定的空气放电模式试验中 放电枪头趋近放电靶时发生的放电现象，如图 2 所示。间距 d 也称为气体间隙，可以根据帕邢定律进行计算， 均匀场中空气击穿电压 U 与放电弧长 D 的关系可表示 为 [42]:
式中，U 的单位为 kV，D 的单位为 cm。
在试验中，一般认为放电弧长 D 等于间距 d。因此，相应的帕邢击穿场强 E 为 ：
式中，E 的单位为 kV/cm。
但在实际试验中，空气的击穿并不是当放电枪头 上的电压达到击穿电压 U 就瞬时发生的，而是在一段 时间延迟之后才会发生。因此，学者们认为空气放电至 少可以分为两个阶段 ：初始阶段和放电阶段，与之相对 应的时间延迟分别为统计时间延迟和形成时间延迟 [43]。
图 2 放电枪头与放电靶之间电火花击穿的示意图
3 空气放电主要物理参数对重复性的影响
初始电子激发的不确定性和时间延迟的存在，导 致空气放电的重复性差。还有其放电过程不仅受温湿度、 气压等环境因素影响，也受电极材料、电极表面粗糙程 度以及电极趋近速度等因素影响，甚至微小的改变就足 以影响其放电过程，产生差别很大的放电结果，因此空 气放电重复性的研究比较困难。只有得到重复性良好的 空气放电试验，空气放电的测试才具有实际意义，因此 研究空气放电重复性问题就显得非常重要，才能进一步 完善 ESD 抗扰度试验方法和标准，解决空气放电带来 的种种危害。
3.1 时间延迟对空气放电的影响
上文中提到，在试验中放电枪头上的放电电压达 到击穿电压 U 时，空气不会直接被击穿产生放电的原 因是放电时延的存在，其中统计时延的变化范围非常 宽从 ns 级到 s 级，形成时延一般为 ns 级，因此统计时 延起主要作用。以 8 kV 空气放电为例，没有时延存在 时的放电间隙约为 2 mm，电场为 40 kV/cm。当假设时 延为 1 ms，电极趋近速度为 0.5 m/s 时，放电间隙变为 1.5 mm，放电电场为 53 kV/cm。因此，放电时延的大小 直接影响着放电参数，在同样的放电电压下，当电极趋 近速度一定时，由于统计时延的存在造成放电时的场强 增大，因此放电电流、电磁脉冲也就越大。有学者通过 实验得出击穿场强随时间的变化分为 3 个区域，如图 3 所示 [32]。
图 3 放电枪头与放电靶之间电场强度随时间的变化曲线
放电时延是表征空气放电重复性的重要参数。下 文所提及的电极趋近速度、湿度等外部参数都是通过改 变放电时延影响放电弧长，从而影响空气放电结果。
3.2 放电弧长对空气放电的影响
部分学者认为放电弧长 D 是影响空气放电特性的 一个最直接因素，并通过实验得出在相同放电条件下， 电弧长度越短，峰值电流越大，上升时间越小的结论 [32]， 图 4 是不同电弧下的放电电流波形。
图 4 不同放电弧长下的放电电流波形
因为统计时间延迟的存在，在一定的趋近速度下， 实际的放电弧长小于帕邢击穿电压下得到的放电弧长， 实际的放电场强也会更大，放电产生的电流和电磁脉冲 也更强。在不同的放电枪头趋近速度下，放电弧长也会 不同，因此趋近速度也将影响空气放电的重复性。
3.3 趋近速度对空气放电的影响
相关学者通过实验研究，发现当放电电压一定时， 枪头趋近速度越快，放电电流的峰值越大，上升时间越 大，如图 5 所示 [34]。趋近速度越快，电极趋近放电靶 的距离越短，放电弧长越短，放电时的场强也越大，放 电产生的放电电流和电磁脉冲也越强。
图 5 放电峰值电流随枪头趋近速度的变化
同时研究发现在枪头趋近速度一定的情况下，并不 是放电电压越大 , 产生的放电电流就越大，如图 6 所示， 其能量频谱分布范围就越宽，或者说产生的辐射场就越强 [34]。在高的放电电压下，放电时延可能较短，放电 弧长较长，放电时的场强较小。在低的放电电压下，放 电时延可能较长，放电弧长较短，放电时的场强较大。在低的放电电压下，可能出现放电电流和电磁脉冲较大 的情况。因此，按照 IEC 61000-4-2:2001，需要从低电 压做到高电压，而不能仅仅是做高电压下的试验。
图 6 放电电流峰值随放电电压的变化
3.4 空气湿度对空气放电的影响
空气放电的放电过程受湿度等众多环境因素影响。其中湿度对空气放电的影响较大，但在放电过程中，湿 度对不同的放电阶段有不同的影响机理，如增大空气湿 度，空气中会有更多的水分子分离，这有利于空气放电 过程中初始电子的产生，从而加速了放电过程，进而缩 短了统计时延 ；但另一方面，在电子雪崩阶段，空气中 水分子的增多，会导致自由电子容易被水分子吸附变为 负离子，使放电过程减缓，从而延缓了电子雪崩的发展， 进而延长了形成时延 [42]。因此湿度对空气放电进程的 影响是两种机理共同作用的结果，但由于统计时延过程 决定了空气放电的严酷性，因此一般认为高湿度会加速 放电过程，减弱放电的严酷性。
高湿度的环境下，空气放电程度弱，但维持高湿度 的空气环境成本高昂，且在高湿度的环境下电子元器件、 设备和系统中的金属成分容易被氧化腐蚀。因此，需要 通过试验进行探究找到一个合理的空气湿度值。笔者团 队对此进行了相关的研究试验，并记录了能够表征 ESD 严重程度的参数，结果表明 ：空气中的湿度对静电放电 没有直接影响，但潮湿空气中水分子的电离提供了诱发 击穿的初始电子，因此得出空气湿度越低，空气放电程 度越严重。湿度对空气放电严重程度的影响和放电电压 之间存在相关的函数 ：放电电压越高，湿度的影响就越 弱 [37]，如图 7 所示。
图 7 空气放电的相对发生频率随绝对湿度的变化
其中，绝对湿度是指给定体积中水蒸气的总量 ；相 对湿度是指空气中的水分子与该温度下空气中所能容纳 的最大水分子的比值，
对于给定的放电弧长，放电过程中产生的放电电 流峰值不是与湿度相关的函数。但放电电流和上升时间 与放电弧长有很好的相关性，放电电弧长越长，放电电 流的峰值越小，上升时间越慢。放电电流与放电弧长之 比在所有环境条件下都是相同的，这表明湿度对放电电 流没有直接影响 ；但是，湿度确实对空气放电有间接影 响，是通过改变统计时延来影响放电弧长。
同时实验研究表明相对于绝对湿度，相对湿度更为 重要 [38]，如图 8 所示。在放电电压相同的情况下，湿 度是重要的因素，潮湿的空气在缩短统计时延方面有很 强的作用，这很可能是由于电子是从阴极表面的水分子 分离出来，而相对湿度表示电极表面的湿度，所以相对 湿度越高电极表面的水分子越多，在高电压下激发出的 初始电子越多，从而加速了统计时延过程。因此对于影 响空气放电过程的因素来说相对湿度是比绝对湿度更重 要的参数，在相对湿度相同、绝对湿度不同的试验测量 结果也支持这一结论。
图 8 5 kV 放电电压下放电电流和磁场随放电弧长的变化
3.5 空气压强对空气放电的影响
相关学者基于他们自主研发的新型测试系统，测 得空气放电在相同趋近速度、相同放电电压、不同空气 压强下的放电电流波形，如图 9 所示 [44]。通过分析所 设计的静电放电发生器和相关等效电路，发现放电枪头 向放电靶趋近的速度很快时，将引起间隙处的空气压强 降低，电场强度增大，且这两种因素都会引起空气放电 产生的放电电流增大 [35]。
图 9 两种不同空气压强下的放电电流波形图
3.6 正负极性对空气放电的影响
部分学者研究了电极正负极性对空气放电的影响， 结果表明 ：恒定电场中气体的击穿阈值与趋近电极的极 性有很大的关系，并从试验结果（图 10）可以看出 [34]， 电极极性的不同也会影响空气放电的放电过程。当电极 极性不同时，间隙间空间电荷所产生的场对外部电场的 影响不一样，这就产生了放电电极的极性效应，从而影 响了空气放电过程。
上文梳理了学者们对影响空气放电特性的物理因 素的研究结果，但这些研究大多是通过控制变量的方法 来研究某一或两个因素对空气放电过程的影响情况，没 有研究分析不同变量参数同时改变的空气放电过程，因 此，还需要在探讨研究多种因素同时改变情况下的空气 放电特性。
3.7 提升空气放电重复性测试方法研究进展
目前，国内外学者对于不同因素影响空气放电重 复性的机理研究已有较多成果。其中有不少学者针对这 些影响参数，设计了一些测试方法来提升空气放电重复 性试验。国外有学者利用屏蔽环探针建立了 ESD 引起 的瞬态磁场和 EM 辐射模型 [45]，并有学者开发了一个新 的模块化实验平台，在应对不同的空气放电情况时可以 更换特定模块，以灵活地进行复杂的测量 [46]。国内部 分学者为解决空气放电中控制电极趋近速度和力度的问 题给出了两种试验方法 ：导轨式空气放电和单摆式空气 放电 [47]，但一种设计复杂、一种应用情况较少 ；一些学者通过机电一体化来解决了趋近电极的速度问题 [36]；也有学者采用放电弧长归一化击穿电场强度技术，研制 出了大动态运动状态下微米级弧长的测试样机，基于归 一化场强，空气放电产生的放电电流及放电脉冲瞬态场 强重复率有较大提升 ；因人工智能等技术高速发展，部 分学者想到利用神经网络等来预测分析不同物理因素对 空气放电参数的影响 [48-49]，并以此来提高空气放电试验 的重复性。由于以上测试方法的复杂性，还没有哪一种 方法得到业界的完全认可，简单易行的空气放电重复性 测试方法还需要进一步的研究。
图 10 不同极性下的耦合电压峰 - 峰值随放电电压的变化
4 结语
本文讨论了造成空气放电重复性差的主要参数和 物理机理，总结了提升空气放电重复性测试方法。目前， 空气放电试验大多都是在实验室条件下进行的，并且大 多数的研究是根据放电电压、放电弧长等来分析研究空 气放电过程，但随着科技的迅速发展，电子器件越来越 小，各种电子器件的集成度也越来越高，以及空气中的 电磁环境日益复杂，必然会出现更加复杂的空气放电情 况，导致空气放电发生的电压将更低，放电产生的弧长 将更加难以精确测量，同时由其引起的电磁辐射危害也将更加严重，其实际测试测量的困难程度也将大幅度提 升，也将会出现更多特殊的空气放电情况如二次放电 等，空气放电重复性的机理也将更加复杂。因此，是否 还能通过测量放电弧长等方法来研究分析空气放电，和 能否直接通过对辐射场的测量分析来实现对空气放电的 研究，以及新材料的出现是否会影响空气放电特性，这 些问题都需要学者们做进一步的研究与分析。
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