在实验室中,通常通过将高压探针与被测试设备(DUT)的原型在特定位置(例如连接器销)进行物理连接来测试ESD接触放电。此外,还进行了非接触试验,将探针置于可能的放电点的不同距离上。
这些测试必须重复为每个可能的连接和放电路径,使ESD测试耗时和昂贵。从ESD测试的有限输出中也很难理解失败的根本原因。在测试过程中,许多原型可以被损坏或销毁。
仿真虚拟测试可以加速ESD分析,减少开发时间和成本。测试设备和DUT都是在虚拟环境中创建和连接的,通过生成波形来复制真实世界的测试。模拟结果的三维可视化显示了电流通过设备的精确路径,帮助工程师了解ESD问题的原因,并制定设计缓解策略。
环境可持续发展分析和缓解的挑战
ESD是电子器件的一个重大风险:集成电路等敏感低压电子元件很容易被高压脉冲损坏。即使没有发生灾难性的破坏,也可能发生永久性的破坏,降低设备的寿命或造成意外行为。
当一个物体上产生一个静电电荷,然后通过一个电子装置向地球放电时,就会发生ESD。如果人类使用者从衣服、地板或家具的摩擦中获得电荷,也可能来自移动机器,如车辆或传送带,或来自其他电荷物体的静电感应,就会发生这种情况。
要发生ESD,必须有一个路径之间的电荷对象和地面通过设备。这种路径可以是直接接触或近距离接触,在这种情况下,通过气隙形成弧形。在干燥的空气中,静电可以更容易地增加,上升的时间更快,峰值幅度更高,而在潮湿的空气中,非接触放电可以形成较长的弧线,较缓慢地上升,峰幅更低。
条件下的大量变量、接触类型和弧形类型意味着分析ESD风险需要对大量昂贵的原型进行一系列的物理测试。当有详细的原型时,测试必须在产品周期的后期进行。如果在ESD测试中发现问题,有一些步骤可能会导致延迟和影响预定的发布日期。步骤包括了解任何故障的原因,重新设计和翻新设备,以缓解问题的下一个原型。
现代设备的esd测试可能特别复杂,因为其他组件现在集成到单一设备中,例如芯片上的系统(SIP)。每个集成电路的ESD保护必须与系统级别的ESD保护(ESES)协调一致。为了确保所有集成电路的电压和电流安全,需要根据大量测试来权衡组件的位置。
静电放电模拟的好处
模拟为测试提供了一种更快的替代方法。 统一建模和模拟这使得将CAD几何数据转换成一个可模拟的DUT虚拟原型和测试设备的设置变得容易。虚拟发电机顶端的励磁产生了ESD脉冲,仿真计算了它通过设备的传播。3D场监视器可以可视化电流通过设备的精确路径,虚拟场探测器可以放置在虚拟空间的任何地方,包括设备内部。
以太网系统ESD测试中的表面电流,比较两个不同的二极管位置。
评价ESD敏感性实际上意味着问题可以识别和解决,甚至在第一个原型建设之前。这种方法使工程师能够第一次获得正确的设计,节省了原型成本,减少了测试过程中发现的问题导致的项目延迟的风险。
模拟ESD模拟解决方案
CST工作室套件包含最先进的电磁解决器,用于精确和高效地模拟复杂的部件和系统。ESD本质上是一种瞬态现象,通过三维时域求解器可以有效地模拟。时域解决器还提供了高效率的3D网格,它足够健壮,可以处理糟糕的CAD几何。精确地表示复杂的几何形状,可以快速地进行虚拟测试.设计实验(DOE)功能可以通过清晰的可视化和比较大型数据集,对各种场景进行自动测试。
ESD敏感性分析工作流从构建DUT的虚拟双胞胎开始。标准CAD和EDA工具的三维几何和印刷电路板或IC布局可以导入到虚拟环境中,并通过自动清理和连接将其转换为可模拟的模型。
已经预先确定的特殊教育标准模板,如教育标准化生成器的3D模型和教育标准化设计脉冲激励,可从科技委员会组件库获得,帮助用户定义模拟设置。已开发并验证了ESD发电机模型,以符合以下国际标准: 第10605号标准能够精确模拟真实世界的ESD测试设置。用户可以建立标准测试的表示,复制在实验室发现的设置。
可模拟接触式和气隙式ESD发生器。在气隙的情况下(换言之,当空气中的电压破坏导致一个弧形时,首先进行电磁模拟,以使用不同电压计算可能的弧形路径。帕兴定律 ,并生成代表弧形非线性电磁特性的香料模型。这为ESD脉冲的时域模拟奠定了基础,将SLECE电路模型与三维仿真模型相结合,进行了真实的暂态共仿真。
关闭ESD模拟装置,显示左边的DUT和右边的ESD枪探测器,一个元素代表火花。
该模拟产生几个ESDKPIS和一个三维可视化的电磁场和表面电流周围的设备。使用虚拟探测器,用户可以在整个脉冲期间查看结构中任何一点的电压。用户可以生成物理测试所能提供的所有KPIS,有些是无法测量的。
结论
静电放电(ESD)会引起故障和设备故障,影响设备市场的安全性和可靠性。成功地将电子产品推向市场意味着符合法律的ESD规定,并确保设备不受ESD暴露。
电磁模拟可以用来分析设备上的ESD风险,而不需要花费建造和潜在的破坏物理原型的成本。虚拟双星包含有关产品的所有相关数据,可以在虚拟测试中使用模拟精确地表示产品行为。
工程师可以很快地从设计数据中构建出他们产品的虚拟双生子,这要归功于在3D经验平台上开发的统一建模和模拟方法。
通过虚拟测试,工程师能够从设计的最初阶段就了解ESD风险,并能够为单个组件或整个设备制定保护和缓解策略。虚拟测试有助于防止在开发后期发现问题,因为返工成本昂贵,而且有拖延整个项目的风险。它还降低了发射后设备故障的风险和召回的成本。
