电子设备二次静电放电机理理论与实验研究

Currently, the secondary discharge is one of the main ESD hazards to electronic products, the study of secondary discharge physical mechanism can effectively predict and prevent electrostatic discharge electromagnetic hazards. Current research on electrostatic discharge electromagnetic hazards hasn't conducted in-depth theoretical research from the discharge microscopic processes. The project concerns on the influence of environmental parameters on secondary discharge microscopic processes mechanism, proposes the hydrodynamic model, focus on model solution、optimization and experimental validation. The main contents include: (1) Research on continuity equation of charged particles and the potential of the Poisson equation, analyze the solution of the convection-diffusion equation, realize the weak form of strong coupling equations, speed up the convergence of numerical methods. (2)Research on secondary discharge measurement method, improve the measurement accuracy nanosecond time lag, get discharge current and other parameters, calculate the total amount of discharge amplitude; validate and optimize of secondary discharge model. (3) Based on optimization model, analyze the effect of environmental parameters on the mechanism of discharge process and discharge parameters. Trying to solve the mechanism problem of secondary discharge, provide basic theory and technical support for preventing electrostatic hazard. The project not only has important theoretical significance, but also has important practical applications.

目前，二次放电是静电放电危害电子产品的主要方式之一，二次放电机理研究能够有效的预测和预防静电放电的电磁危害。目前关于静电电磁危害的研究还未能从放电微观过程进行深入地理论研究。本项目针对环境参数对二次放电微观过程的影响机理问题，提出流体动力学模型，重点解决模型的求解和优化以及实验验证等关键问题。主要研究内容包括：（1）研究带电粒子的连续性方程和电位泊松方程，分析对流扩散方程的求解，实现强耦合方程的弱形式，提高数值方法的收敛速度。（2）研究二次放电实验方案，提高测量纳秒级放电时延精度，获取放电电流等参数，计算放电总量，验证和优化放电模型。（3）基于优化模型，从放电微观角度深入分析环境因素、脉冲电压等参数对放电参数的影响机理。试图解决二次放电机理问题，为静电危害防护提供基础理论与技术支持。不仅具有重要理论意义，而且具有重要的实际应用价值。

二次静电放电是一种发生在电子设备中微小间隙间的击穿放电事件，其放电强度大，速度快，实验研究较为困难，已有的很多结论争议较大，仍待继续研究。本项目在经典的汤森放电理论和流注放电理论的基础上，分析二次静电放电过程，基于国内外受到广泛认可的计算模型，构建了二次静电放电电路级仿真模型，然后进行大量的实验统计，对比验证，研究二次静电放电的宏观特性，最后在COMSOL Multiphysics软件中，设计等离子体粒子反应模型，分析放电过程中的流注变化，得出微观放电特性。研究表明：.1、设备内部产生的二次静电放电总是强于一次放电，二次放电的峰值上升时间与一次放电相似，都在0.7~1ns之间，但峰值电流要大得多，辐射场也更强，危害性也更大，同时二次放电发生在设备内部，更加难以防护。.2、二次静电放电的峰值受放电时延的影响，在纳秒级内，这种影响关系可以近似为正线性关系，时延越长，峰值越高，同时电压、间隙等因素都会影响这种线性特性。.3、二次静电放电的时延由流注生成到沟通两极的形成时延和达到理论击穿阈值后初始种子电子的统计时延组成，形成时延受电压、距离、环境等因素的影响，但在同样条件下，是个一定值，而统计时延是个随机值，其随机分布可以近似为正太分布，这就是造成了二次放电峰值变化大，实验复现性差的原因。.4、在微观上，二次静电放电的流注生长极快，约60km/s，畸变电场很强，0.2mm距离内，电场落差可达800kV/m，这就是二次放电实验观测困难，微观数值计算难以求解的原因。.科学意义：.本项目在气体放电理论、等离子放电研究基础上，建立了能够模拟二次放电（脉冲放电）微观过程模型，深入定量地开展了脉冲电压、环境参数、等参数对二次放电过程产生显著影响的物理机制研究，以及放电时延对二次放电总体放电幅度的影响机制。通过二次放电基础实验研究宏观放电参数的影响因素的机制，验证和优化仿真模型。从理论和实验上探明了二次放电物理机制问题，为防护静电放电危害提供了理论依据。