在CST虛擬雙生上模擬靜電放電

靜電放電 (ESD) 是電子設備的主要風險。當靜電荷積聚在移動的車輛或使用者身體上並透過設備放電時，就會發生 ESD。瞬態電壓 (transient voltage) 可能會導致不真實的資料訊號，甚至損壞或毀壞組件。對於確保設備在其整個生命週期中安全可靠地工作，並滿足電磁相容性 (EMC) 法規，管理 ESD 非常重要。

ESD 接觸放電通常在實驗室中透過將高壓探針物理連接到被測設備 (DUT) 原型的特定位置（例如連接器引腳）來進行測試。此外，透過將探頭放置在與 DUT 上可能的放電點不同距離的位置來執行非接觸式測試。

必須對每個可能的連接和放電路徑重複這些測試，使得 ESD 測試既耗時又昂貴。從 ESD 測試的有限輸出中了解故障的根本原因也可能很困難。許多原型可能在測試過程中被損壞或毀壞。

虛擬測試與模擬可以加速 ESD 分析，減少開發時間與成本。測試設備和 DUT 都是在虛擬環境中創建和連接的，並產生波形來複製真實世界的測試。模擬結果的 3D 視覺化顯示了電流通過元件的準確路徑，幫助工程師了解 ESD 問題的原因並制定設計緩解策略。

ESD 分析和緩解的挑戰

ESD 對電子設備來說是一個重大風險：積體電路 (integrated circuits, IC) 等敏感低壓電子元件很容易被高壓脈衝損壞。即使沒有發生災難性損壞，也可能會發生永久性損壞，從而縮短設備的使用壽命或導致意外行為。

當物體上產生靜電，然後透過電子設備放電到地表時，就會發生 ESD。如果人類使用者從與衣服、地板或家具的摩擦中獲得電荷，也可能來自移動機械（例如車輛或傳送帶）或其他帶電物體的靜電感應，則經常會發生這種情況。

智慧型手機的 ESD 測試，顯示充電埠放電電流的傳播

要發生 ESD，帶電物體和接地之間必須有一條通過設備的路徑。該路徑可以是直接接觸或緊密接觸，在這種情況下，將形成穿過氣隙的電弧。在乾燥空氣中，靜電荷更容易積聚，具有更快的上升時間和更高的峰值幅度，而在潮濕的空氣中，非接觸放電可以形成更長的電弧，上升更慢，峰值幅度更低。

條件、接觸類型和電弧類型的大量變數意味著分析 ESD 風險需要對大量昂貴的原型進行一系列的物理測試。當詳細的原型可用時，測試必須在產品週期的後期進行。如果在 ESD 測試期間發現問題，則需要執行許多步驟，這可能會導致延遲並影響預定的發布日期。步驟包括了解任何故障的原因以及重新設計和重加工設備以緩解下一個原型的問題。

現代設備上的 ESD 測試可能特別複雜，因為附加元件現在整合到單一設備中，例如單晶片系統 (system on chip, SiP)。每個單獨 IC 的 ESD 保護必須與系統級 ESD 保護 (system-level ESD protection, SEED) 協調一致。確保所有 IC 的安全電壓和電流可能需要在元件佈局方面進行權衡，並透過大量測試得出結論。

靜電放電模擬的優點

模擬提供了比測試更快的替代方案。統一建模和模擬 (MODSIM) 可以輕鬆地將 CAD 幾何資料轉換為 DUT 和測試設備設定的可模擬虛擬原型。虛擬產生器尖端的激勵會產生 ESD 脈衝，模擬會計算其在裝置中的傳播。 3D 現場監視器可以可視化流經設備的電流的確切路徑，並且虛擬現場探頭可以放置在虛擬空間中的任何位置，包括設備內部。

評估 ESD 敏感性實際上代表甚至在建立第一個原型之前就可以識別和解決問題。這種方法使工程師能夠一次獲得正確的設計，從而節省原型設計成本，並降低因測試過程中發現的問題而導致專案延遲的風險。

SIMULIA ESD 模擬解決方案

CST Studio Suite 包含最先進的電磁解算器，可準確有效地模擬複雜的組件和系統。 ESD 本質上是一種瞬態現象，可以使用 3D 時域求解器對其進行有效模擬。時域求解器還提供高效的 3D 網格劃分，該網格劃分足夠強大，可以處理不良的 CAD 幾何形狀。可以準確地表示複雜的幾何形狀，並且可以快速執行虛擬測試。實驗設計 (Design of Experiments, DoE) 功能允許透過清晰的視覺化和大型資料集的比較來自動測試各種場景。

ESD 敏感度分析工作流程從建構 DUT 的虛擬雙胞胎開始。來自標準 CAD 和 EDA 工具的 3D 幾何圖形和 PCB 或 IC 佈局可以匯入到虛擬環境中，並透過自動清理和網格劃分轉換為可進行模擬的模型。

CST 元件庫中提供了預先定義的 ESD 特定模板，例如 ESD 產生器和 ESD 脈衝激勵的 3D 模型，可協助使用者定義其模擬設定。 ESD 產生器模型經過開發和驗證，符合ISO 10605等國際標準，並且可以準確模擬真實的 ESD 測試設定。使用者可以建立標準測試的表示，以複製實驗室中的設定。

ESD 模擬代表 ISO 10605 定義的測試設定。

接觸式和氣隙式 ESD 產生器均可進行類比。在有氣隙的情況下（換句話說，空氣中的電壓擊穿會導致電弧），首先執行電磁模擬，使用帕邢定律計算不同電壓下可能的電弧路徑，並產生表示電弧非線性特性的 SPICE 模型，從而形成ESD 脈衝時域模擬的基礎，並結合SPICE 電路模型和3D 模擬模型進行真正的瞬態協同模擬。

此模擬會產生多個 ESD KPI 以及設備周圍電磁場和表面電流的 3D 視覺化結果。使用虛擬探針，使用者可以在整個脈衝持續時間內查看結構中任意點的電壓。使用者可以產生物理測試將提供的所有 KPI，以及一些無法測量的 KPI。

結論

靜電放電 (ESD) 會導致錯誤和設備故障，並影響設備市場的安全性和可靠性。成功地將電子產品推向市場意味著滿足法律 ESD 法規並確保設備免受 ESD 暴露。

電磁模擬可用於分析設備上的 ESD 風險，而無需建置和可能破壞實體原型的成本。虛擬雙生包含有關產品的所有相關數據，可用於透過模擬在虛擬測試中準確表示產品行為。借助 3DEXPERIENCE 平台上達梭系統工具支援的統一建模和模擬 (MODSIM) 方法，工程師可以根據設計資料快速建立產品的虛擬雙生。

透過虛擬測試，工程師可以從設計的最初階段了解 ESD 風險，並可以為單一組件或整個設備制定保護和緩解策略。虛擬測試有助於防止在開發後期發現問題，因為重加工成本很高，並且有延遲整個專案的風險。它還降低了上市後設備故障的風險和召回成本。

原文轉載來自: David Johns – Simulate Electrostatic Discharge on a Virtual Twin

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