J. Inst. Electrostat. Jpn.

静電気学会誌，36, 1 (2012) 8-13

各種放電源からの ESD 特性の比較
小村 淳己*，吉田 孝博*,1，増井 典明*（2011 年 9 月 12 日受付；2011 年 11 月 7 日受理）

Comparison of ESD Characteristics from Various Discharge Sources
Junki KOMURA,* Takahiro YOSHIDA*,1 and Noriaki MASUI*(Received September 12, 2011; Accepted November 7, 2011)

In recent years, electrostatic discharge (ESD) causes serious damages to semiconductor devices and electronicequipments. Therefore, the elucidation of the mechanism of the ESD is required．In actual situation, ESD occurs
by many kind of discharge sources. In this paper, we research the ESD characteristics from 5 types of dischargesources. ESD gun (contact and air discharge), charged metal electrode and metallic tool and fingertip are used as
the discharge source. The charged potential is varied from ±1 kV to ±3 kV. The grounded electrode used ishemisphere and the radius of curvature of the electrode is 5mm or 15mm. From the experimental results, wefound followings; (1) Max frequency of discharge current from ESD gun was different between the airdischarge and the contact discharge. (2) Discharge rate and charge amount of ESD from charged human bodywas smaller. (3) The value of all parameters of ESD from fingertip of charged human body was smallest.

1.

はじめに

近年，電子機器や半導体デバイスの微細化，集積化により，電流のピーク値，立ち上がり峻度および最高周波数（放電電流に含まれる周波数成分）は，PCB 上の静電気サージの伝搬静電気放電（ESD）による静電気障害が頻発し，問題となっている．その原因の 1 つとして，帯電した人体からの静電気放電がある．人体からの静電気放電の耐性評価方法として，国際標準規格 IEC61000-4-2 に準拠した図 1 のような電流波形を ESD ガンにより電子機器に印加する方法がある 1)．
これは，人体を 150 pF のコンデンサと見立て，330 Ω の抵抗を介した放電により，人体からの放電電流波形を模擬したものであり，充電電圧毎に，表 1 に示すように，各パラメータの値が決められている．しかし，実際の帯電した人体からの放電は，指先や，人体が握った金属ツールからの放電（以後，金属ツール放電と呼ぶ．
）等，様々な箇所から放電が起こり，規格とは異なる放電特性が得られる 2)．そのため，ESD 障害への対策を検討するためには，各種放電源からの放電電流波形の詳細な検討が必要である．
これまで本研究室では，人体からの放電，金属間放電および ESD ガンのからの放電電流波形について，検討してきた．

図1

ESDガン(IEC61000-4-2)の放電電流波形

Fig. 1 Waveform of discharge current from ESD gun.
(IEC61000-4-2)

静電気サージが PCB およびデバイスに印加されたとき，放電
表1
キーワード：ESD，IEC61000-4-2，放電電流波形，最高周波数，放電電荷量* 東京理科大学工学部電気工学科（162-8601 東京都新宿区神楽坂 1-3）
Department of Electrical Engineering, Tokyo University ofScience, 1-3 Kagurazaka, Shinjuku-ku 162-8601, Japan1
yoshida@ee.kagu.tus.ac.jp

各厳しさレベルにおける各パラメータ

Table 1 Each parameter in each test level.
Testlevel12
3
4Charged
potential(kV)
2
4
68

Peak
current(A)7.5±10%15±10%
22.5±10%30±10%

Rising speedof 1st peak(ns)0.7-1.0
0.7-1.0
0.7-1.0
0.7-1.0

Current at
the time of30 ns (A)
4±30%
8±30%
12±30%
16±30%

各種放電源からの ESD 特性の比較（小村淳己ら）

9特性に関係するとともに，放射電磁ノイズの強度に影響を及
ぼし，放電電荷量は放電エネルギーに関係し，静電気サージがデバイス内を通過するときに各素子における発熱による障害の原因となると言われている．そこで，本研究では，ESDガンからの放電（気中放電および接触放電），金属間放電，金属ツール放電，指先放電の計 5 種類について，静電容量や抵抗値，電極の曲率半径等を各種放電源間で極力近づけた上で，帯電電位を変化させて測定を行い，放電電流波形，放電
X-stage

電流のピーク値，立ち上がり峻度，最高周波数および放電電荷量（初期放電率）の比較・検討を行った．

2.

装置および実験方法

図 2 に各種放電源からの放電についての実験装置の概略を示す．帯電電位は±1 kV, ±2 kV, ±3 kV とし，固定された各種放電源に対して，接地金属電極を 0.4 mm/s の速さで近づ

図3

金属間放電の実験装置

Fig. 3 Experimental apparatus for ESD from charged metaland fingertip.

け，電流プローブにより検出した電流パルスをトリガ信号として，火花放電発生と同時に，微動台とモータを接続しているクラッチを切り，電極の移動を停止させる．放電源と接地金属電極間で発生する ESD の放電電流波形を電流プローブ（Tektronix CT-1,帯域 1 GHz）を用いて，オシロスコープ（TektronixTDS5104B，帯域 1GHz，サンプル速度 5 GS/s）で観測する．
図 3 に金属間放電における実験装置を示す．金属間放電では，5 GΩ の抵抗を介して，高圧側に 150 pF のコンデンサおよび 330 Ω の抵抗を挿入し，測定を行った．
図 4 に，指先放電および金属ツール放電の測定装置を示す．
指先および人体が握る金属ツールは，テフロン棒で固定する．
図4

金属ツール放電および指先放電の実験装置

Fig. 4 Experimental apparatus for ESD from metallic
tool and fingertip.
高電圧電源により電位を印加し，接地金属板上の厚さ 27 mmの絶縁板の上に裸足で立った被験者を，5 GΩ の抵抗を介して充電させる．この時の被験者の静電容量は ESD ガンに等しい 150 pF である．
金属ツール放電および金属間放電で使用した高圧側の電極
X-stageは，ESD ガンの気中放電用チップのヘッドの曲率半径（= 4.6mm）に近い，5 mm の半球電極である．接地側電極は 15 mmの半球電極を使用したが，指先放電時のみ，指先の曲率半径が約 15 mm である為， 5 mm の電極を使用した．また，被験者の指先の皮膚抵抗は 3.15 MΩ である．人体の静電容量及び皮膚抵抗は，過去に報告した方法 3)を用い測定した．測定は

図2

実験装置の概略図

Fig. 2 Schematic view of apparatus for experiment.

相対湿度 15±2.5%，室温 23±2℃，大気圧 1010±10 hpa の条件で行い，測定回数は各条件で 20 回とした．

10

静電気学会誌

図5第 36 巻第1号

(2012)

各種放電源の放電電流波形

Fig. 5 Waveforms of discharge current.

図6

指先放電の放電電流波形

Fig. 6 Waveforms of discharge current from fingertip.
3.
3.1

結果および考察各種放電源からの代表的な放電電流波形

る放電電流波形を示す．
指先からの放電は，図 5 に示す 4 種類の放電に比べて，ピ

図 5(a)～(d)に，帯電電位を+1，+2，+3 kV とした時の，ESDーク電流値は極端に小さく，放電時間は 1 μs 以上と，非常にガン（気中放電および接触放電），金属間放電，金属ツール長くなることがわかる．これは，皮膚抵抗（3.15 MΩ）の影放電の放電電流波形を示す．

響により，ピーク電流値が低くなり，電流の減衰の時定数がESD ガンの気中放電と接触放電を比較すると，放電電流波大きくなることによるものである．

形形状には明確な差異は無く，ほぼ同様の波形形状となった．

また，他の放電源からの電流波形では，極性による放電電

また，金属間放電と金属ツール放電では，各放電電流は 2 つ流波形形状の差異は確認出来なかったが，指先放電では波形のピークを持つ波形となるが，ESD ガンからの放電に比べて，形状が明確に異なり，負放電の方が正放電に比べて，1 ピー2 番目のピークが早く出現する波形となった．

ク目は小さく，2 ピーク目の電流が大きくなった．これは，

図 6(a)および(b)に，指先放電の正放電および負放電におけ正イオンの移動速度（  2  10 5 cm/s）と電子雪崩の移動速度

各種放電源からの ESD 特性の比較（小村淳己ら）（  2  10 7 cm/s）の差により説明することができる．詳細は
文献 4)を参照されたい．
3.2

11IEC61000-4-2 では，表 1 に示すように，充電電圧が+2 kV（厳しさレベルが 1）の場合，ピーク電流は 6.75～8.25 A，立ち上がり時間は 0.7～1 ns である．本実験の結果では，指先放ピーク電流値および立ち上がり峻度

図 7 の縦棒グラフに，帯電電位を+1，+2，+3 kV とした時

電以外の放電において，ピーク電流値は 5.66～8.05 A，立ちの各放電源の平均ピーク電流値を，折れ線グラフに平均立ち上がり時間は 1.8～2.5 ns 程度となり，IEC 規格に比べてピー上がり峻度を示す．平均ピーク電流値は+2 kV では，大きいク電流値は近い値となり，立ち上がり時間は長くなった．

順に，金属ツール放電＞ESD ガン（気中放電）＞ESD ガン（接3.3触放電）＞金属間放電≫指先放電となった．ESD ガンからの図 8 の縦棒グラフに，帯電電位を+1，+2，+3 kV とした時

放電では接触放電の場合，他の放電源に比べてピーク電流値の各種放電源の各 20 回の測定波形の平均初期放電率を，折のばらつきが少なくなった．平均立ち上がり峻度は+1 kV おれ線グラフに平均放電電荷量を示す．初期放電率は，放電電よび+2 kV では大きい順に，接触＞気中となり，ピーク電流流波形を積分することにより算出した放電電荷量の値を人値の大きさに依存しなかった．

体の帯電電荷量で除した値である．

図7

平均初期放電率および平均放電電荷量

ピーク電流値および立ち上がり峻度

Fig. 7 Peak current and Rising speed of 1st peak of discharge current.

Discharge Source
図8

初期放電率および放電電荷量

Fig. 8 Discharge rate and Charge amount of discharge current.

12静電気学会誌

図9第 36 巻第1号

(2012)

各放電源のスペクトログラム(+2kV)

Fig. 9 Spectrogram of each discharge sources.(+2kV)
平均初期放電率および平均放電電荷量は，指先からの放電周波数分布の相対的な違いが明確に現れるようにパワースのときに極端に少ないことが分かる．金属ツール放電（手にケールの範囲を調整し，今回は最高周波数を決定する際の閾持った金属からの放電）の場合も，ESD ガン（気中放電およ値を 15 dB とした．パワーが 15dB 以上となる領域を比較す

び接触放電），金属間放電に比べ，12～15%程度少なくなる．

ると，ESD ガンの場合，気中放電が 700 MHz 程度の高い周このように，放電源に人体が関係してくると初期放電率は低波数を含んでいるのに対し，接触放電では，500 MHz 程度とくなり放電電荷量は少なくなる．

低くなる．金属間放電および金属ツール放電では 600 MHz

3.4

周波数成分

図 9 の(a)～(e)に帯電電位を+2 kV とした時の，各放電源か程度となり ESD ガンの気中放電よりは低い周波数となるが，接触放電よりは高い周波数となった．

らの放電電流波形から算出したスペクトログラムを示す．

指先放電では 200 MHz となり，他の放電源に比べて 350～500スペクトログラムの時間軸は，放電開始時を 0 ns とし－50MHz 程度低い周波数となった．

～300 ns の範囲で示した．各スペクトログラムにおいて，3.5時間，周波数における信号強度は，図 9(a)の右端に示した

表 2 に，帯電電位を±2 kV とした時の各放電源における各スケールの濃淡で示されている．
観測した放電電流波形間の周波数成分の比較を行う為に，各放電源の各パラメータの比較パラメータの平均値を示す．

各種放電源からの ESD 特性の比較（小村淳己ら）
表213

各種放電源における各パラメータの平均値(±2kV)

Table 2 Average value of each parameter in various discharge sources. (±2kV)

ESD GunPeak Current+2kV

[A]

-2kV

Rising speed of
1st peak[A/ns]+2kV

Discharge Rate+2kV[%]-2kV

Charge Amount+2kV

[ｎC]

-2kV

Max Frequency+2kV[MHz]-2kV-2kV

Contact

7.36
6.62
2.97
3.01
96.3
95.0289
285
700
710

7.01
6.91
3.11
3.08
96.0
97.6288293550500

表 2 より，ピーク電流値および立ち上がり峻度は，他の放電源からの放電に比べて金属ツール放電が最も大きく，

Human

Metal

Air

6.03
6.08
2.44
2.36
94.0
93.7
282281630630

Metallic Tool

Finger

7.86
8.12
4.33
4.15
82.0
82.3
246247
610
520

0.48
0.22
0.20
0.08
30.0
28.09186200200

波数が異なり気中放電の方が接触放電に比べて 120～220 MHz 程度高い周波数となった．

放電率および放電電荷量は，ESD ガン（気中放電および接触(4) 指先放電は，他の放電源に比べて各パラメータの値が非放電）が最も大きい値となった．また，指先放電は，他の放常に小さくなり，ピーク電流値と立ち上がり峻度は極性電に比べて全てのパラメータが最も小さくなった．指先放電による依存性が確認できた．

以外の放電源では，各パラメータにおいて，極性による明確な依存性は認められなかった．

この研究の一部は，（株）半導体理工学研究センター（STARC）の支援によるもので，ここに感謝の意を表します．

4.

まとめ

各種放電源からの ESD において，放電源と放電電流波形のまた，本研究に従事されました，平成 22 年度卒業研究生の芳賀圭一郎氏，北條武史氏に感謝の意を表します．

関係を調べた結果，本報告で比較した各パラメータは，放電源に大きく依存する結果となった．従って，本実験結果にお参考文献

ける人体からの ESD では，図 1 および表 1 で示した IEC 規1) 静電気学会：静電気ハンドブック，p. 252，オーム社 (1998)

格と異なる放電電流波形および放電特性が確認できた．

2) 増井典明：帯電した人体からの放電特性．静電気学会誌，

本研究で得られた結果をまとめると以下のようになる．
(1) 各帯電電位において立ち上がり峻度は，金属ツール放電が最も大きくなった．
(2) 放電電荷量および初期放電率は，人体からの放電が，ESD ガンからの放電および金属間放電に比べて小さくなった．
(3) 周波数成分は ESD ガンの場合，放電方法により最高周

31 (2007) 236
3) 吉原 宏，吉田孝博，増井典明：人体からの静電気放電に及ぼす接地電極形状の影響(III)．静電気学会誌，34 (2010)374) 片岡忠史，澤井丈徳，増井典明：帯電した人体からの放電
電流波形．静電気学会誌，28 (2004) 310