電子機器に対するESD (Electro-static discharge）気中放電解析

本解析例では 放電・帯電現象のシミュレーションが可能なAnsys Charge Plusを使用したスマートフォンへの気中放電（アーク放電）の解析事例をご紹介いたします。

ESD (Electro-static discharge）は静電気放電のことで、帯電した物体などが電子機器に近づくと静電気が発生し、その結果、製品の動作に不具合を発生させてしまう可能性があります。
エレクトロニクス製品、自動車や航空宇宙の分野では、安全で安心なデバイスおよびシステム動作が求められており、電子機器に対するESD対策が今後益々重要となっています。
ESD対策には、放電および帯電箇所の特定が重要となります。
特に、ESDは目視ではとらえにくい物理現象であるため、シミュレーションを有効活用することが重要となります。

この解析例ではESD Gunとスマートフォン間の気中放電の解析を行います。
Ansys Charge Plusの気中放電の解析は、時間領域での有限差分時間領域（FDTD）ソルバーと非線形空気化学モジュールを組み合わせることで空気中の気中放電の解析を行います。
解析モデルは、ESD Gunとスマートフォンのモデルを配置し、ESD Gunと対象のスマートフォン間に気中放電の解析領域としてBreakdown領域を定義します。
Breakdown領域の電流/電圧や空気の導電率、スマートフォン内部の基板表面の電流密度の時間変化を観測することで気中放電の発生箇所や条件、その影響を予測することが可能です。

図１にAnsys Charge Plus によるスマートフォンへのESD Gun による気中放電試験の解析モデルを示します。スマートフォンのスイッチ近傍に ESD Gun の電極（先端の丸い部分）を配置してESD気中放電評価を行います。
印加信号は電圧源としてESD Gunのモデルに設定しています。
この解析では、スマートフォンの筐体はアルミニウム、解析項目は放電時に発生する電流、電圧降下、空気領域の導電率の時間変化、さらに内部にスマートフォン内部の基板表面に気中放電時に励起される電流密度の時間変化も観測しています。
これらの解析により、気中放電の発生領域、条件、装置内部の影響の評価を行うことが可能になります。

Ansys Charge Plus では、気中放電による絶縁破壊の領域を設定します。
本解析では、ESD Gun の先端チップと近接するスマートフォンの筐体を含む領域に設定します。
図２のオレンジにハイライトされた範囲が絶縁破壊領域として定義されたBreakdown Regionです。
この領域に対して空気領域であれば、温度、湿度等のパラメータ設定、または絶縁破壊の電界強度の閾値を設定することが可能です。本解析では空気領域として解析を実施しています。

電位差、電流、電界や電流分布のField量の計測には事前に計測用の Probe を設定します。
先ず、電位差の計測は、図３のようにESD Gun 先端の球状チップの先端と基板端を結ぶ直線の電位差を計測します。（オレンジのライン）

次に、電流計測は図４のように平面を定義してその領域を流れる電流を計測します。
（オレンジの平面）

最後に、図５のように空気領域の導電率の時間変化を観測するProbeを設定します。
（オレンジの平面）

解析では、ESD Gunに図６の電圧印加信号を設定して各評価内容に対して時間変化を観測します。

図７に気中放電による電流変化を示します。
赤い枠の領域で気中放電の発生による絶縁破壊により急激に電流が流れる様子を示しています。

図８にESD Gunと基板端の電位差の時間変化を示します
赤い枠の領域で気中放電の発生による絶縁破壊により電圧降下が発生しています。

図９に絶縁破壊領域での空気の導電率の状態を示した解析結果を示します。
この結果が示すように、ESD Gun とスマートフォンのケース間で空気の導電率が上昇している様子が観測できます。この結果からどの領域で気中放電が発生するのかを予測することが可能です。

最後に、図１０にマートフォン内部の基板表面の電流密度分布を示します。
この結果から、気中放電による絶縁破壊の影響を受けやすい領域を特定できます。

Ansys Charge PlusではGPUソルバーがサポートされています。
本解析例のESD Gunを使ったスマートフォンに対するESD評価の検証では、GPUを使うことで約3.6程度の高速化を実現しています。（表１）

Ansys Charge Plusを使用したスマートフォンへの気中放電の解析事例をご紹介いたしました。
Ansys Charge Plusは帯電および放電現象をシミュレーションできる数少ないツールです。
Ansys Charge Plusにより気中放電による絶縁破棄を予測し、ESDの対策などのご検討にお役立ていただくことで、電子機器やシステムにおける放電・帯電のリスクマネージメント/リスクアセスメントを効率的に実施し、開発コストを低減し、製品の安全性の向上に貢献できると期待しております。