静電気放電（ESD）とは、帯電した2つの物体間に生じる電流の急激な流れであり、これらを隔てる誘電体の絶縁破壊、すなわち誘電破壊によって引き起こされます。電子機器の場合、その結果生じる電流の流れや発生しうる火花により、機器に永久的な損傷を与える可能性があります（図1参照）。 「電子産業におけるESD関連の損失は、年間5億ドルから50億ドルと推定されている」という引用は、よく引用されるものの、根拠のないものです。 実際には、ESDによる損失の正確なコストを見積もることは極めて困難である。とはいえ、ESDの存在は、設計および製造段階において多くのハードウェア試作機の開発と試験を余儀なくさせ、また、消費者の手元で故障が発生した場合には、多数の保証請求につながり、消費者の信頼を失う要因となる。そのため、電子機器メーカーは、静電気を低減、散逸、および中和するために、感応性の高い部品を適切にシールドし、システムを設計することに多大な労力を費やしている。
図1：DDR3 RAMモジュールのESD試験シミュレーションにおける電界分布。
ESD耐性を試験する際、ハードウェアエンジニアは通常、ANSI、JEDEC、IECなどの団体が定めた各種規格に基づく試験モデルを使用します。 最も一般的で広く使用されている ESD モデルは、帯電した人間の指先から接地されたデバイスへの放電を近似した人体モデル (HBM) （図 2 を参照）と、帯電したデバイスから静電電位が低い別の導電性物体への放電を近似した帯電デバイスモデル (CDM) です。 これらの試験は通常、ESD シミュレータまたは ESD ガンを使用して、被試験デバイス (DUT) のさまざまなポイントに高速かつ高電圧のパルスを印加することで行われます。
図2：XFdtdにおける8 kV HBMの波形。
経験豊富なエンジニアであっても、試験中にESDによる故障箇所を特定すること、あるいはそもそも故障が発生したかどうかを判断することは、極めて困難な場合があります。 ESD故障は通常、壊滅的故障、潜在的故障、およびアップセット故障の3つのグループに分類されます。壊滅的故障の場合、被試験デバイス（DUT）は機能しなくなり、通常、部品の溶融や焦げ跡などの
な物理的損傷が見られます。直感的には、壊滅的故障は最悪のシナリオのように聞こえるかもしれませんが、実際には品質保証試験中に遭遇する最も理想的なケースです。なぜなら、容易に認識・特定でき、最終的なESD対策設計に反映させることができるからです。 一方、潜在故障やアップセット故障は、DUTが依然として機能しており、物理的な損傷の兆候がほとんどないか全くないため、診断がはるかに困難です。潜在故障は肉眼では確認できないことが多く、テスト時点では機能するものの、使用を続けるにつれて性能が低下し、消費者が使用中に誤動作や故障を引き起こすことがあります。 アップセット故障は、DUTに物理的な損傷を与えない過電流によって引き起こされますが、部品の半導体特性を損ない、使用中に予測不能な動作やデータ損失を招きます。潜在故障は拡大観察によって特定できる場合もありますが、アップセット故障はテスト中に検出することはほぼ不可能です。
ESDハードウェア試験には多大な時間とコストがかかる上、潜在的な故障やアップセット故障の特定が困難であるため、ESD試験のシミュレーションは極めて有用です。これにより、ESD損傷を受けやすい箇所を特定し、製品設計段階でのESD対策の最適化に役立てることができます。こうした高まるニーズに応えるため、Remcom社の全波電磁界シミュレーションソフトウェアパッケージ「XFdtd®」に、新たなESDシミュレーション機能が追加されました。 XFdtdの改良されたユーザー定義波形機能を使用することで、エンジニアは各種試験規格で定義されたESD波形をインポートし、それらを利用してXFdtdプロジェクト内でESD電流源を作成できます。この段階で、ESDシミュレータ／ガンモデルを作成し、対象となる箇所でDUT（被試験体）の形状に励起を与えることができます。その結果生じる電磁（EM）界および電流の流れをシミュレーションおよび解析します（図1参照）。
図3：絶縁破壊センサーの定義。
実際のESD故障が発生したかどうか、またその発生箇所を特定するという課題を解決するため、XFdtdの電気材料定義に「絶縁耐力」という新しい材料パラメータが追加されました。材料の絶縁耐力とは、その材料が絶縁破壊（すなわち、絶縁特性を失うこと）を起こさずに耐えられる最大電界強度を定義するものです。 XFdtdに絶縁耐力パラメータを追加することで、過渡シミュレーション中に、絶縁破壊近接場センサーを使用してFDTDセルのエッジにおける潜在的な絶縁破壊を監視することが可能になります（図3参照）。このセンサーは、XFdtdの計算エンジンに対し、構成材料の絶縁耐力を超える電界がセルのエッジに発生していないかを監視するよう指示し、絶縁破壊が発生する可能性が高い瞬間を記録します。 このセンサーを使用するには、定義された材料を含まないすべてのセルエッジに対して適用される「自由空間の絶縁耐力」をユーザーが定義する必要があります。デフォルトの自由空間の絶縁耐力は、海面高度における空気の絶縁耐力である3 MV/mに設定されています。また、このセンサーでは、絶縁破壊の監視対象となる体積を制限するためのバウンディングボックスを定義することも可能です。この機能を使用することで、計算領域全体を調査するのではなく、特定の関心領域を定義することで計算負荷を軽減できます。
FDTDシミュレーションの終了時、図4に示すように、それぞれの絶縁耐力を超えたセル境界を確認することができます。
図4：ESDシミュレーション試験で特定された絶縁破壊のリスク領域。
また、XFdtdには、定格電圧および定格電流の入力パラメータを超えて負荷がかかっている特定の電子部品を監視する機能が追加されました。これらのパラメータは、各部品のデータシートから確認できます。シミュレーション後の結果から、安全限界を超えたために恒久的な損傷を受けるおそれのある部品を特定することができます（図5を参照）。
図5：ESDシミュレーション試験中に定格設計パラメータを超過した部品の概要。
シミュレーションはハードウェア試験を完全に置き換えることはできず、またそうすべきでもありませんが、これらの新しい計算機能により、ESDエンジニアはESD故障の発生が予想される箇所についてより深い洞察を得ることができ、ハードウェアのプロトタイプ作成前にESD対策設計を最適化することが可能になります。 Remcomは、この機能により製品開発コストと市場投入までの時間を削減しつつ、製品の信頼性と消費者の信頼を高めることができると考えています。これらの新機能は、放電による電流や発熱をモデル化するプラズマ放電や熱シミュレーションを含む、さらなるマルチフィジックス機能の基盤となります。これらの計算技術を統合することで、初期の絶縁破壊後の下流電流の流れを解析できるようになり、絶縁体や回路部品の故障をより正確に予測することが可能になります。
