静电放电（ESD）是指两个带电物体之间因隔开它们的介质发生击穿（即介电击穿）而导致的电流突然流动。对于电子设备而言，由此产生的电流流动及可能产生的火花会永久性损坏设备（见图1）。 常被引用却缺乏依据的一句话是：“……据估计，电子行业每年因静电放电造成的损失在5亿至50亿美元之间。” 实际上，准确估算静电放电造成的损失成本极其困难；尽管如此，静电放电迫使企业在设计和制造过程中开发并测试大量硬件原型，且若产品在消费者手中发生故障，不仅会导致大量保修索赔，还会造成消费者信心的丧失。因此，电子制造商不遗余力地对敏感元件进行妥善屏蔽，并设计系统以减少、消散和中和静电荷。
图1：DDR3内存条模拟静电放电（ESD）测试过程中的电场分布。
为了测试静电放电（ESD）敏感性，硬件工程师通常采用由ANSI、JEDEC和IEC等组织制定的各种标准所定义的测试模型。 最常见且应用最广泛的 ESD 模型是人体模型 (HBM)，它近似描述了带电人指尖向接地设备放电的情况（见图 2）；还有带电设备模型 (CDM)，它近似描述了带电设备向静电电位较低的另一个导电物体放电的情况。 这些测试通常使用 ESD 模拟器或 ESD 枪，向被测设备 (DUT) 的各个点施加高速、高电压脉冲。
图2：XFdtd中的8 kV HBM波形。
即使对于经验丰富的工程师而言，在测试过程中准确定位静电放电（ESD）故障的位置——或者确定是否发生了故障——也极具挑战性。 静电放电（ESD）故障通常分为三类：灾难性故障、潜伏性故障和扰动性故障。在灾难性故障的情况下，被测设备（DUT）将完全失效，且通常伴有明显的物理损坏，例如元件熔化或烧焦。直观来看，灾难性故障似乎是最糟糕的情况；然而，在质量保证测试中，它实际上是最理想的故障类型，因为它易于识别、定位，并在最终的ESD防护设计中得到妥善处理。 另一方面，潜在故障和扰动故障则难以诊断，因为被测设备（DUT）仍能正常工作，且几乎没有或完全没有物理损坏的迹象。潜在故障通常肉眼不可见，会导致器件性能减弱：在测试时虽能正常工作，但随着持续使用，性能会逐渐恶化，往往在消费者使用过程中出现故障或失效。 激化失效由过电流引起，虽未对被测设备造成物理损伤，却会损害元件的半导体特性，导致使用过程中出现不可预测的行为及数据丢失。潜在失效有时可通过放大观察识别，但激化失效在测试期间几乎无法检测。
鉴于静电放电（ESD）硬件测试所需的时间和材料成本高昂，且难以定位潜在故障和突发故障，因此进行ESD测试仿真具有极高的价值——它能够精准定位易受ESD损坏的部位，并有助于在产品设计阶段优化ESD防护措施。为满足这一日益增长的需求，Remcom在其全波电磁仿真软件套件XFdtd®中新增了ESD仿真功能。 借助 XFdtd 改进后的用户自定义波形功能，工程师可导入各类测试标准定义的 ESD 波形，并利用这些波形在 XFdtd 项目中创建 ESD 电流源。此时，可创建 ESD 仿真器/放电枪模型，用于在目标位置激励被测设备（DUT）的几何结构，进而对产生的电磁（EM）场和电流分布进行仿真与分析（见图 1）。
图3：介电击穿传感器的定义。
为了解决如何确定静电放电（ESD）故障是否发生以及发生位置的难题，XFdtd的电学材料定义中新增了一项材料参数——介电强度。材料的介电强度定义了其在不发生介电击穿（即不丧失绝缘性能）的情况下所能承受的最大电场强度。 在 XFdtd 中添加介电强度参数后，便可利用介电击穿近场传感器（见图 3），在瞬态仿真过程中监测 FDTD 单元边界是否存在潜在的击穿风险。该传感器会指示 XFdtd 计算引擎监测单元边界，当电场强度超过构成该边界的材料的介电强度时，便会记录可能发生介电击穿的时刻。 该传感器要求用户定义自由空间介电强度，该值将应用于所有未包含定义材料的边界。默认自由空间介电强度设置为 3 MV/m，即海平面空气的介电强度。该传感器还允许用户定义一个边界框，以限制介电击穿监测的体积范围。使用此功能可通过定义特定的感兴趣区域来节省计算量，而非检查整个计算域。
在FDTD仿真结束时，可以查看超过各自介电强度的单元边界，如图4所示。
图4：在模拟静电放电（ESD）测试中识别出的介电击穿风险区域。
此外，XFdtd 还新增了一项功能，用于监测那些超过额定电压和电流输入参数的特定电子元件，这些参数可从元件的数据手册中获取。仿真后的结果会标识出因超过安全限值而可能遭受永久性损坏的元件（见图 5）。
图5：模拟静电放电（ESD）测试中超过额定设计参数的组件汇总。
虽然仿真无法也不应完全取代硬件测试，但这些新的计算功能使静电放电（ESD）工程师能够更深入地了解静电放电失效的可能位置，从而在硬件原型制作之前优化静电放电防护设计。 Remcom认为，这一能力将降低产品开发成本并缩短产品上市时间，同时提高产品可靠性和消费者信心。这些新功能为后续的多物理场分析能力奠定了基础，包括用于模拟电弧放电产生的电流和热量的等离子体放电与热仿真。融合这些计算技术将能够分析初始介电击穿后的下游电流流动，从而更准确地预测介电材料和电路元件的失效。
