靜電放電或ESD是日常生活中的事實(shí)，近來(lái)在電子行業(yè)中尤為重要。幾年前，當(dāng)使用熱電子閥/真空管時(shí)，這不是問(wèn)題，即使引入晶體管，也很少有人認(rèn)為這是問(wèn)題。但是，當(dāng)引入MOSFET時(shí)，其故障率上升了，對(duì)此問(wèn)題進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，靜電累積足以導(dǎo)致器件中的氧化層失效。從那以后，人們對(duì)ESD的認(rèn)識(shí)大大提高，因?yàn)樗扬@示出對(duì)許多設(shè)備都有影響。實(shí)際上，當(dāng)今許多制造商認(rèn)為所有組件都是靜電敏感的，而不僅僅是最容易損壞的MOS器件。

由于對(duì)ESD的重視，電子設(shè)備制造商花費(fèi)了數(shù)千英鎊來(lái)確保其工作場(chǎng)所免受靜電的影響。他們確保所制造的產(chǎn)品在制造測(cè)試期間不會(huì)出現(xiàn)高故障率，并且能夠長(zhǎng)期顯示出高可靠性。

什么是ESD？

靜電只是兩個(gè)表面之間電荷的積累。當(dāng)表面摩擦在一起時(shí)會(huì)出現(xiàn)這種情況，這會(huì)導(dǎo)致一個(gè)表面上的電子過(guò)多而另一表面上的電子不足。電荷堆積在其上的表面可被視為電容器。除非電荷具有可流動(dòng)的路徑，否則電荷將保留在原位。由于電荷通常沒(méi)有真正的流動(dòng)路徑，因此所得電壓可能會(huì)保留一段時(shí)間，這會(huì)產(chǎn)生術(shù)語(yǔ)“靜電”。但是，當(dāng)確實(shí)存在導(dǎo)電路徑時(shí)，電流將流動(dòng)并且電荷將減少。有一個(gè)與放電有關(guān)的時(shí)間常數(shù)。高電阻意味著較小的電流將流經(jīng)更長(zhǎng)的時(shí)間。低電阻將導(dǎo)致更快的放電。

顯然，所產(chǎn)生的電壓和電流水平取決于多種因素。人的大小，活動(dòng)水平，放電所針對(duì)的物體，當(dāng)然還有空氣的濕度。這些都有明顯的作用，因此幾乎不可能預(yù)測(cè)將要發(fā)生的放電的確切大小。但是，影響產(chǎn)生的電壓的主要因素之一是被摩擦在一起的材料的類(lèi)型。發(fā)現(xiàn)不同的材料給出不同的電壓。產(chǎn)生的電壓取決于兩種材料在摩擦電串聯(lián)中的位置。

電動(dòng)摩擦系列

它們?cè)诖?lián)中相隔越遠(yuǎn)，電壓越大。在系列中較高的一個(gè)將獲得正電荷，而在較低系列中的一個(gè)將負(fù)電荷。查看下面的摩擦電系列列表，可以看到用塑料梳子梳理頭發(fā)會(huì)在頭發(fā)上帶正電荷，并且梳子會(huì)帶負(fù)電。

可以采用多種方式建立費(fèi)用。即使在地毯上走動(dòng)，也會(huì)產(chǎn)生一些非常大的電壓。通常，這可能會(huì)產(chǎn)生10 kV的電勢(shì)。在惡劣的情況下，它甚至可能導(dǎo)致該值變成該值的三倍。即使在乙烯基地板上行走也可能導(dǎo)致產(chǎn)生約5 kV的電勢(shì)。實(shí)際上，表面摩擦在一起的任何形式的運(yùn)動(dòng)都會(huì)導(dǎo)致靜電的產(chǎn)生。使用電子組件在工作臺(tái)上工作的人很容易產(chǎn)生500 V或更高的靜態(tài)電勢(shì)。

ESD的實(shí)際例子

在房間中行走時(shí)，最常見(jiàn)的產(chǎn)生電荷的例子之一。即使是這種日常事件，也會(huì)產(chǎn)生一些令人驚訝的高電壓。實(shí)際電壓取決于各種因素而有很大不同，但是可以給出估計(jì)來(lái)說(shuō)明問(wèn)題的嚴(yán)重程度。

為了說(shuō)明問(wèn)題的嚴(yán)重程度，下表中詳細(xì)介紹了各種實(shí)例：

這些是近似值，并假設(shè)相對(duì)濕度最高為25％。由于濕度上升，所以這些水平下降：與75％左右的濕度，靜態(tài)水平可以下降的一個(gè)因素的非常約25以上。所有這些數(shù)字都是非常近似的，因?yàn)樗鼈兎浅Ｒ蕾囉谔囟l件，但是它們?yōu)轭A(yù)期的ESD水平提供了一個(gè)數(shù)量級(jí)的指導(dǎo)。

盡管ESD導(dǎo)致的結(jié)果看起來(lái)很高，但通常不會(huì)引起注意?？梢愿杏X(jué)到的最小靜電放電約為5kV，即使這樣，這種放電量也只能在某些情況下感覺(jué)到。原因是，即使產(chǎn)生的峰值電流可能很高，它們也只能持續(xù)很短的時(shí)間，并且由于它們后面的電荷相對(duì)較小，因此人體無(wú)法檢測(cè)到它們。來(lái)自電子或電氣設(shè)備的，如此大小的電壓（可能提供更多的電流并且持續(xù)更長(zhǎng)的時(shí)間）將產(chǎn)生更大的影響，并且非常危險(xiǎn)。

靜態(tài)轉(zhuǎn)移

靜電可以通過(guò)多種方式轉(zhuǎn)移到半導(dǎo)體器件，從而導(dǎo)致ESD損壞。最明顯的是被帶電且導(dǎo)電的物品觸摸時(shí)。最明顯的例子可能發(fā)生在半導(dǎo)體在工作臺(tái)上并且有人走過(guò)地板建立電荷然后將其撿起時(shí)。然后，帶電的手指會(huì)非常迅速地將靜電荷賦予半導(dǎo)體，并可能造成損壞。工具可能更有害。金屬螺絲刀的導(dǎo)電性更高，將更快地釋放電荷，從而導(dǎo)致更高水平的峰值電流。

但是，不必觸摸組件即可對(duì)其造成損壞。塑料杯之類(lèi)的物品帶有很高的電荷，將其中之一放置在IC旁邊可以“感應(yīng)”相反的電荷到IC中。這也可能損壞半導(dǎo)體器件。用人造纖維制成的扎帶也會(huì)造成ESD危害，因?yàn)樗鼈儠?huì)充電并容易掛在敏感的電子設(shè)備附近。

ESD失效機(jī)制ESD可以通過(guò)多種方式損壞半導(dǎo)體組件。最明顯的結(jié)果來(lái)自極高的靜態(tài)電壓，從而產(chǎn)生高水平的峰值電流，這可能導(dǎo)致局部燒毀。即使電流流過(guò)很短的時(shí)間，集成電路中微小的特征尺寸也意味著很容易造成損壞。芯片本身中的互連導(dǎo)線或區(qū)域可能會(huì)被高峰值電流熔斷。

ESD可能造成損壞的另一種方式是，高電壓電平導(dǎo)致設(shè)備本身的組件發(fā)生擊穿。它可能擊穿器件中的氧化層，導(dǎo)致器件無(wú)法操作。由于某些IC的尺寸遠(yuǎn)小于微米，即使電壓相對(duì)較低也會(huì)導(dǎo)致?lián)舸@也就不足為奇了。

盡管ESD造成的損壞會(huì)立即損壞設(shè)備，但它們也有可能造成所謂的潛在故障。發(fā)生這種情況是因?yàn)镋SD不會(huì)完全破壞設(shè)備，但造成的損壞只會(huì)使設(shè)備變?nèi)?，從而有可能在其使用壽命后失效。這些潛在的缺陷通常無(wú)法檢測(cè)到。結(jié)果是，可靠性的整體水平大大降低，或者（對(duì)于模擬設(shè)備更是如此）性能可能下降。由ESD引起的潛在故障的成本可能很高，因?yàn)樵诰S修中，維修一項(xiàng)維修的成本要比在工廠修理出故障的維修的成本高得多。原因是維修技術(shù)人員通常需要在現(xiàn)場(chǎng)維修該物品，或者需要將其運(yùn)送到維修機(jī)構(gòu)。

當(dāng)互連部分被ESD熔斷時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致潛在故障。通常，導(dǎo)體的一部分會(huì)被靜電破壞，從而使其在以后變得脆弱。損壞芯片的另一種方法是將由損壞引起的材料散布在半導(dǎo)體表面上，這可能會(huì)導(dǎo)致替代的導(dǎo)電路徑。

由于組件很容易受到ESD損壞的事實(shí)，大多數(shù)制造商將所有半導(dǎo)體都視為靜電敏感器件，因此許多制造商將包括無(wú)源組件（如電容器和電阻器）在內(nèi)的所有器件也視為靜電敏感器件。觀察這一點(diǎn)時(shí)，必須記住，當(dāng)今大多數(shù)批量生產(chǎn)的設(shè)備都使用表面安裝組件，這些組件的尺寸比傳統(tǒng)組件小得多，這使得它們更容易受到ESD的損壞。

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