靜電放電基礎(chǔ)知識(shí)第一部分-ESD簡(jiǎn)介

歷史與背景

對(duì)于許多人來(lái)說(shuō)，靜電放電（ESD）僅在在地毯上行走或在汽車(chē)座椅上滑動(dòng)后觸摸金屬門(mén)把手時(shí)才會(huì)引起電擊。然而，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，靜電和ESD一直是一個(gè)嚴(yán)重的工業(yè)問(wèn)題。早在1400年代，歐洲和加勒比軍事要塞就開(kāi)始采用靜態(tài)控制程序和設(shè)備，試圖防止火藥庫(kù)因疏忽靜電而引燃。

到1860年代，美國(guó)各地的造紙廠都采用了基本的接地，火焰離子化技術(shù)和蒸汽鼓，以消散紙幅經(jīng)過(guò)干燥過(guò)程時(shí)產(chǎn)生的靜電。每個(gè)可想象的商業(yè)和工業(yè)過(guò)程都會(huì)一次或一次產(chǎn)生靜電充電和放電問(wèn)題。彈藥，炸藥，石油化工，制藥，農(nóng)業(yè)，印刷和圖形藝術(shù)，紡織，繪畫(huà)和塑料只是其中靜電控制極為重要的一些行業(yè)。電子設(shè)備的時(shí)代帶來(lái)了與靜電和靜電放電相關(guān)的新問(wèn)題。并且，隨著電子設(shè)備變得越來(lái)越快并且電路越來(lái)越小，它們對(duì)ESD的敏感性通常會(huì)提高。這種趨勢(shì)可能正在加速。

ESD協(xié)會(huì)于2010年4月修訂的“靜電放電（ESD）技術(shù)路線圖”包括“隨著設(shè)備在2010-2015年及以后變得越來(lái)越敏感，企業(yè)必須開(kāi)始對(duì)其處理過(guò)程的ESD能力進(jìn)行審查”。如今，ESD幾乎影響了全球電子環(huán)境的各個(gè)方面的生產(chǎn)率和產(chǎn)品可靠性。印刷和圖形藝術(shù)，紡織品，繪畫(huà)和塑料只是其中靜電控制極為重要的一些行業(yè)。電子設(shè)備的時(shí)代帶來(lái)了與靜電和靜電放電相關(guān)的新問(wèn)題。并且，隨著電子設(shè)備變得越來(lái)越快并且電路越來(lái)越小，它們對(duì)ESD的敏感性通常會(huì)提高。這種趨勢(shì)可能正在加速。

盡管在過(guò)去的三十年中付出了巨大的努力，但ESD仍然影響著產(chǎn)量，制造成本，產(chǎn)品質(zhì)量，產(chǎn)品可靠性和盈利能力。損壞的器件本身的成本范圍從簡(jiǎn)單二極管的幾美分到復(fù)雜集成電路的數(shù)千美元不等。當(dāng)包括維修和返工，運(yùn)輸，人工和管理費(fèi)用的相關(guān)費(fèi)用時(shí)，顯然存在顯著改進(jìn)的機(jī)會(huì)。如今，涉及電子制造的數(shù)千家公司中，幾乎所有公司都關(guān)注靜態(tài)控制的基本，行業(yè)認(rèn)可的要素。ESD Association行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已發(fā)布，以指導(dǎo)制造商建立基本的靜電消除和控制技術(shù)（請(qǐng)參閱第六部分-ESD標(biāo)準(zhǔn)）。

靜電：產(chǎn)生電荷

ESD ADV1.0術(shù)語(yǔ)表中包含靜電放電術(shù)語(yǔ)的定義。靜電荷定義為“靜電荷”。靜電是材料內(nèi)部或表面上電荷的不平衡。電子的這種不平衡會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可以測(cè)量的電場(chǎng)，并且可以影響其他物體。靜電放電（ESD）定義為“由高靜電場(chǎng)引起的靜電荷的快速，自發(fā)轉(zhuǎn)移。注意：通常，電荷在彼此接近時(shí)會(huì)以不同的靜電勢(shì)流過(guò)兩個(gè)物體之間的火花。” 靜電放電會(huì)改變半導(dǎo)體器件的電氣特性，從而使其退化或毀壞。靜電放電也可能會(huì)破壞電子系統(tǒng)的正常運(yùn)行，從而導(dǎo)致設(shè)備故障或故障。帶電的表面會(huì)吸引并保持污染物，使去除顆粒變得困難。當(dāng)空氣中的微粒被硅晶片或設(shè)備的電路表面吸引時(shí)，它們會(huì)引起隨機(jī)的晶片缺陷并降低產(chǎn)品良率。

控制靜電放電首先要了解靜電電荷的產(chǎn)生方式。靜電電荷通常是通過(guò)兩種材料的接觸和分離產(chǎn)生的。這些材料可以相似或不相似，盡管不相似的材料傾向于釋放更高水平的靜電荷。例如，在地板上行走的人在鞋底接觸并與地板表面分離時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜電。電子設(shè)備滑入或滑出袋子，雜志或管子時(shí)會(huì)產(chǎn)生靜電，因?yàn)樵撛O(shè)備的外殼和金屬引線與容器表面多次接觸和分離。盡管在這些示例中靜電荷的大小可能不同，但實(shí)際上在每種情況下都會(huì)形成靜電。

通過(guò)材料的接觸和分離產(chǎn)生靜電荷被稱(chēng)為“摩擦帶電”。單詞“摩擦”來(lái)自希臘字，  摩擦  -意思是“蹭”和  elektros  -意為“琥珀色”（從史前化石樹(shù)樹(shù)脂）。它涉及電子在材料之間的轉(zhuǎn)移。沒(méi)有靜電荷的材料的原子在原子核中具有相等數(shù)量的正（+）質(zhì)子，在原子核中具有負(fù)電子（-）。在圖1中，材料“ A”由具有相等數(shù)量的質(zhì)子和電子的原子組成。材料B還由質(zhì)子和電子數(shù)量相同（盡管可能不同）的原子組成。兩種材料都是電中性的。

當(dāng)兩種材料接觸放置然后分開(kāi)時(shí)，帶負(fù)電的電子從一種材料的表面轉(zhuǎn)移到另一種材料的表面。哪種材料失去電子，哪種材料獲得電子將取決于兩種材料的性質(zhì)。失去電子的材料帶正電，而獲得電子的材料帶負(fù)電。如圖2所示。

靜電以庫(kù)侖為單位。物體上的電荷“ q ”由物體“ C ” 的電容與物體上的電壓（V）的乘積確定：q = CV通常，我們說(shuō)物體上的靜電勢(shì)，表示為電壓。

材料接觸，電子轉(zhuǎn)移和分離的過(guò)程是比此處描述的機(jī)制復(fù)雜得多的機(jī)制。摩擦生電產(chǎn)生的電荷量受接觸面積，分離速度，相對(duì)濕度，材料的化學(xué)性質(zhì)，表面功函數(shù)和其他因素的影響。一旦在材料上產(chǎn)生電荷，電荷就會(huì)變成靜電荷（如果殘留在材料上）。該電荷可能從材料轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生靜電放電或ESD事件。諸如實(shí)際放電電路的電阻以及接觸表面之間的界面處的接觸電阻之類(lèi)的其他因素也會(huì)影響釋放的實(shí)際電荷。表1列出了典型的電荷產(chǎn)生方案及其產(chǎn)生的電壓電平。此外，還顯示了濕度對(duì)減少電荷積累的貢獻(xiàn)。但是應(yīng)注意，即使在較高的相對(duì)濕度下仍會(huì)產(chǎn)生靜電荷。

電荷也可以通過(guò)其他方式在材料上生成電荷，例如通過(guò)感應(yīng)，離子轟擊或與其他帶電物體接觸。然而，摩擦帶電是常見(jiàn)的。

材料特性如何影響靜電荷

摩擦電系列

當(dāng)兩種材料接觸并分開(kāi)時(shí)，電荷的極性和大小由材料在摩擦電系列中的位置表示。摩擦電序表顯示了如何在各種材料上產(chǎn)生電荷。當(dāng)兩種物質(zhì)接觸并分開(kāi)時(shí)，一種接近系列頂部的物質(zhì)帶正電荷，另一種物質(zhì)帶負(fù)電荷。桌子上相距較遠(yuǎn)的材料通常比相距較近的材料產(chǎn)生更高的電荷。但是，這些表僅應(yīng)用作一般指南，因?yàn)槠渲猩婕霸S多變量，因此無(wú)法很好地控制以確?？芍貜?fù)性。表2顯示了典型的摩擦電系列。

幾乎所有材料，包括空氣中的水和灰塵顆粒，都可以通過(guò)摩擦帶電。材料的物理，化學(xué)和電學(xué)特性會(huì)產(chǎn)生多少電荷，電荷流向何處以及有多快。絕緣材料

阻止或限制電子通過(guò)其表面或通過(guò)其體積流動(dòng)的材料稱(chēng)為絕緣體。絕緣體具有極高的電阻，絕緣材料定義為“表面電阻或體積電阻等于或大于1×1011歐姆的材料”。絕緣體表面會(huì)產(chǎn)生大量電荷。由于絕緣材料不容易讓電子流動(dòng)，因此，盡管位于不同的位置，正電荷和負(fù)電荷也可以同時(shí)駐留在絕緣表面上。帶負(fù)電的斑點(diǎn)上的多余電子可能足以滿足帶正電的斑點(diǎn)上沒(méi)有電子的情況。但是，電子不能輕易地流過(guò)絕緣材料的表面，

導(dǎo)電材料

導(dǎo)電材料由于具有低電阻，因此使電子易于在其表面或體積中流動(dòng)。導(dǎo)電材料的電阻很低，每個(gè)詞匯表ESD ADV1.0均小于1×104歐姆（表面電阻）和1×104歐姆（體積電阻）。當(dāng)導(dǎo)電材料帶電時(shí)，電荷（即電子的不足或過(guò)量）將均勻地分布在材料的整個(gè)表面上。如果帶電的導(dǎo)電材料與另一種導(dǎo)電材料接觸，電子將非常容易在材料之間共享。如果將第二根導(dǎo)線連接到交流設(shè)備的地面或任何其他接地點(diǎn)，電子將流到地面，并且導(dǎo)線上的多余電荷將被中和。

靜電可以在導(dǎo)體上產(chǎn)生摩擦電荷，就像在絕緣體上產(chǎn)生靜電一樣。只要導(dǎo)體與其他導(dǎo)體或地面隔離，靜電荷將保留在導(dǎo)體上。如果導(dǎo)體接地，電荷將很容易接地。或者，如果已充電的導(dǎo)體接觸另一個(gè)導(dǎo)體，則電荷將在兩個(gè)導(dǎo)體之間流動(dòng)。

靜電耗散材料

靜電耗散材料的電阻介于絕緣材料和導(dǎo)電材料之間（表面電阻或體積電阻為1×104 <1×1011歐姆）。電子可以流過(guò)或流過(guò)耗散材料，但受材料的表面電阻或體積電阻控制。

與其他兩種類(lèi)型的材料一樣，電荷可以在靜電耗散材料上通過(guò)摩擦電產(chǎn)生。然而，像導(dǎo)電材料一樣，靜電耗散材料將允許電荷轉(zhuǎn)移到地面或其他導(dǎo)電物體上。從靜電耗散材料中轉(zhuǎn)移電荷通常要比從等效尺寸的導(dǎo)電材料中轉(zhuǎn)移更長(zhǎng)的時(shí)間。靜電耗散材料的電荷轉(zhuǎn)移比絕緣子快得多，但比導(dǎo)電材料慢。

靜電場(chǎng)

帶電材料還具有靜電場(chǎng)和與其相關(guān)的力線。帶入該電場(chǎng)附近的導(dǎo)電物體將通過(guò)稱(chēng)為感應(yīng)的過(guò)程進(jìn)行極化。圖3。負(fù)電場(chǎng)將排斥導(dǎo)電物體暴露于電場(chǎng)的表面上的電子。正電場(chǎng)會(huì)將電子吸引到表面附近，從而使其他區(qū)域帶正電。極化上不會(huì)發(fā)生實(shí)際電荷變化。但是，如果物品是導(dǎo)電的或耗散的，并且在極化時(shí)接地，則電荷會(huì)由于電荷的不平衡而從地流到地。如果去除了靜電場(chǎng)并且斷開(kāi)了接地觸點(diǎn)，則電荷將保留在物品上。如果將非導(dǎo)電物體帶入電場(chǎng)，電偶極子將傾向于與電場(chǎng)對(duì)準(zhǔn)，從而產(chǎn)生明顯的表面電荷。非導(dǎo)體（絕緣材料）不能通過(guò)感應(yīng)充電。

ESD損壞-設(shè)備如何失敗

靜電損壞定義為“由于靜電放電導(dǎo)致物品無(wú)法滿足一個(gè)或多個(gè)指定參數(shù)而引起的變化。” 從制造到現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)都可能發(fā)生。通常，由于在不受控制的環(huán)境中使用設(shè)備或使用不良的ESD控制做法而導(dǎo)致?lián)p壞。通常，損壞被分類(lèi)為災(zāi)難性故障或潛在缺陷。災(zāi)難性故障

當(dāng)電子設(shè)備暴露于ESD事件時(shí)，它可能不再起作用。ESD事件可能導(dǎo)致金屬熔化，結(jié)擊穿或氧化物故障。設(shè)備的電路受到永久性損壞，導(dǎo)致設(shè)備完全或至少部分停止運(yùn)行。通常在發(fā)貨前對(duì)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試即可檢測(cè)到此類(lèi)故障。如果在測(cè)試后發(fā)生破壞性的ESD事件，則該零件可能會(huì)投入生產(chǎn)，并且直到設(shè)備在最終測(cè)試中失敗之前，損壞都不會(huì)被發(fā)現(xiàn)。

潛在缺陷

根據(jù)ESD ADV1.0的規(guī)定，潛在故障是“在正常運(yùn)行一段時(shí)間后發(fā)生的故障。該故障可能歸因于較早的靜電放電事件。潛在故障的概念是有爭(zhēng)議的，并沒(méi)有被技術(shù)界的所有人完全接受。” 潛在缺陷很難識(shí)別。暴露于ESD事件的設(shè)備可能會(huì)部分退化，但仍會(huì)繼續(xù)執(zhí)行其預(yù)期功能。但是，設(shè)備的使用壽命可能會(huì)縮短。用戶將其投入使用后，包含潛在缺陷設(shè)備的產(chǎn)品或系統(tǒng)可能會(huì)過(guò)早失效。此類(lèi)故障的修復(fù)成本通常很高，在某些應(yīng)用中可能會(huì)造成人員傷害。

使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備來(lái)確認(rèn)設(shè)備遭受了災(zāi)難性故障是相對(duì)容易的?；拘阅軠y(cè)試將證明設(shè)備損壞。但是，使用現(xiàn)有技術(shù)很難證明或檢測(cè)潛在缺陷，尤其是在將器件組裝成最終產(chǎn)品之后。

基本的ESD事件-是什么原因?qū)е码娮釉O(shè)備發(fā)生故障？

ESD損壞通常是由以下三種事件之一引起的：直接對(duì)設(shè)備的靜電放電，設(shè)備的靜電放電或場(chǎng)致放電。ESD事件是否會(huì)對(duì)ESD敏感物品（ESDS）造成損壞，取決于設(shè)備耗散放電能量或承受相關(guān)電壓電平的能力。設(shè)備發(fā)生故障的級(jí)別稱(chēng)為設(shè)備的ESD敏感性或ESD敏感性。

排放到設(shè)備

當(dāng)任何帶電導(dǎo)體（包括人體）放電到物品上時(shí)，都會(huì)發(fā)生ESD事件。靜電損壞的原因可能是靜電電荷從人體或帶電材料直接轉(zhuǎn)移到ESDS。當(dāng)一個(gè)人走過(guò)地板時(shí)，人體上會(huì)積聚靜電。手指與通常處于不同電勢(shì)的ESDS或組件的引線簡(jiǎn)單接觸（或緊密接近）會(huì)導(dǎo)致身體放電，從而可能導(dǎo)致ESD損壞。用于模擬此事件的模型是人體模型（HBM）。帶電的導(dǎo)電物體（例如金屬工具或固定裝置）可能發(fā)生類(lèi)似的放電。從放電的性質(zhì)來(lái)看，用于描述此事件的模型稱(chēng)為機(jī)器模型（MM）。

從設(shè)備放電

電荷從ESDS轉(zhuǎn)移到導(dǎo)體也是ESD事件。通過(guò)與包裝材料，工作表面或機(jī)器表面進(jìn)行處理或接觸和分離，靜電可能會(huì)積聚在ESDS本身上。當(dāng)設(shè)備在表面上移動(dòng)或在包裝中振動(dòng)時(shí)，通常會(huì)發(fā)生這種情況。用于模擬來(lái)自ESDS的電荷轉(zhuǎn)移的模型稱(chēng)為充電設(shè)備模型（CDM）。所涉及的電容，能量和電流波形完全不同于放電至ESD敏感物體的電流，波形和波形，因此很可能導(dǎo)致不同的故障模式。

自動(dòng)化組裝的趨勢(shì)似乎解決了HBM ESD事件的問(wèn)題。然而，已經(jīng)表明，當(dāng)通過(guò)自動(dòng)化設(shè)備組裝時(shí)，組件可能對(duì)損壞更敏感。設(shè)備可能會(huì)因例如滑下進(jìn)紙器而帶電。如果它隨后接觸插入頭或任何其他導(dǎo)電表面，則會(huì)從設(shè)備到金屬物體發(fā)生快速放電。

場(chǎng)致放電

可以直接或間接損壞設(shè)備的另一種靜電充電過(guò)程稱(chēng)為場(chǎng)感應(yīng)。如前所述，每當(dāng)任何物體帶靜電時(shí)，就會(huì)有與該電荷相關(guān)的靜電場(chǎng)。如果將ESDS放在該靜電場(chǎng)中，則可能會(huì)在物品上感應(yīng)出電荷。如果物品隨后在靜電場(chǎng)內(nèi)接地，則設(shè)備的電荷轉(zhuǎn)移會(huì)作為CDM事件發(fā)生。如果將物品從靜電場(chǎng)區(qū)域移開(kāi)并再次接地，則將發(fā)生第二次CDM事件，因?yàn)殡姾桑ㄅc第一次事件的極性相反）從設(shè)備轉(zhuǎn)移了。

需要多少靜電保護(hù)？

ESD事件對(duì)ESDS的損害取決于器件耗散放電能量或承受所涉及電壓電平的能力-如前所述，這些因素決定了部件ESD的敏感性或敏感性?；贓SD事件模型的測(cè)試程序有助于定義組件對(duì)ESD的敏感性。盡管眾所周知，測(cè)試程序中的放電與實(shí)際的ESD事件之間幾乎沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)，但是定義電子組件的ESD靈敏度可以為確定所需的ESD控制保護(hù)程度提供一些指導(dǎo)。本系列的第五部分將介紹這些過(guò)程以及更多內(nèi)容。

ESD耐受電壓是“不會(huì)導(dǎo)致設(shè)備故障的最高電壓；該設(shè)備可以通過(guò)所有經(jīng)過(guò)測(cè)試的較低電壓。” 在相對(duì)較低的電壓水平下，許多電子組件對(duì)ESD敏感或敏感。許多設(shè)備的電壓低于100伏，并且許多磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器組件的電壓甚至低于10伏。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的當(dāng)前趨勢(shì)是在這些微型設(shè)備上增加了更多的電路，從而進(jìn)一步提高了它們對(duì)ESD的敏感性，并使?jié)撛趩?wèn)題更加嚴(yán)重。表3列出了各種類(lèi)型組件的ESD敏感性。

摘要

在本“ ESD簡(jiǎn)介”中，我們討論了靜電充電和放電，電荷產(chǎn)生的機(jī)制，材料，ESD損壞的類(lèi)型，ESD事件和ESD敏感性。我們可以將討論總結(jié)如下：

1、幾乎所有材料，甚至導(dǎo)體，都可以帶電摩擦。

2、電荷量受材料類(lèi)型，接觸和分離速度，濕度以及其他幾個(gè)因素的影響。

3、帶電物體具有靜電場(chǎng)。

4、靜電放電會(huì)損壞設(shè)備，因此參數(shù)會(huì)立即失效，或者ESD損壞可能是潛在的缺陷，可能無(wú)法立即檢測(cè)到，但可能導(dǎo)致設(shè)備過(guò)早失效。

5、靜電放電可能會(huì)在整個(gè)制造，測(cè)試，運(yùn)輸，處理或操作過(guò)程中以及現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)操作過(guò)程中發(fā)生。

6、由于設(shè)備放電，設(shè)備放電或靜電場(chǎng)導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移，均可能導(dǎo)致ESD損壞。器件對(duì)ESD的敏感性或敏感性差異很大。

要保護(hù)產(chǎn)品免受ESD損害的影響，首先要了解靜電電荷和放電的這些關(guān)鍵概念。有效的ESD控制程序需要有效的培訓(xùn)程序，所有相關(guān)人員都應(yīng)了解關(guān)鍵概念。有關(guān)ESD控制的基本概念，請(qǐng)參見(jiàn)第二部分。

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