靜電放電基礎(chǔ)知識第一部分-ESD簡介

歷史與背景

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

到1860年代，美國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)過干燥過程時(shí)產(chǎn)生的靜電。每個(gè)可想象的商業(yè)和工業(yè)過程都會一次或一次產(chǎn)生靜電充電和放電問題。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)代帶來了與靜電和靜電放電相關(guān)的新問題。并且，隨著電子設(shè)備變得越來越快并且電路越來越小，它們對ESD的敏感性通常會提高。這種趨勢可能正在加速。

ESD協(xié)會于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年及以后變得越來越敏感，企業(yè)必須開始對其處理過程的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)代帶來了與靜電和靜電放電相關(guān)的新問題。并且，隨著電子設(shè)備變得越來越快并且電路越來越小，它們對ESD的敏感性通常會提高。這種趨勢可能正在加速。

盡管在過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。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)（請參閱第六部分-ESD標(biāo)準(zhǔn)）。

靜電：產(chǎn)生電荷

ESD ADV1.0術(shù)語表中包含靜電放電術(shù)語的定義。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產(chǎn)生一個(gè)可以測量的電場，并且可以影響其他物體。靜電放電（ESD）定義為“由高靜電場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)會以不同的靜電勢流過兩個(gè)物體之間的火花。” 靜電放電會改變半導(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形成靜電。

通過材料的接觸和分離產(chǎn)生靜電荷被稱為“摩擦帶電”。單詞“摩擦”來自希臘字，  摩擦  -意思是“蹭”和  elektros  -意為“琥珀色”（從史前化石樹樹脂）。它涉及電子在材料之間的轉(zhuǎn)移。沒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，我們說物體上的靜電勢，表示為電壓。

材料接觸，電子轉(zhuǎn)移和分離的過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的其他因素也會影響釋放的實(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，還顯示了濕度對減少電荷積累的貢獻(xiàn)。但是應(yīng)注意，即使在較高的相對濕度下仍會產(chǎn)生靜電荷。

電荷也可以通過其他方式在材料上生成電荷，例如通過感應(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，都可以通過摩擦帶電。材料的物理，化學(xué)和電學(xué)特性會產(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其表面或通過其體積流動(dòng)的材料稱為絕緣體。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)上沒有電子的情況。但是，電子不能輕易地流過絕緣材料的表面，

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）。電子可以流過或流過耗散材料，但受材料的表面電阻或體積電阻控制。

與其他兩種類型的材料一樣，電荷可以在靜電耗散材料上通過摩擦電產(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

帶電材料還具有靜電場和與其相關(guān)的力線。帶入該電場附近的導(dǎo)電物體將通過稱為感應(yīng)的過程進(jìn)行極化。圖3。負(fù)電場將排斥導(dǎo)電物體暴露于電場的表面上的電子。正電場會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，則電荷會由于電荷的不平衡而從地流到地。如果去除了靜電場并且斷開了接地觸點(diǎn)，則電荷將保留在物品上。如果將非導(dǎo)電物體帶入電場，電偶極子將傾向于與電場對準(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)貨前對設(shè)備進(jìn)行測試即可檢測到此類故障。如果在測試后發(fā)生破壞性的ESD事件，則該零件可能會投入生產(chǎn)，并且直到設(shè)備在最終測試中失敗之前，損壞都不會被發(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議的，并沒有被技術(shù)界的所有人完全接受。” 潛在缺陷很難識別。暴露于ESD事件的設(shè)備可能會部分退化，但仍會繼續(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)可能會過早失效。此類故障的修復(fù)成本通常很高，在某些應(yīng)用中可能會造成人員傷害。

使用適當(dāng)?shù)脑O(shè)備來確認(rèn)設(shè)備遭受了災(zāi)難性故障是相對容易的?；拘阅軠y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：直接對設(shè)備的靜電放電，設(shè)備的靜電放電或場致放電。ESD事件是否會對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)生故障的級別稱為設(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)人走過地板時(shí)，人體上會積聚靜電。手指與通常處于不同電勢的ESDS或組件的引線簡單接觸（或緊密接近）會導(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)生類似的放電。從放電的性質(zhì)來看，用于描述此事件的模型稱為機(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)，通常會發(fā)生這種情況。用于模擬來自ESDS的電荷轉(zhuǎn)移的模型稱為充電設(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)化組裝的趨勢似乎解決了HBM ESD事件的問題。然而，已經(jīng)表明，當(dāng)通過自動(dòng)化設(shè)備組裝時(shí)，組件可能對損壞更敏感。設(shè)備可能會因例如滑下進(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，則會從設(shè)備到金屬物體發(fā)生快速放電。

場致放電

可以直接或間接損壞設(shè)備的另一種靜電充電過程稱為場感應(yīng)。如前所述，每當(dāng)任何物體帶靜電時(shí)，就會有與該電荷相關(guān)的靜電場。如果將ESDS放在該靜電場中，則可能會在物品上感應(yīng)出電荷。如果物品隨后在靜電場內(nèi)接地，則設(shè)備的電荷轉(zhuǎn)移會作為CDM事件發(fā)生。如果將物品從靜電場區(qū)域移開并再次接地，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事件模型的測試程序有助于定義組件對ESD的敏感性。盡管眾所周知，測試程序中的放電與實(shí)際的ESD事件之間幾乎沒有直接的關(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程以及更多內(nèi)容。

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

摘要

在本“ ESD簡介”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。

4、靜電放電會損壞設(shè)備，因此參數(shù)會立即失效，或者ESD損壞可能是潛在的缺陷，可能無法立即檢測到，但可能導(dǎo)致設(shè)備過早失效。

5、靜電放電可能會在整個(gè)制造，測試，運(yùn)輸，處理或操作過程中以及現(xiàn)場服務(wù)操作過程中發(fā)生。

6、由于設(shè)備放電，設(shè)備放電或靜電場導(dǎo)致的電荷轉(zhuǎn)移，均可能導(dǎo)致ESD損壞。器件對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，請參見第二部分。

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