ESD基础知识第1部分:ESD简介

静电放电基础知识第一部分-ESD简介

历史与背景

对于许多人来说，静电放电（ESD）仅在在地毯上行走或在汽车座椅上滑动后触摸金属门把手时才会引起电击。然而，几个世纪以来，静电和ESD一直是一个严重的工业问题。早在1400年代，欧洲和加勒比军事要塞就开始采用静态控制程序和设备，试图防止火药库因疏忽静电而引燃。

到1860年代，美国各地的造纸厂都采用了基本的接地，火焰离子化技术和蒸汽鼓，以消散纸幅经过干燥过程时产生的静电。每个可想象的商业和工业过程都会一次或一次产生静电充电和放电问题。弹药，炸药，石油化工，制药，农业，印刷和图形艺术，纺织，绘画和塑料只是其中静电控制极为重要的一些行业。电子设备的时代带来了与静电和静电放电相关的新问题。并且，随着电子设备变得越来越快并且电路越来越小，它们对ESD的敏感性通常会提高。这种趋势可能正在加速。

ESD协会于2010年4月修订的“静电放电（ESD）技术路线图”包括“随着设备在2010-2015年及以后变得越来越敏感，企业必须开始对其处理过程的ESD能力进行审查”。如今，ESD几乎影响了全球电子环境的各个方面的生产率和产品可靠性。印刷和图形艺术，纺织品，绘画和塑料只是其中静电控制极为重要的一些行业。电子设备的时代带来了与静电和静电放电相关的新问题。并且，随着电子设备变得越来越快并且电路越来越小，它们对ESD的敏感性通常会提高。这种趋势可能正在加速。

尽管在过去的三十年中付出了巨大的努力，但ESD仍然影响着产量，制造成本，产品质量，产品可靠性和盈利能力。损坏的器件本身的成本范围从简单二极管的几美分到复杂集成电路的数千美元不等。当包括维修和返工，运输，人工和管理费用的相关费用时，显然存在显着改进的机会。如今，涉及电子制造的数千家公司中，几乎所有公司都关注静态控制的基本，行业认可的要素。ESD Association行业标准现已发布，以指导制造商建立基本的静电消除和控制技术（请参阅第六部分-ESD标准）。

静电：产生电荷

ESD ADV1.0术语表中包含静电放电术语的定义。静电荷定义为“静电荷”。静电是材料内部或表面上电荷的不平衡。电子的这种不平衡会产生一个可以测量的电场，并且可以影响其他物体。静电放电（ESD）定义为“由高静电场引起的静电荷的快速，自发转移。注意：通常，电荷在彼此接近时会以不同的静电势流过两个物体之间的火花。” 静电放电会改变半导体器件的电气特性，从而使其退化或毁坏。静电放电也可能会破坏电子系统的正常运行，从而导致设备故障或故障。带电的表面会吸引并保持污染物，使去除颗粒变得困难。当空气中的微粒被硅晶片或设备的电路表面吸引时，它们会引起随机的晶片缺陷并降低产品良率。

控制静电放电首先要了解静电电荷的产生方式。静电电荷通常是通过两种材料的接触和分离产生的。这些材料可以相似或不相似，尽管不相似的材料倾向于释放更高水平的静电荷。例如，在地板上行走的人在鞋底接触并与地板表面分离时会产生静电。电子设备滑入或滑出袋子，杂志或管子时会产生静电，因为该设备的外壳和金属引线与容器表面多次接触和分离。尽管在这些示例中静电荷的大小可能不同，但实际上在每种情况下都会形成静电。

通过材料的接触和分离产生静电荷被称为“摩擦带电”。单词“摩擦”来自希腊字，  摩擦  -意思是“蹭”和  elektros  -意为“琥珀色”（从史前化石树树脂）。它涉及电子在材料之间的转移。没有静电荷的材料的原子在原子核中具有相等数量的正（+）质子，在原子核中具有负电子（-）。在图1中，材料“ A”由具有相等数量的质子和电子的原子组成。材料B还由质子和电子数量相同（尽管可能不同）的原子组成。两种材料都是电中性的。

当两种材料接触放置然后分开时，带负电的电子从一种材料的表面转移到另一种材料的表面。哪种材料失去电子，哪种材料获得电子将取决于两种材料的性质。失去电子的材料带正电，而获得电子的材料带负电。如图2所示。

静电以库仑为单位。物体上的电荷“ q ”由物体“ C ” 的电容与物体上的电压（V）的乘积确定：q = CV通常，我们说物体上的静电势，表示为电压。

材料接触，电子转移和分离的过程是比此处描述的机制复杂得多的机制。摩擦生电产生的电荷量受接触面积，分离速度，相对湿度，材料的化学性质，表面功函数和其他因素的影响。一旦在材料上产生电荷，电荷就会变成静电荷（如果残留在材料上）。该电荷可能从材料转移，从而产生静电放电或ESD事件。诸如实际放电电路的电阻以及接触表面之间的界面处的接触电阻之类的其他因素也会影响释放的实际电荷。表1列出了典型的电荷产生方案及其产生的电压电平。此外，还显示了湿度对减少电荷积累的贡献。但是应注意，即使在较高的相对湿度下仍会产生静电荷。

表1静态生成示例–典型电压电平
产生手段	相对湿度10-25％	相对湿度65-90％
穿越地毯	35,000伏	1,500V
穿过乙烯基瓷砖	12,000伏	250伏
板凳上的工人	6,000伏	100伏
保利袋从长凳上捡起	20,000V	1,200伏
聚氨酯泡沫椅	18,000伏	1,500V

电荷也可以通过其他方式在材料上生成电荷，例如通过感应，离子轰击或与其他带电物体接触。然而，摩擦带电是常见的。

材料特性如何影响静电荷

摩擦电系列

当两种材料接触并分开时，电荷的极性和大小由材料在摩擦电系列中的位置表示。摩擦电序表显示了如何在各种材料上产生电荷。当两种物质接触并分开时，一种接近系列顶部的物质带正电荷，另一种物质带负电荷。桌子上相距较远的材料通常比相距较近的材料产生更高的电荷。但是，这些表仅应用作一般指南，因为其中涉及许多变量，因此无法很好地控制以确保可重复性。表2显示了典型的摩擦电系列。

 

表2典型的摩擦电系列
正+	兔毛玻璃云母人发尼龙羊毛毛皮铅丝绸铝
负数–	纸棉钢木琥珀封蜡镍，铜黄铜，白银黄金，铂金硫醋酸人造丝聚酯赛璐珞硅铁氟龙

几乎所有材料，包括空气中的水和灰尘颗粒，都可以通过摩擦带电。材料的物理，化学和电学特性会产生多少电荷，电荷流向何处以及有多快。绝缘材料

阻止或限制电子通过其表面或通过其体积流动的材料称为绝缘体。绝缘体具有极高的电阻，绝缘材料定义为“表面电阻或体积电阻等于或大于1×1011欧姆的材料”。绝缘体表面会产生大量电荷。由于绝缘材料不容易让电子流动，因此，尽管位于不同的位置，正电荷和负电荷也可以同时驻留在绝缘表面上。带负电的斑点上的多余电子可能足以满足带正电的斑点上没有电子的情况。但是，电子不能轻易地流过绝缘材料的表面，

导电材料

导电材料由于具有低电阻，因此使电子易于在其表面或体积中流动。导电材料的电阻很低，每个词汇表ESD ADV1.0均小于1×104欧姆（表面电阻）和1×104欧姆（体积电阻）。当导电材料带电时，电荷（即电子的不足或过量）将均匀地分布在材料的整个表面上。如果带电的导电材料与另一种导电材料接触，电子将非常容易在材料之间共享。如果将第二根导线连接到交流设备的地面或任何其他接地点，电子将流到地面，并且导线上的多余电荷将被中和。

静电可以在导体上产生摩擦电荷，就像在绝缘体上产生静电一样。只要导体与其他导体或地面隔离，静电荷将保留在导体上。如果导体接地，电荷将很容易接地。或者，如果已充电的导体接触另一个导体，则电荷将在两个导体之间流动。

静电耗散材料

静电耗散材料的电阻介于绝缘材料和导电材料之间（表面电阻或体积电阻为1×104 <1×1011欧姆）。电子可以流过或流过耗散材料，但受材料的表面电阻或体积电阻控制。

与其他两种类型的材料一样，电荷可以在静电耗散材料上通过摩擦电产生。然而，像导电材料一样，静电耗散材料将允许电荷转移到地面或其他导电物体上。从静电耗散材料中转移电荷通常要比从等效尺寸的导电材料中转移更长的时间。静电耗散材料的电荷转移比绝缘子快得多，但比导电材料慢。

静电场

带电材料还具有静电场和与其相关的力线。带入该电场附近的导电物体将通过称为感应的过程进行极化。图3。负电场将排斥导电物体暴露于电场的表面上的电子。正电场会将电子吸引到表面附近，从而使其他区域带正电。极化上不会发生实际电荷变化。但是，如果物品是导电的或耗散的，并且在极化时接地，则电荷会由于电荷的不平衡而从地流到地。如果去除了静电场并且断开了接地触点，则电荷将保留在物品上。如果将非导电物体带入电场，电偶极子将倾向于与电场对准，从而产生明显的表面电荷。非导体（绝缘材料）不能通过感应充电。

ESD损坏-设备如何失败

静电损坏定义为“由于静电放电导致物品无法满足一个或多个指定参数而引起的变化。” 从制造到现场服务都可能发生。通常，由于在不受控制的环境中使用设备或使用不良的ESD控制做法而导致损坏。通常，损坏被分类为灾难性故障或潜在缺陷。灾难性故障

当电子设备暴露于ESD事件时，它可能不再起作用。ESD事件可能导致金属熔化，结击穿或氧化物故障。设备的电路受到永久性损坏，导致设备完全或至少部分停止运行。通常在发货前对设备进行测试即可检测到此类故障。如果在测试后发生破坏性的ESD事件，则该零件可能会投入生产，并且直到设备在最终测试中失败之前，损坏都不会被发现。

潜在缺陷

根据ESD ADV1.0的规定，潜在故障是“在正常运行一段时间后发生的故障。该故障可能归因于较早的静电放电事件。潜在故障的概念是有争议的，并没有被技术界的所有人完全接受。” 潜在缺陷很难识别。暴露于ESD事件的设备可能会部分退化，但仍会继续执行其预期功能。但是，设备的使用寿命可能会缩短。用户将其投入使用后，包含潜在缺陷设备的产品或系统可能会过早失效。此类故障的修复成本通常很高，在某些应用中可能会造成人员伤害。

使用适当的设备来确认设备遭受了灾难性故障是相对容易的。基本性能测试将证明设备损坏。但是，使用现有技术很难证明或检测潜在缺陷，尤其是在将器件组装成最终产品之后。

基本的ESD事件-是什么原因导致电子设备发生故障？

ESD损坏通常是由以下三种事件之一引起的：直接对设备的静电放电，设备的静电放电或场致放电。ESD事件是否会对ESD敏感物品（ESDS）造成损坏，取决于设备耗散放电能量或承受相关电压电平的能力。设备发生故障的级别称为设备的ESD敏感性或ESD敏感性。

排放到设备

当任何带电导体（包括人体）放电到物品上时，都会发生ESD事件。静电损坏的原因可能是静电电荷从人体或带电材料直接转移到ESDS。当一个人走过地板时，人体上会积聚静电。手指与通常处于不同电势的ESDS或组件的引线简单接触（或紧密接近）会导致身体放电，从而可能导致ESD损坏。用于模拟此事件的模型是人体模型（HBM）。带电的导电物体（例如金属工具或固定装置）可能发生类似的放电。从放电的性质来看，用于描述此事件的模型称为机器模型（MM）。

从设备放电

电荷从ESDS转移到导体也是ESD事件。通过与包装材料，工作表面或机器表面进行处理或接触和分离，静电可能会积聚在ESDS本身上。当设备在表面上移动或在包装中振动时，通常会发生这种情况。用于模拟来自ESDS的电荷转移的模型称为充电设备模型（CDM）。所涉及的电容，能量和电流波形完全不同于放电至ESD敏感物体的电流，波形和波形，因此很可能导致不同的故障模式。

自动化组装的趋势似乎解决了HBM ESD事件的问题。然而，已经表明，当通过自动化设备组装时，组件可能对损坏更敏感。设备可能会因例如滑下进纸器而带电。如果它随后接触插入头或任何其他导电表面，则会从设备到金属物体发生快速放电。

场致放电

可以直接或间接损坏设备的另一种静电充电过程称为场感应。如前所述，每当任何物体带静电时，就会有与该电荷相关的静电场。如果将ESDS放在该静电场中，则可能会在物品上感应出电荷。如果物品随后在静电场内接地，则设备的电荷转移会作为CDM事件发生。如果将物品从静电场区域移开并再次接地，则将发生第二次CDM事件，因为电荷（与第一次事件的极性相反）从设备转移了。

需要多少静电保护？

ESD事件对ESDS的损害取决于器件耗散放电能量或承受所涉及电压电平的能力-如前所述，这些因素决定了部件ESD的敏感性或敏感性。基于ESD事件模型的测试程序有助于定义组件对ESD的敏感性。尽管众所周知，测试程序中的放电与实际的ESD事件之间几乎没有直接的关联，但是定义电子组件的ESD灵敏度可以为确定所需的ESD控制保护程度提供一些指导。本系列的第五部分将介绍这些过程以及更多内容。

ESD耐受电压是“不会导致设备故障的最高电压；该设备可以通过所有经过测试的较低电压。” 在相对较低的电压水平下，许多电子组件对ESD敏感或敏感。许多设备的电压低于100伏，并且许多磁盘驱动器组件的电压甚至低于10伏。产品设计和开发的当前趋势是在这些微型设备上增加了更多的电路，从而进一步提高了它们对ESD的敏感性，并使潜在问题更加严重。表3列出了各种类型组件的ESD敏感性。

表3 具有HBM和CDM关联的代表性电子设备或部件的ESD敏感性*
设备零件或类型
微波设备（肖特基势垒二极管，点接触二极管和其他大于1GHz的检测器二极管）
分立MOSFET器件
表面声波（SAW）装置
结型场效应晶体管（JFET）
电荷耦合器件（CCD）
精密稳压二极管（负载稳压线，<0.5％）
运算放大器（OP AMP）
薄膜电阻
集成电路
GMR和新技术磁盘驱动器记录头
激光二极管
杂种
超高速集成电路（VHSIC）
硅控整流器（SCR），在10 ambientC的环境下Io <0.175安
*特定的灵敏度水平可从供应商数据表中获得

摘要

在本“ ESD简介”中，我们讨论了静电充电和放电，电荷产生的机制，材料，ESD损坏的类型，ESD事件和ESD敏感性。我们可以将讨论总结如下：

1、几乎所有材料，甚至导体，都可以带电摩擦。

2、电荷量受材料类型，接触和分离速度，湿度以及其他几个因素的影响。

3、带电物体具有静电场。

4、静电放电会损坏设备，因此参数会立即失效，或者ESD损坏可能是潜在的缺陷，可能无法立即检测到，但可能导致设备过早失效。

5、静电放电可能会在整个制造，测试，运输，处理或操作过程中以及现场服务操作过程中发生。

6、由于设备放电，设备放电或静电场导致的电荷转移，均可能导致ESD损坏。器件对ESD的敏感性或敏感性差异很大。

要保护产品免受ESD损害的影响，首先要了解静电电荷和放电的这些关键概念。有效的ESD控制程序需要有效的培训程序，所有相关人员都应了解关键概念。有关ESD控制的基本概念，请参见第二部分。