有关静电放电(ESD)的讨论

有关静电放电（ESD）的讨论

——蔡泽PB11009032

摘要：静电是人们日常生活中一种司空见惯的现象，静电的许多功能已经应用到军工或民用产品中，如静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。然而，静电放电却又成为电子产品和设备的一种危害，造成电子产品和设备的功能紊乱甚至部件损坏。随着科学技术的飞速发展,微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂,人们对静电放

电的电磁场效应如电磁干扰及电磁兼容性也问题越来越重视，因此静电放电产生的危害也引起了人们的高度重视，人们尝试用各种方法将静电放电的危害降至最低。

一. 静电及静电放电

静电是物体表面过剩或不足的静止的电荷。静电的产生是由于电子在外力的作用下，从一个物体转移到另一个物体或者是受外界磁场的影响而产生的极化现象。正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡就会产生静电能。

静电有以下特点：

1.高电位：最高可达数万伏以至数十万伏

2.低电量：毫微库仑（nc,10-9c）级别

3.作用时间短：多为微秒（us,10-6s）级。

静电的产生方式有：

1.摩擦：在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，

即可产生静电，而产生静电的最通方法，就是摩擦生电。材料的绝

缘性越好，越容易是使用摩擦生电。另外，任何两种不同物质的物

体接触后再分离，也能产生静电。

2. 感应：针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如

将其置于一电场中，由于同性相斥，异性相吸，正负离子就会转移。

3.传导：针对导电材料而言，因电子能在它的表面自由流动，如

与带电物体接触，将发生电荷转移。

静电放电：静电源跟其它物体接触时，依据电荷中和的原则，存在着电荷流动，传送足够的电量以抵消电压。这个高速电量的传送过程中，将产生潜在的破坏电压、电流以及电磁场，严重时将其中物体击毁。这就是静电放电。

静电放电用英文缩写表示即为ESD（Electro Static Discharge）。ESD是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减、静电放电模型、静电放电效应如电流热（火花）效应（如静电引起的着火与爆炸）及和电磁效应（如电磁干扰）等的学科。ESD会导致电子设备严重地损坏或操作失常。半导体专家以及设备的用户都在想办法抑制ESD。

ESD三种型式

1.人体型式即指当人体活动时身体和衣服之间的摩擦产生摩擦电荷。当人们手持ESD敏感的装置而不先拽放电荷到地，摩擦电荷将会移向ESD 敏感的装置而造成损坏。

2.微电子器件带电型式既指这些ESD敏感的装置，尤其对朔料件，当在自动化生产过程中，会产生摩擦电荷，而这些摩擦电荷通过低电阻的线路非常迅速地泻放到高度导电的牢固接地表面，因此造成损坏；或者通过感应使ESD敏感的装置的金属部分带电而造成损坏。

3.场感类型式即有强电场围绕，这可能来之于塑性材料或人的衣服，会发生电子转化跨过氧化层。若电位差超过氧化层的介电常数，侧会产生电弧以破坏氧化层，其结果为短路。

4.其它还有：机器模式、场增强模型、人体金属模型、电容耦合模型、悬浮器件模型。

这三种ESD对于半导体器件的生产和电子产品的生产都非常重要。电子产品在使用过程最容易受到第三种ESD的损坏，便携式电子产品尤其容

易受到人体接触产生的ESD的损坏。在一般情况下ESD会损坏与之相连的接口器件，另一种情况是遭受ESD冲击后的器件可能不会立即损坏，而是性能下降导致产品过早出现故障。即ESD对器件的损坏有永久性损害和潜伏性损害。静电放电引起的元器件击穿损害是电子工业最普遍、最严重的静电危害，它分硬击穿和软击穿。硬击穿是一次性造成元器件介质击穿、烧毁或永久性失效；软击穿则是造成器件的性能劣化或参数指标下降。

二.静电的影响及其危害

1.静电对电子工业的影响

集成电路元器件的线路缩小，耐压降低，线路面积减小，使得器件耐电冲击能力的减弱，静电电场和静电电流成为这些高密度元器件的致命

杀手。同时大量的塑料制品等高绝缘材料的普遍应用，导致产生静电的

机会大增。

静电对电子元器件的影响主要有

A.静电吸附灰尘，改变线路间的阻抗，影响产品的功能与寿命。

B.因电场或电流破坏元件的绝缘或导体，使元件不能工作（完全破坏）。

C.因瞬间的电场或电流产生的热，元件受伤，仍能工作，寿命受损。

如果一个元件的两个针脚或更多针脚之间的电压超过元件介质的击穿强度，就会对元件造成损坏，这是MOS器件的氧化层越薄，元件对静

电放电的敏感性也越大。由静电引起的MOS器件的故障常表现为元件本

身对电源有一定阻值的短路现象。对于双极性元件，损坏一般发生在薄

氧化层隔开的已进行金属喷镀的有源半导体区域，静电引起的击穿会产

生电流严重泄漏的路径。

另一种故障是由于节点的温度超过半导体硅的熔点（14150C）时所引起的。静电放电脉冲的能量可以产生局部发热，使半导体局部熔断损坏。

即使静电产生的电压低于介质的击穿电压，也会发生这种故障。一个典型的例子是，NPN型三极管发射与基极间常会因静电而产生击穿，击穿后电流增益急剧降低。

元器件受到静电放电的影响后，也可能不会立即出现功能性的损坏。这些受到潜在损坏的元件通常被称为“跛脚”，一旦加以使用，将会对以后发生的静电放电或传导性瞬态表现出更大的敏感性。整体的性能表现为电子设备的性能越来越差，直至完全损坏。

要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电放电电压是3000V—5000V，然而，元件发生损坏时电压仅几百伏。这势必会对电子电路的性能产生影响，表1和表2分别列出了典型生产现场易产生的静电电压及静电对部分电子器件的击穿电压。由这两个表我们可以看出，相对于自然界的静电来说，电子器件是非常娇贵的，正是基于这一因素，是否采取了防静电措施是衡量电子器件质量好坏的一个非常重要的指标。

表1 生产现场易产生的静电电压

表2 静电对部分电子器件的击穿电压