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靜電放電現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在我們周圍，例如冬天脫羊毛衫出現(xiàn)的劈啪聲、有時手觸碰到金屬把手會有觸電的感覺，這些都是靜電放電現(xiàn)象。通常這種放電現(xiàn)象對人體不會有什么影響，甚至絕大多數(shù)情況下我們都毫無感覺，但是對于集成電路芯片領域，靜電放電就是一個不可忽視的重大問題，因為靜電放電可以在短時間內產(chǎn)生幾百甚至幾千伏高壓，雖然持續(xù)時間很短，但是足以給半導體芯片（IC）的某個部位造成不可逆的熱損傷。

芯片（IC）靜電放電失效主要分成以下兩種情況：

1、不可逆熱損壞失效

這種損壞會導致芯片功能失效，不能繼續(xù)使用，最典型熱擊穿包括:金屬熔斷、介質擊穿、PN結擊穿。

2、功能退化失效

功能退化會導致芯片（IC）性能下降，如芯片壽命降低、魯棒性降低、性能參數(shù)退化等，但是功能退化不會使芯片直接失效，芯片仍然可以繼續(xù)使用。美國國家半導體公司對芯片（IC）產(chǎn)品的失效原因的調查數(shù)據(jù)如下圖所示，結果表明：因靜電放電或電氣過應力(Electricl Over Stress，EOS）產(chǎn)生的失效，約占失效芯片（IC）產(chǎn)品失效總數(shù)的37%。

所以，在了解了在半導體芯片（IC）制造和電子硬件設計與生產(chǎn)中，靜電放電是造成元器件失效的重要原因后，靜電放電模型的定量分析便成了測試靜電放電耐受性的最核心依據(jù)。

一、靜電放電的介紹

靜電放電，英文全稱：Electro-Static Discharge，簡稱：ESD，它是指具有不同靜電電位的物體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移。靜電放電（ESD）是一種常見的近場危害源，可形成高電壓，強電場，瞬時大電流，并伴有強電磁輻射，形成靜電放電電磁脈沖。

靜電產(chǎn)生的途徑：接觸分離；摩擦；剝離；斷裂；傳導；感應；其他：熱電、光電、壓電。下面介紹幾種常見的靜電產(chǎn)生的實例：

1、接觸分離帶電

不同物質接觸分離都會產(chǎn)生靜電；

2、摩擦帶電

摩擦可以看作反復的接觸分離過程，工作中因摩擦或接觸分離產(chǎn)生靜電的地方：

a. 工作中的人體走動，取放物品都會產(chǎn)生靜電；

b. 設備中的運動也有摩擦或接觸分離的動作，因此也會產(chǎn)生靜電；

c. 移動的設備如推車，也會因摩擦產(chǎn)生靜電。

決定摩擦電壓的因素主要有：接觸的程度、表面的均勻度、接觸壓力、磨力、分離速度等因素都會影響到摩擦電壓的大小。

而材料的不同摩擦電壓也會有不同，環(huán)境溫度濕度的不同對摩擦電壓也有重大的影響。濕度越小摩擦電壓越大。

3、剝離帶電

物質原有的電荷平衡被打破，兩邊帶上相反的電荷；同種物質的剝離和不同物質間的剝離都會產(chǎn)生靜電。例如：不干膠帶、膠貼、傳送帶等都會因為剝離帶電；

4、斷裂帶電

物體斷裂成后，各部分會帶上不同的電荷；

5、傳導帶電

一個不帶電的物體接觸帶電的物體會通過傳導帶上相同的電荷；

6、感應帶電

帶電體產(chǎn)生電場，電場中的導體因電荷轉移而帶電；

二、靜電放電（ESD）的工作原理

靜電放電（ESD）放電的發(fā)生原理是在一定電場中，存在電荷分布不平衡或者不均，或存在電壓差，兩者必須存在其一才會發(fā)生電荷轉移或者強烈放電。

靜電放電（ESD）現(xiàn)象模擬是尖狀物體靠近，圓形物體靠近，破壞了整個環(huán)境的靜電系統(tǒng)平衡，產(chǎn)生了能量或者電荷轉移或轉化。

靜電槍正式基于上述幾個典型的現(xiàn)象來做了近似的模擬，首先讓電荷和電壓通過前級電路充電到高壓和幾局電荷，Q=CU，然后再扣動后級開關產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。其后級電路決定了產(chǎn)生靜電放電（ESD）放電的基本放電常數(shù)，圓頭和尖頭決定了產(chǎn)生靜電放電（ESD）放電的基本接觸形式。

因此，靜電放電（ESD）放電不是頂在上面（比如金屬或者特定介質）才有電荷轉移或靜電放電（ESD）放電現(xiàn)象，在沒有接觸到介質之前，其實已經(jīng)將空氣擊穿了，空氣成為一種導體，將能量傳導了將要接觸的地方，當緊密接觸了，又有類似的重啟電荷分配。

所以，世界的靜電放電（ESD）放電應該是漸進式放電，并非接觸放電，但因接觸或者漸近的速度不一樣，導致測試結果不一樣，為了規(guī)范這一現(xiàn)象，都采用了現(xiàn)在的靜電放電（ESD）標準，采用了智能的靜電放電（ESD）放電槍，它們的特點是，用圓頭時，頂在金屬上面放不出電，用尖頭時不接觸時候也放不出電，避免了各種組合的放電現(xiàn)象。值得注意的是，靜電放電（ESD）放電頭的高壓在5秒之內電壓不能衰減5%，否則它就不符合靜電放電（ESD）放電標準。

三、靜電放電（ESD）的特點

靜電放電（ESD）在大多數(shù)情況下是高電位、強磁場，瞬時大電流的過程，并會產(chǎn)生強烈的電磁輻射并產(chǎn)生電磁脈沖。有些靜電放電（ESD）（如電暈放電）其放電過程產(chǎn)生的電流比較小，但是通常絕大多數(shù)情況下靜電放電（ESD）過程會產(chǎn)生瞬時大電流，特別是帶電導體或小金屬體的帶電人體對接地體產(chǎn)生靜電放電（ESD）時，可以產(chǎn)生脈沖寬度為ns或us級的強度為幾十安培甚至上百安培的瞬時大電流。總體來說靜電放電（ESD）產(chǎn)生的電磁場分為電荷激發(fā)的以靜電場為主的近場和電爐微分項產(chǎn)生的遠場。

所以，在近場中，電場和磁場與放電電流成正比，并具有幅值高、上升沿陡頻譜寬的特點，電場可以達到數(shù)千伏/米，磁場則可以達到幾十安/米。由于電容上的能量輻射、電場能量存儲以及反射能量的疊加，使得近場的結構十分復雜；遠場中，電場和磁場與放電電流和時間的變化率有關，遠場是以輻射為主，其大小隨距離增大而減小。近場和遠場的電場值隨放電電壓的升高而增大，但是隨著放電電壓的升高，放電火花長度和脈沖電流上升時間的變大，會導致電流對時間的變化率產(chǎn)生的輻射場變小。

四、靜電放電（ESD）的基礎知識分享

以下就是本章節(jié)要跟大家分享的關于靜電放電（ESD）的基礎知識內容，如有感興趣的朋友，可以一起交流學習：

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五、靜電放電（ESD）常見的三種模型

為了定量表征靜電放電（ESD）的特性，一般將靜電放電（ESD）轉化成模型表達方式，靜電放電（ESD）的模型有很多種，一般有：人體模型(HBM)、機器模型(MM)、充電組件模型(CDM)、國際電子工業(yè)委員會標準(IEC)、傳輸線脈沖模型(TLP)、快速傳輸線脈沖模型(VF-TLP)、人體金屬放電模型(HMM)等。

其中人體模型(HBM)、機器模型(MM)、組件充電模型(CDM)為芯片級測試模型，主要是模擬芯片本身的靜電放電（ESD）防護能力。一個質量好的芯片，都需要有相應的靜電放電（ESD）防護設計，芯片級ESD模型主要研究ESD防護設計與芯片核心電路的協(xié)同工作能力。

國際電子工業(yè)委員會標準(IEC)、人體金屬放電模型(HMM)為系統(tǒng)級測試模型。系統(tǒng)級模型主要是研究一個成型的電子產(chǎn)品的靜電放電（ESD）防護能力。一個質量好的電子產(chǎn)品，除了內部芯片需要有相應的靜電放電（ESD）防護設計外，芯片外部還需要并聯(lián)相應ESD/EOS防護器件作一級防護，泄放初期電流，通常這種器件為瞬態(tài)電壓抑制器。

傳輸線脈沖模型(TLP)與快速傳輸線脈沖模型(VF-TLP)為器件級測試模型，主要研究靜電放電（ESD）防護器件的性能。用于靜電放電（ESD）防護的基本器件都需要進行TLP與VF-TLP測試來確定其靜電放電（ESD）參數(shù)，評估其 靜電放電（ESD）性能。下面介紹最常用的三種：

1、人體模型(HBM)

a. 模型定義

人體模型，英文全稱：Human Body Model，簡稱：HBM。人體模型(HBM)主要是模擬人體與芯片接觸過程中導致芯片攜帶靜電的情況。人體在某種條件下攜帶了大量靜電荷，隨后與芯片接觸，人體所帶靜電荷轉移到芯片上，其中人體、芯片、地組成放電通路。

該模型的等效電路如下圖，通常由一個100pF的電容（模擬人體與衣物等的等效電容）和一個1.5kΩ的電阻（模擬人體皮膚電阻）串聯(lián)組成，放電電壓范圍一般為幾百伏到數(shù)萬伏。圖中右下角是人體模型(HBM)的靜電放電（ESD）測試等級。

b. 發(fā)生場景

覆蓋元器件在人工操作環(huán)節(jié)的靜電放電（ESD）風險，比如生產(chǎn)過程中的人 手裝配、測試、倉儲搬運等場景，是最基礎、應用最廣泛的靜電放電（ESD）測試模型。

c. 對器件損傷特點

放電電流上升時間較慢（約10ns），持續(xù)時間較長（約100ns），主要損傷元器件的輸入輸出引腳、柵氧化層等部位。

d. 敏感元器件的靜電敏感度等級

根據(jù)JS-001標準，共分為下表中的九個等級：

2、機器模型(MM)

a. 模型定義

機器模型，英文全稱：Machine Mode，簡稱：MM，也稱作：機器放電模型。機器模型(MM)的等效電路與人體模型(HBM)相似，但等效電容(Cb)是200pF，等效電阻為0，機器模型(MM)與人體模型(HBM)的差異較大，實際上機器的儲電電容變化較大，但為了描述的統(tǒng)一，取200pF。由于機器模型(MM)放電時沒有電阻，且儲電電容大于人體模型(HBM)，同等電壓對器件的損害，機器模型(MM)遠大于人體模型(HBM)。

b. 發(fā)生場景

針對自動化生產(chǎn)環(huán)節(jié)，比如貼片機、焊接設備、傳輸帶等金屬部件與元器件的接觸放電，這類場景的放電能量更集中，破壞性更強。

c. 對器件損傷特點

放電電流上升時間極快（約 1ns），峰值電流大，容易造成元器件內部金屬導線的熔斷或焊點失效。

d. 敏感元器件的靜電敏感度等級

根據(jù)JEDEC標準，共分為三個等級；

3、充電組件模型(CDM)

a. 模型定義

充電組件模型，英文全稱：Charged Device Model，簡稱：CDM，又稱作：帶電器件模型。半導體器件主要采用三種封裝形式(金屬、陶瓷、塑料)。它們在裝配、傳遞、試驗、測試、運輸及存貯過程中，由于管殼與其它絕緣材料(如包裝用的塑料袋、傳遞用的塑料容器等)相互摩擦，就會使管殼帶電。器件本身作為電容器的一個極板而存貯電荷。充電組件模型(CDM)就是基于已帶電的器件通過管腳與地接觸時，發(fā)生對地放電引起器件失效而建立的。

該模型的等效電路如下圖，元器件本身等效為一個小電容（通常幾皮法到幾十皮法），帶電后通過引腳對地放電，放電回路電阻極低，電流上升時間可達亞納秒級。圖中右下角是充電組件模型(CDM)的靜電放電（ESD）測試等級。

b. 發(fā)生場景

常見于元器件的高速取放、分選環(huán)節(jié)，比如真空吸嘴搬運芯片時，器件與吸嘴摩擦帶電，隨后引腳接觸測試座或電路板接地端放電。

c. 對器件損傷特點

放電時間極短（小于 10ns），電流密度極大，容易直接擊穿元器件的核心芯片區(qū)域，導致器件瞬間失效，且損傷往往難以通過外觀檢測發(fā)現(xiàn)。

d. 敏感元器件的靜電敏感度等級

根據(jù)JS-002標準，共分為五個等級；

因此，器件的靜電放電（ESD）等級一般均是按以上三種模型測試，大部分靜電放電（ESD）敏感器件手冊上都有器件的靜電放電（ESD）數(shù)據(jù)，一般給出的是人體模型(HBM)和機器模型(MM)。通過器件的靜電放電（ESD）數(shù)據(jù)可以了解器件的靜電放電（ESD）特性。

但要注意的是，器件的每個管腳的靜電放電（ESD）特性差異較大，某些管腳的靜電放電（ESD）電壓會特別低，一般來說，高速端口，高阻輸入端口，模擬端靜電放電（ESD）電壓會比較低。

六、靜電放電（ESD）測試的方式

靜電放電（ESD）測試方法主要包括以下幾種：

1、直接放電測試（Direct Discharge Test）?

使用帶有特定功能的靜電槍直接對測試器件進行電擊，模擬不同電壓和電流下的靜電放電（ESD）事件，以評估器件在不同場景下的耐受能力?。

2、間接放電測試（Indirect Discharge Test）?

通過預設的阻抗或電阻載體與測試器件相連，進行放電測試。通過調整電阻載體的參數(shù)，模擬各種放電條件，驗證設備在各種靜電放電（ESD）環(huán)境下的抗干擾性能?。

3、模擬放電測試（Simulated ESD Event Test）?

利用電容器、電感等元件構建的特殊模擬器件，生成類似靜電放電（ESD）事件的放電脈沖。通過測量器件對模擬靜電放電（ESD）事件的響應，評估其在真實環(huán)境下的表現(xiàn)?。

4、靜電靈敏度測試（Electrostatic Sensitivity Test）?

將被測器件置于特定的靜電放電（ESD）環(huán)境中，利用不同的電場和電荷量進行測試。通過分析器件的響應和損壞情況，量化其靜電靈敏度和魯棒性?。

5、靜電放電（ESD）發(fā)生率測試（ESD Trigger Rate Test）?

通過長時間、連續(xù)的靜電放電（ESD）事件模擬，測試器件在長期暴露于靜電放電（ESD）環(huán)境下的可靠性。監(jiān)測器件的故障率和性能變化，評估其長期耐用性?。

6、人體模擬器測試（Human Body Model Test, HBM）?

采用人體模型進行靜電放電（ESD）測試，模擬人體觸摸設備時產(chǎn)生的靜電放電。通過模擬人體的電容和電阻特性，評估設備在人為靜電放電（ESD）事件下的抗干擾能力?。

7、電子設備模擬測試（Equipment Model Test, EMM）?

連接模擬的設備模型和測試器件，模擬真實環(huán)境中的靜電放電（ESD）放電事件。通過調整設備模型的參數(shù)和測試條件，模擬多種靜電放電（ESD）事件場景，全面評估器件性能?。

8、瞬態(tài)建模分析（Transient Modelling Analysis）?

利用數(shù)學建模和仿真技術，對器件的靜電放電（ESD）性能進行深入分析和評估。通過模擬器件在不同靜電放電（ESD）事件下的瞬態(tài)響應，優(yōu)化設計以提高其抗靜電放電（ESD）能力?。

這些測試方法各有側重，綜合使用可以全面評估電子設備在不同靜電放電（ESD）環(huán)境下的性能和可靠性。

七、靜電放電（ESD）的危害性

靜電放電（ESD）對多個行業(yè)，尤其是半導體行業(yè)構成了嚴重威脅。據(jù)估計，約有40%的集成電路失效是由靜電放電（ESD）引起的。在電子電器產(chǎn)品中，靜電放電（ESD）是導致設備運行不穩(wěn)定甚至損壞的主要原因之一。隨著集成電路技術的發(fā)展，元件集成度提高，特征尺寸縮小，電子元件對靜電放電（ESD）的敏感性也隨之增加。在靜電放電（ESD）的高壓和大電流作用下，電子元件可能會遭受不可逆的損傷，造成產(chǎn)品損壞或性能下降。

所以，靜電放電（ESD）是電子行業(yè)中一個不可忽視的問題，它對產(chǎn)品的可靠性和壽命有著直接的影響。隨著技術的發(fā)展，對靜電放電（ESD）的測試和防護要求也越來越高。通過嚴格的靜電放電（ESD）測試和有效的防護措施，可以顯著提高電子產(chǎn)品的抗靜電能力，減少因靜電放電（ESD）造成的損失。因此，對于電子元件制造商和用戶來說，了解靜電放電（ESD）的原理、危害和測試方法，采取適當?shù)姆雷o措施，對于保障產(chǎn)品質量和可靠性至關重要。

八、靜電放電（ESD）的意義

1、確保可靠性?

驗證電子設備在靜電放電時能否正常工作，避免故障。

2、發(fā)現(xiàn)問題?

提前識別并解決靜電引起的潛在問題，提高產(chǎn)品質量。

3、符合標準?

確保產(chǎn)品滿足國際靜電放電（ESD）標準，順利進入市場。

4、降低成本?

減少因靜電損壞導致的維修和維護費用。

5、保障安全?

提升設備的穩(wěn)定性和用戶使用安全性。

簡而言之，靜電放電靜電放電（ESD）測試是為了讓電子設備更可靠、更安全、更耐用。

九、靜電放電（ESD）的防護措施

1、設計階段

在產(chǎn)品設計階段，工程師應考慮靜電防護，選擇適當?shù)牟牧虾徒Y構，以降低靜電積累的風險。例如，使用抗靜電材料和涂層可以有效減少靜電的產(chǎn)生。

2、生產(chǎn)環(huán)境控制

在生產(chǎn)環(huán)境中，保持適當?shù)臐穸群蜏囟瓤梢詼p少靜電的積累。使用防靜電地板、工作臺和設備可以有效降低靜電的影響。

3、人員培訓

對操作人員進行靜電防護培訓，使其了解靜電的產(chǎn)生和防護措施，確保在處理敏感元器件時采取適當?shù)姆雷o措施，如佩戴防靜電手環(huán)和鞋子。

4、測試與驗證

定期進行靜電放電（ESD）測試，以驗證產(chǎn)品的抗靜電能力。通過測試結果，及時調整和改進設計和生產(chǎn)流程，確保產(chǎn)品在市場上的可靠性。

十、總結一下

人體模型(HBM)的放電波形持續(xù)時間較長，攜帶的能量很大，可以直接打穿MOS的柵氧端或者源漏端。因此由人體模型(HBM)引起的靜電放電（ESD）失效主要為MOS管的源漏擊穿與柵氧擊穿。雖然充電組件模型(CDM)放電波形的峰值電流較大，但是持續(xù)時間短，因此充電組件模型(CDM)放電波形所攜帶的能量并沒有人體模型(HBM)那么大。由充電組件模型(CDM)引發(fā)的靜電放電（ESD）失效點形狀就小很多，多為針孔狀的柵氧擊穿。

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