ESD对电子产品的影响

 

一、引言

ESD（Electrostatic  Discharge）即“静电放电”或称“静电泄放”。从事电子产品硬件设计和生产工艺的工程师都应该要理解和掌握 ESD 的相关知识。

随着科技的发展，电子产品越来越要求体积小、轻量化、低功耗、高性能，这就要求集成电路越来越精细、越来越复杂。而静电对集成电路的破坏却因其越来越高的集成度而变得更加容易。

 

二、ESD基本原理

2.1 静电如何产生

众所周知，孤立的物体本身是中性的。当两种不同材质的物体相互接触时，由于各自原子核对其最外围的自由电子的吸引力强弱不同，外围电子就会转移到引力较大的物体一方。当接触后分离，就会使其中之一的物体表面带上更多的负电荷（-），另一物体表面则呈现带上正电荷（+）。这种在物体表面处于“相对稳定状态”的电荷（在没有移动通道、即不会形成电流的时候），就是“静电”。

  

这种通过接触分离方式产生静电的典型例子就是摩擦起电。人体行走、穿脱毛衣、滚轮传动、气体/液体喷射、撕包装胶带、搅拌。。。。。。都会产生静电。

 

另外，当导体受到外部电场影响，导体上的自由电子将在电场的作用下发生定向移动，使导体中的电荷重新分布以抵消外部电场的作用，从而在导体两端“感应”出带正电荷和负电荷的静电。

 

高能辐射、超高温等极端条件下造成电子溢出也会产生静电。

简而言之，当物体表面出现不平衡电子，由不足或过剩的电子总量决定了表面电荷量，电子不足则带正电，电子过剩则带负电。电荷保持在“静止”状态下是安全的（注：这里“静止”只是形象的说法，并非停止运动）。

在物体表面处于“相对稳定状态”的电荷是由于自由电子数量的不平衡（不足或过剩）造成的，从而相对另一物体（或大地、或导体的另一端）产生了一定的静电电势（电位差、电压）。在日常生产生活中静电无处不在，其静电电压可以高达几千上万伏甚至数十万伏。通常人体皮肤能感知到静电时其电压在2000~3000V，能听见时的静电电压高达5000V，能看见时的静电电压高达10000V以上，例如冬季夜晚脱毛衣时会看见火星四溅，伴随着噼啪的响声。下表为人体活动产生的典型的静电电压（V），请注意空气湿度对静电电荷积聚/耗散的影响。

人体活动	静电电势/静电电压
	（空气相对湿度10~20% ）	（空气相对湿度65~90%）
在地毯上走动	35000	1500
在聚乙烯地板上走动	12000	250
在工作台上工作	6000	100
拿聚乙烯纤维包	7000	600
从工作台拿起聚乙烯衬垫	20000	1200
坐在填有聚氟脂泡膜的椅子上	18000	15000

 

2.2 静电放电

当这些静电电荷在不同静电电势的物体或表面之间发生转移时的过程，即称为“静电放电”或“静电泄放”。ESD可分为接触放电和介质击穿放电。冬天用手触碰水龙头或金属门把手、甚至两人握手触碰瞬间感觉触电就是一种接触放电，而雷雨天的闪电则是一种极其强烈的介质击穿放电。

 

 

三、ESD的危害

世界范围内因静电放电导致的重大事故如加油站爆炸、石化厂爆炸、火灾等不在少数。更多的对电子产品设备及电子元器件造成的损害却往往被人们漠不关心，甚至毫无觉察，然而每年由此造成的经济损失可能高达上百亿美金，不亚于数万个加油站爆炸造成的损失。

体积小、功耗低、高性能的集成电路是电子工业发展的基本要求。随着半导体以”摩尔定律”不断提高的集成度,元器件越来越精细复杂，增厚氧化膜，提高其耐压性，显然是行不通的。因此在器件的集成度要求越来越高的趋势下，通常将器件氧化膜做得越来越薄使其尺寸减少，器件的耐压也随之降低，对静电也更为敏感脆弱。

半导体器件，特别是集成电路，根据其种类不同承受静电耐压的程度也不一样。各种工艺类型半导体器件的静电敏感性列表如下：

器件类型 Device Type	静电敏感度（V） Threshold Susceptivity(Volts)
MOSFET	10-100
VMOS	30-1800
NMOS	60-100
GaAsFET	60-2000
EPROM	100+
CMOS	200-3000
GaAsFET	25-50
JFET	140-7000
SAW	150-500
Op-AMP	190-2500
Schotky Diodes	300-2500
Film Resistors	300-3000
Bipolar Resistors	300-7000
ECL	500+
SCR	500-1000
Schottky TTL	500-2500

 

SSD（Static Sensitive Device-静电敏感器件）的分级方法有多种，根据国家军用标准GJB1649-93《电子产品防静电放电控制大纲》的分级方法。

l  静电敏感度介于0～1990V的元器件为1级；

l  介于2000～3999V的元器件为2级；

l  介于4000～15999V的为3级；

l  静电敏感度为16000v或16000v以上的元器件、组件和设备被认为是非静电敏感产品。

 按元器件类型的列出部分SSD的分级（1级）如下表（原表17.3）。

级别和静电敏感度范围	元器件类型
1级 0 – 1999V	微波器件（肖特基势垒二极管、点接触、二极管等） 离散型MOSFET器件 声表面波（SAW）器件 结型场效应晶体管（JFET） 电耦合器件（CCD） 精密稳压二极管（加载电压稳定度<0.5%） 运算放大器（OPAMP） 薄膜电阻器 MOS集成电路（IC）

 

通常来说，在产品应用的半导体元器件中，运放、功率器件、光器件、光模块、大规模集成电路、高速器件、射频器件容易受到ESD损伤。

 

对于电子产品及元器件而言，静电造成的可能损害有以下几个方面。

（1）     吸附灰尘，绝缘下降，影响产品的性能及寿命；

（2）     因静电电场造成电磁干扰，导致设备运行过程中断（数据不良、软件错误、校准失误、处理器停止运作）或误动作；

（3）     因静电泄放损伤元器件，影响其正常性能及寿命，甚至完全损坏。

 电子产品的全生命周期过程，甚至从电子元器件制造出品、上线焊装、整机调测、包装运输直至产品应用都处在静电的威胁之下。根据RAC（美国国防部可靠性分析中心）早期的统计，在所有硬件故障中，元器件ESD失效率占15%，而高静电敏感的元器件EOS/ESD失效率高达60%左右。

 

四、静电的另一面

当然，任何事物都具有两面性，静电可能对人们的生产生活造成危害，但是也有不少益处和应用，如人们利用静电技术应用在除尘、印花、喷涂、植绒、分选、淡化海水、喷洒农药、人工降雨、低温冷冻、宇宙飞船加料等工农业生产与生活方面。