一、 靜電的基本概念

1、 什么是靜電：

靜電（Electrostatic）就是物體表面過剩和不足的靜止電荷，靜電是一種電能，它留存與物體表面；靜電是正電荷和負電荷在局部范圍內(nèi)失去平衡的結(jié)果；靜電是通過電子和離子的轉(zhuǎn)移而形成的。

2、靜電放電（ESD Electrostatic Disge）：

帶有不同靜電電勢的物體或表面之間的靜電電荷轉(zhuǎn)移。有兩種形式：接觸放電，電場擊穿放電。

3、 關(guān)于靜電放電名詞：

1) 靜電敏感度(ESDS Electrostatic Disge Sensitivity)

2) 靜電敏感器件(ESSD Electrostatic Sensitive Devices)

3) EPA:ESD Protect Area(ESD防護區(qū)域)

4) ECA:ESD Control Area(ESD控制區(qū)域)

4、 靜電存在方式：

靜電依附于物體（氣、液、固體）而存在。如果物體帶有過剩的電荷則成為帶電體。物體間的電荷轉(zhuǎn)移過程就是起電過程。

5、靜電產(chǎn)生方式：

靜電產(chǎn)生的方式很多，接觸、摩擦、沖流、冷凍、電解、壓電、溫差等都可以產(chǎn)生靜電。但基本過程可歸納為：接觸--》電荷轉(zhuǎn)移 --》偶電層的形成 --》電荷分離

6、靜電產(chǎn)生大小關(guān)系：

靜電的產(chǎn)生及其大小與環(huán)境濕度和空氣中的離子濃度有密切的關(guān)系。在高濕度環(huán)境中由于物體表面吸附有一定數(shù)量雜質(zhì)離子的水分子，形成弱導電的濕氣薄層，提高了絕緣體的表面電導率，可將靜電荷散逸到整個材料的表面，從而使靜電勢降低。所以，在相對濕度高的場合，如海洋性氣候地區(qū)(如我國的東南沿海地區(qū))或潮濕的梅雨季節(jié)，靜電勢較低。在相對濕度低的場合，如大陸性氣候地區(qū)(如我國的北方地區(qū))或干燥的冬季，靜電勢就高。與普通場所相比，在空氣純凈的場所(如超凈車間)內(nèi)，因空氣中的離子濃度低，所以靜電更加容易產(chǎn)生

7、 靜電放電的三種方式 ：

1) 帶電人體的放電方式(HBM) 由于人體會與各種物體間發(fā)生接觸和磨擦，又與元器件接觸，所以人體易帶靜電，也容易對元器件造成靜電損傷。普遍認為大部分元器件靜電損傷是由人體靜電造成的。

2) 帶電機器的放電方式（MM） 機器因為摩擦或感應(yīng)也會帶電。帶電機器通過電子元器件放電也會造成損傷。這類就叫做：機器放電的模型（Machine Model）

3) 充電器件的放電模型 （CDM）在元器件裝配、傳遞、試驗、測試、運輸和儲存的過程中由于殼體與其它材料磨擦，殼體會帶靜電。一旦元器件引出腿接地時，殼體將通過芯體和引出腿對地放電。這種形式的放電可用所謂帶電器件模型(ged-Device Model，CDM)來描述

二、 靜電危害：

當某些電介質(zhì)、導體帶上靜電荷后，盡管所帶電荷量不多，但由于自身對大地分布電容非常小，使得靜電電位較高。當垂直于帶電物體表面的靜電電位達到2000伏時，就會向空氣放電。

1、 在日常生活中的ESD現(xiàn)象：

我們都親身經(jīng)歷過。譬如，在冬季一間溫暖的房間里，走在覆蓋地毯的地面時，當你伸手接觸門的把手時，就會有電擊的感覺；脫下合成纖維衣服時產(chǎn)生噼啪聲，夜間還可以看到火花（空氣的擊穿場強為30kv/cm）；天氣干燥時，用塑料梳子梳頭時會產(chǎn)生放電聲。對于人體而言，這種靜電的突然放電不會造成任何傷害；可是，對于ESDS（靜電放電敏感器件）器件，靜電放電就可能損害電子器件。ESD對電子器件的損害是人體覺察不到的，具有隱蔽性，需通過儀器才能檢測出

2、電子器件的靜電放電：

電子器件發(fā)生ESD事件，主要是各種靜電源（人體、工作臺等）對電子器件放電所致。在集成電路（integrated circuit）工業(yè)中，靜電放電可以使集成電路芯片介質(zhì)擊穿，芯線熔斷、漏電流增大加速老化、電性能參數(shù)改變等等。靜電放電對電子器件損害具有潛在和緩慢失效性，這種情況危害更大。通常，ESDS（靜電放電敏感器件）器件易發(fā)生靜電放電，所以，受ESD的危害更大。大多數(shù)電子器件采用對靜電極為敏感的MOS工藝制作，無論從器件的發(fā)展還是器件的應(yīng)用出發(fā)，為了防止ESD對電子器件的危害，有必要對電子器件受靜電危害的機理以及相應(yīng)的防護措施進行探討。闡明電子器件ESD產(chǎn)生的原因，并對IC的ESD保護提供指導。

3、 靜電具有以下特性：

1) 隱蔽性 ：除非發(fā)生靜電放電，人體不能直接感知靜電，但發(fā)生靜電放電人體也不一定能有電擊的感覺，這是因為人體感知的靜電放電電壓為2~3kv，所以靜電具有隱蔽性。

2) 潛在性 ：有些會受到靜電損傷后的性能沒有明顯的下降，但多次累加放電會給IC器件造成內(nèi)傷而形成隱患。因此靜電對IC的損傷具有潛在性。

3) 隨機性 ：IC什么情況下會遭受靜電破壞呢?可以這么說，從一個IC芯片產(chǎn)生以后一直到它損壞以前，所有的過程都受到靜電的威脅，而這些靜電的產(chǎn)生也具有隨機性，其損壞也具有隨機性

4) 復雜性 ：靜電放電損傷的失效分析工作，因微電子IC產(chǎn)品的精、細、微小的結(jié)構(gòu)特點而費時、費事、費財，要求較高的技術(shù)并往往需要使用高度精密儀器，即使如此，有些靜電損傷現(xiàn)象也難以與其它原因造成的損傷加以區(qū)別；使人誤把靜電放電損傷的失效當作其它失效，這在對靜電放電損害未充分認識之前，常常歸因于早期失效或情況不明的失效，從而不自覺地掩蓋了失效的真正原因。所以分析靜電對IC的損傷具有復雜性。

4、 ESD對電子器件侵害方式

1) 靜電源直接對電子器件放電

ESD事件常常發(fā)生在帶電導體（包括人體）對ESDS的放電過程中。一般的靜電危害是人體或帶電導體直接對ESDS放電造成。

2) 帶電器件對其他導體的靜電放電

當靜電放電敏感器件在操作過程中，或者與包裝材料、機器表面接觸后，就會積累靜電荷。當器件在包裝盒移動或震動時就會發(fā)生靜電放電。這種放電情況，涉及的電容和能量不同于人體對ESDS器件的放電情況。在某些情況下，CDM事件比HBN事件所造成的危害更大。

3) 電場感應(yīng)放電

感應(yīng)場可以直接或間接對地造成危害。因為任何帶電體周圍都存在靜電場。如果ESDS器件進入靜電場范圍，就會因為感應(yīng)而帶電。如果器件在電場區(qū)域內(nèi)接地，電荷轉(zhuǎn)移到地的過程稱為CDM事件。

人體帶電電壓

電沖擊程度

備注

1,000 [V]

幾乎感覺不到.

微小的放電聲音發(fā)生

看到發(fā)光

手指頭放電發(fā)光.

2,000 [V]

用手指頭接觸稍微感覺到.

2,500 [V]

放電部分感覺被針扎到

3,000 [V]

感覺稍微疼，感覺到被針扎的感覺

4,000 [V]

感覺是手指頭被針扎的比較深.

5,000 [V]

手心和手腕也感覺到電沖擊

6,000 [V]

手指頭及胳膊感覺到很強的電沖擊。

7,000 [V]

手指頭，手心感覺到很強的疼痛及麻痹的感覺

8,000 [V]

手心到手腕感到麻痹

9,000 [V]

手腕和胳膊感覺到疼痛和感到麻痹.

10,000 [V]

手全部疼痛和感覺到通電。

11,000 [V]

手指頭感到麻痹和手受到強的電沖擊

12,000 [V]

因受很強的沖擊全身感到疼痛.

5、靜電損傷的兩種失效形式

1) 硬損傷：又稱“突發(fā)性完全失效”、“一次性損壞”，約占10%。表現(xiàn)為器件電參數(shù)突然劣化，失去原有功能。主要原因是靜電放電造成過壓使得介質(zhì)被擊穿，或過流使得內(nèi)部電路金屬導線熔斷、硅片局部融化等。硬損傷可通過常規(guī)的性能測試手段及時發(fā)現(xiàn)，相對軟失效而言危害要小得多。

2) 軟損傷：又稱“潛在性緩慢失效”、“多次損傷累積后失效”，約占90%。受到軟損傷的器件，雖然當時各類電參數(shù)仍合格，然而其使用壽命卻大大縮短了。含有這些器件的產(chǎn)品或系統(tǒng)，可靠性變差，可能會在后續(xù)過程中（直至最終用戶）繼續(xù)遭受ESD軟損傷或其它過應(yīng)力損傷積累而過早地失效。由于軟損傷是潛在的，運用目前的技術(shù)還很難證明或檢測出來，特別是器件被裝入整機產(chǎn)品之后，因此具有更大的危害性。這些產(chǎn)品流入市場后的維護成本和造成的其它損失，將比在生產(chǎn)中發(fā)生的直接損失要放大幾十甚至上百倍！多數(shù)未采取保護措施的元器件靜電放電敏感度都是很低，很多在幾百伏的范圍，如MOS單管在100-200V之間，而且這些單管是不能增加保護電路的；一些電路尤其是CMOS IC采取了靜電保護設(shè)計，雖然明顯的提高抗ESD水平，但大多數(shù)也只能達到2000－4000V，而在實際環(huán)境中產(chǎn)生的靜電電壓則可能達到上萬伏。因此，沒有防護的元器件很容易受到靜電損傷。隨著元器件尺寸的越來減小，這種損傷就會越來越多。所以，絕大多數(shù)元器件是靜電敏感器件，需要在制造、運輸和使用過程中采取防靜電保護措施。列出一些沒有靜電保護設(shè)計器件的靜電放電敏感度。

器件類型

實例

靜電敏感度(單位kV)

MOSFET

3CO、3DO系列

0.1-0.2

JFET

3CT系列

0.14-1.0

GaAs FET

0.1-0.3

CMOS

CO00、CD400系列

0.25-2.0

HMOS

6800系列

0.05-0.5

E/D MOS

Z80系列

0.2-1.0

VMOS

0.03-1.8

ECL電路

EOOO系列

0.3-2.5

SCL(可控硅)

0.68-1.0

S-TTL

54S、74S系列

0.3-2.5

DTL

7400、5400系列

0.38-7.0

石英及壓電晶體

<10.0

三、 靜電防護

1、ESD控制的基本原則

1) 做好ESD防護設(shè)計：器件選型、合理布線、設(shè)計保護電路等。

2) 消除和減少靜電的產(chǎn)生：減少或消除靜電產(chǎn)生的過程、維持過程和材料處于等電勢等。

3) 使靜電荷瀉放與中和：使用靜電導體、接地、電離器來瀉放與中和靜電。

4) 保護產(chǎn)品免遭ESD傷害：使用防靜電材料包裝和儲運。

2、防靜電區(qū)設(shè)計原則

1) 抑制靜電荷的積累和靜電壓的產(chǎn)生。如設(shè)備、儀器、工裝不使用塑料、有機玻璃、普通塑料袋。

2) 安全、迅速、有效地消除已產(chǎn)生的靜電荷，使用有繩防靜電腕帶、防靜電椅、防靜電周轉(zhuǎn)車、防靜電周轉(zhuǎn)箱。

3) 保證靜電壓小于100V。

3、防靜電系統(tǒng)要素

1) 地面：防靜電地面（防靜電水磨石，防靜電地板）體電阻105～109Ω，敷設(shè)地線網(wǎng)。

2) 工位：（見附圖）

3) 接地：

Ø 防靜電工作區(qū)必須有安全可靠的防靜電接地裝置，地電阻小于4Ω。防靜電地線不得與電源零線相接，不得與防雷地線共用，使用三相五線制供電時，其地線可以作防靜電地線。

Ø 工作臺面、地墊