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靜電放電基礎知識第一部分-ESD簡介

歷史與背景

對于許多人來說，靜電放電（ESD）僅在在地毯上行走或在汽車座椅上滑動后觸摸金屬門把手時才會引起電擊。然而，幾個世紀以來，靜電和ESD一直是一個嚴重的工業問題。早在1400年代，歐洲和加勒比軍事要塞就開始采用靜態控制程序和設備，試圖防止火藥庫因疏忽靜電而引燃。

到1860年代，美國各地的造紙廠都采用了基本的接地，火焰離子化技術和蒸汽鼓，以消散紙幅經過干燥過程時產生的靜電。每個可想象的商業和工業過程都會一次或一次產生靜電充電和放電問題。彈藥，炸藥，石油化工，制藥，農業，印刷和圖形藝術，紡織，繪畫和塑料只是其中靜電控制極為重要的一些行業。電子設備的時代帶來了與靜電和靜電放電相關的新問題。并且，隨著電子設備變得越來越快并且電路越來越小，它們對ESD的敏感性通常會提高。這種趨勢可能正在加速。

ESD協會于2010年4月修訂的“靜電放電（ESD）技術路線圖”包括“隨著設備在2010-2015年及以后變得越來越敏感，企業必須開始對其處理過程的ESD能力進行審查”。如今，ESD幾乎影響了全球電子環境的各個方面的生產率和產品可靠性。印刷和圖形藝術，紡織品，繪畫和塑料只是其中靜電控制極為重要的一些行業。電子設備的時代帶來了與靜電和靜電放電相關的新問題。并且，隨著電子設備變得越來越快并且電路越來越小，它們對ESD的敏感性通常會提高。這種趨勢可能正在加速。

盡管在過去的三十年中付出了巨大的努力，但ESD仍然影響著產量，制造成本，產品質量，產品可靠性和盈利能力。損壞的器件本身的成本范圍從簡單二極管的幾美分到復雜集成電路的數千美元不等。當包括維修和返工，運輸，人工和管理費用的相關費用時，顯然存在顯著改進的機會。如今，涉及電子制造的數千家公司中，幾乎所有公司都關注靜態控制的基本，行業認可的要素。ESD Association行業標準現已發布，以指導制造商建立基本的靜電消除和控制技術（請參閱第六部分-ESD標準）。

靜電：產生電荷

ESD ADV1.0術語表中包含靜電放電術語的定義。靜電荷定義為“靜電荷”。靜電是材料內部或表面上電荷的不平衡。電子的這種不平衡會產生一個可以測量的電場，并且可以影響其他物體。靜電放電（ESD）定義為“由高靜電場引起的靜電荷的快速，自發轉移。注意：通常，電荷在彼此接近時會以不同的靜電勢流過兩個物體之間的火花。” 靜電放電會改變半導體器件的電氣特性，從而使其退化或毀壞。靜電放電也可能會破壞電子系統的正常運行，從而導致設備故障或故障。帶電的表面會吸引并保持污染物，使去除顆粒變得困難。當空氣中的微粒被硅晶片或設備的電路表面吸引時，它們會引起隨機的晶片缺陷并降低產品良率。

控制靜電放電首先要了解靜電電荷的產生方式。靜電電荷通常是通過兩種材料的接觸和分離產生的。這些材料可以相似或不相似，盡管不相似的材料傾向于釋放更高水平的靜電荷。例如，在地板上行走的人在鞋底接觸并與地板表面分離時會產生靜電。電子設備滑入或滑出袋子，雜志或管子時會產生靜電，因為該設備的外殼和金屬引線與容器表面多次接觸和分離。盡管在這些示例中靜電荷的大小可能不同，但實際上在每種情況下都會形成靜電。

通過材料的接觸和分離產生靜電荷被稱為“摩擦帶電”。單詞“摩擦”來自希臘字，  摩擦  -意思是“蹭”和  elektros  -意為“琥珀色”（從史前化石樹樹脂）。它涉及電子在材料之間的轉移。沒有靜電荷的材料的原子在原子核中具有相等數量的正（+）質子，在原子核中具有負電子（-）。在圖1中，材料“ A”由具有相等數量的質子和電子的原子組成。材料B還由質子和電子數量相同（盡管可能不同）的原子組成。兩種材料都是電中性的。

當兩種材料接觸放置然后分開時，帶負電的電子從一種材料的表面轉移到另一種材料的表面。哪種材料失去電子，哪種材料獲得電子將取決于兩種材料的性質。失去電子的材料帶正電，而獲得電子的材料帶負電。如圖2所示。

靜電以庫侖為單位。物體上的電荷“ q ”由物體“ C ” 的電容與物體上的電壓（V）的乘積確定：q = CV通常，我們說物體上的靜電勢，表示為電壓。

材料接觸，電子轉移和分離的過程是比此處描述的機制復雜得多的機制。摩擦生電產生的電荷量受接觸面積，分離速度，相對濕度，材料的化學性質，表面功函數和其他因素的影響。一旦在材料上產生電荷，電荷就會變成靜電荷（如果殘留在材料上）。該電荷可能從材料轉移，從而產生靜電放電或ESD事件。諸如實際放電電路的電阻以及接觸表面之間的界面處的接觸電阻之類的其他因素也會影響釋放的實際電荷。表1列出了典型的電荷產生方案及其產生的電壓電平。此外，還顯示了濕度對減少電荷積累的貢獻。但是應注意，即使在較高的相對濕度下仍會產生靜電荷。

電荷也可以通過其他方式在材料上生成電荷，例如通過感應，離子轟擊或與其他帶電物體接觸。然而，摩擦帶電是常見的。

材料特性如何影響靜電荷

摩擦電系列

當兩種材料接觸并分開時，電荷的極性和大小由材料在摩擦電系列中的位置表示。摩擦電序表顯示了如何在各種材料上產生電荷。當兩種物質接觸并分開時，一種接近系列頂部的物質帶正電荷，另一種物質帶負電荷。桌子上相距較遠的材料通常比相距較近的材料產生更高的電荷。但是，這些表僅應用作一般指南，因為其中涉及許多變量，因此無法很好地控制以確保可重復性。表2顯示了典型的摩擦電系列。

幾乎所有材料，包括空氣中的水和灰塵顆粒，都可以通過摩擦帶電。材料的物理，化學和電學特性會產生多少電荷，電荷流向何處以及有多快。絕緣材料

阻止或限制電子通過其表面或通過其體積流動的材料稱為絕緣體。絕緣體具有極高的電阻，絕緣材料定義為“表面電阻或體積電阻等于或大于1×1011歐姆的材料”。絕緣體表面會產生大量電荷。由于絕緣材料不容易讓電子流動，因此，盡管位于不同的位置，正電荷和負電荷也可以同時駐留在絕緣表面上。帶負電的斑點上的多余電子可能足以滿足帶正電的斑點上沒有電子的情況。但是，電子不能輕易地流過絕緣材料的表面，

導電材料

導電材料由于具有低電阻，因此使電子易于在其表面或體積中流動。導電材料的電阻很低，每個詞匯表ESD ADV1.0均小于1×104歐姆（表面電阻）和1×104歐姆（體積電阻）。當導電材料帶電時，電荷（即電子的不足或過量）將均勻地分布在材料的整個表面上。如果帶電的導電材料與另一種導電材料接觸，電子將非常容易在材料之間共享。如果將第二根導線連接到交流設備的地面或任何其他接地點，電子將流到地面，并且導線上的多余電荷將被中和。

靜電可以在導體上產生摩擦電荷，就像在絕緣體上產生靜電一樣。只要導體與其他導體或地面隔離，靜電荷將保留在導體上。如果導體接地，電荷將很容易接地。或者，如果已充電的導體接觸另一個導體，則電荷將在兩個導體之間流動。

靜電耗散材料

靜電耗散材料的電阻介于絕緣材料和導電材料之間（表面電阻或體積電阻為1×104 <1×1011歐姆）。電子可以流過或流過耗散材料，但受材料的表面電阻或體積電阻控制。

與其他兩種類型的材料一樣，電荷可以在靜電耗散材料上通過摩擦電產生。然而，像導電材料一樣，靜電耗散材料將允許電荷轉移到地面或其他導電物體上。從靜電耗散材料中轉移電荷通常要比從等效尺寸的導電材料中轉移更長的時間。靜電耗散材料的電荷轉移比絕緣子快得多，但比導電材料慢。

靜電場

帶電材料還具有靜電場和與其相關的力線。帶入該電場附近的導電物體將通過稱為感應的過程進行極化。圖3。負電場將排斥導電物體暴露于電場的表面上的電子。正電場會將電子吸引到表面附近，從而使其他區域帶正電。極化上不會發生實際電荷變化。但是，如果物品是導電的或耗散的，并且在極化時接地，則電荷會由于電荷的不平衡而從地流到地。如果去除了靜電場并且斷開了接地觸點，則電荷將保留在物品上。如果將非導電物體帶入電場，電偶極子將傾向于與電場對準，從而產生明顯的表面電荷。非導體（絕緣材料）不能通過感應充電。

ESD損壞-設備如何失敗

靜電損壞定義為“由于靜電放電導致物品無法滿足一個或多個指定參數而引起的變化。” 從制造到現場服務都可能發生。通常，由于在不受控制的環境中使用設備或使用不良的ESD控制做法而導致損壞。通常，損壞被分類為災難性故障或潛在缺陷。災難性故障

當電子設備暴露于ESD事件時，它可能不再起作用。ESD事件可能導致金屬熔化，結擊穿或氧化物故障。設備的電路受到永久性損壞，導致設備完全或至少部分停止運行。通常在發貨前對設備進行測試即可檢測到此類故障。如果在測試后發生破壞性的ESD事件，則該零件可能會投入生產，并且直到設備在最終測試中失敗之前，損壞都不會被發現。

潛在缺陷

根據ESD ADV1.0的規定，潛在故障是“在正常運行一段時間后發生的故障。該故障可能歸因于較早的靜電放電事件。潛在故障的概念是有爭議的，并沒有被技術界的所有人完全接受。” 潛在缺陷很難識別。暴露于ESD事件的設備可能會部分退化，但仍會繼續執行其預期功能。但是，設備的使用壽命可能會縮短。用戶將其投入使用后，包含潛在缺陷設備的產品或系統可能會過早失效。此類故障的修復成本通常很高，在某些應用中可能會造成人員傷害。

使用適當的設備來確認設備遭受了災難性故障是相對容易的。基本性能測試將證明設備損壞。但是，使用現有技術很難證明或檢測潛在缺陷，尤其是在將器件組裝成最終產品之后。

基本的ESD事件-是什么原因導致電子設備發生故障？

ESD損壞通常是由以下三種事件之一引起的：直接對設備的靜電放電，設備的靜電放電或場致放電。ESD事件是否會對ESD敏感物品（ESDS）造成損壞，取決于設備耗散放電能量或承受相關電壓電平的能力。設備發生故障的級別稱為設備的ESD敏感性或ESD敏感性。

排放到設備

當任何帶電導體（包括人體）放電到物品上時，都會發生ESD事件。靜電損壞的原因可能是靜電電荷從人體或帶電材料直接轉移到ESDS。當一個人走過地板時，人體上會積聚靜電。手指與通常處于不同電勢的ESDS或組件的引線簡單接觸（或緊密接近）會導致身體放電，從而可能導致ESD損壞。用于模擬此事件的模型是人體模型（HBM）。帶電的導電物體（例如金屬工具或固定裝置）可能發生類似的放電。從放電的性質來看，用于描述此事件的模型稱為機器模型（MM）。

從設備放電

電荷從ESDS轉移到導體也是ESD事件。通過與包裝材料，工作表面或機器表面進行處理或接觸和分離，靜電可能會積聚在ESDS本身上。當設備在表面上移動或在包裝中振動時，通常會發生這種情況。用于模擬來自ESDS的電荷轉移的模型稱為充電設備模型（CDM）。所涉及的電容，能量和電流波形完全不同于放電至ESD敏感物體的電流，波形和波形，因此很可能導致不同的故障模式。

自動化組裝的趨勢似乎解決了HBM ESD事件的問題。然而，已經表明，當通過自動化設備組裝時，組件可能對損壞更敏感。設備可能會因例如滑下進紙器而帶電。如果它隨后接觸插入頭或任何其他導電表面，則會從設備到金屬物體發生快速放電。

場致放電

可以直接或間接損壞設備的另一種靜電充電過程稱為場感應。如前所述，每當任何物體帶靜電時，就會有與該電荷相關的靜電場。如果將ESDS放在該靜電場中，則可能會在物品上感應出電荷。如果物品隨后在靜電場內接地，則設備的電荷轉移會作為CDM事件發生。如果將物品從靜電場區域移開并再次接地，則將發生第二次CDM事件，因為電荷（與第一次事件的極性相反）從設備轉移了。

需要多少靜電保護？

ESD事件對ESDS的損害取決于器件耗散放電能量或承受所涉及電壓電平的能力-如前所述，這些因素決定了部件ESD的敏感性或敏感性。基于ESD事件模型的測試程序有助于定義組件對ESD的敏感性。盡管眾所周知，測試程序中的放電與實際的ESD事件之間幾乎沒有直接的關聯，但是定義電子組件的ESD靈敏度可以為確定所需的ESD控制保護程度提供一些指導。本系列的第五部分將介紹這些過程以及更多內容。

ESD耐受電壓是“不會導致設備故障的最高電壓；該設備可以通過所有經過測試的較低電壓。” 在相對較低的電壓水平下，許多電子組件對ESD敏感或敏感。許多設備的電壓低于100伏，并且許多磁盤驅動器組件的電壓甚至低于10伏。產品設計和開發的當前趨勢是在這些微型設備上增加了更多的電路，從而進一步提高了它們對ESD的敏感性，并使潛在問題更加嚴重。表3列出了各種類型組件的ESD敏感性。

摘要

在本“ ESD簡介”中，我們討論了靜電充電和放電，電荷產生的機制，材料，ESD損壞的類型，ESD事件和ESD敏感性。我們可以將討論總結如下：

1、幾乎所有材料，甚至導體，都可以帶電摩擦。

2、電荷量受材料類型，接觸和分離速度，濕度以及其他幾個因素的影響。

3、帶電物體具有靜電場。

4、靜電放電會損壞設備，因此參數會立即失效，或者ESD損壞可能是潛在的缺陷，可能無法立即檢測到，但可能導致設備過早失效。

5、靜電放電可能會在整個制造，測試，運輸，處理或操作過程中以及現場服務操作過程中發生。

6、由于設備放電，設備放電或靜電場導致的電荷轉移，均可能導致ESD損壞。器件對ESD的敏感性或敏感性差異很大。

要保護產品免受ESD損害的影響，首先要了解靜電電荷和放電的這些關鍵概念。有效的ESD控制程序需要有效的培訓程序，所有相關人員都應了解關鍵概念。有關ESD控制的基本概念，請參見第二部分。

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