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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(lǐng)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(nèi)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(dǎo)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(dǎo)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(zhì)擊穿、PN結(jié)擊穿。

2、功能退化失效

功能退化會導(dǎo)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(dǎo)體公司對芯片（IC）產(chǎn)品的失效原因的調(diào)查數(shù)據(jù)如下圖所示，結(jié)果表明：因靜電放電或電氣過應(yīng)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(dǎo)體芯片（IC）制造和電子硬件設(shè)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(zhuǎn)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(dǎo)；感應(yīng)；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(zhì)接觸分離都會產(chǎn)生靜電；

2、摩擦帶電

摩擦可以看作反復(fù)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(shè)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(shè)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(zhì)原有的電荷平衡被打破，兩邊帶上相反的電荷；同種物質(zhì)的剝離和不同物質(zhì)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(dǎo)帶電

一個不帶電的物體接觸帶電的物體會通過傳導(dǎo)帶上相同的電荷；

6、感應(yīng)帶電

帶電體產(chǎn)生電場，電場中的導(dǎo)體因電荷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)移或轉(zhuǎn)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(guān)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(zhì)）才有電荷轉(zhuǎn)移或靜電放電（ESD）放電現(xiàn)象，在沒有接觸到介質(zhì)之前，其實已經(jīng)將空氣擊穿了，空氣成為一種導(dǎo)體，將能量傳導(dǎo)了將要接觸的地方，當(dāng)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(yīng)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(dǎo)致測試結(jié)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(biāo)準(zhǔn)，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(nèi)電壓不能衰減5%，否則它就不符合靜電放電（ESD）放電標(biāo)準(zhǔn)。

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(dǎo)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?？傮w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(yuǎn)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(jié)構(gòu)十分復(fù)雜；遠(yuǎn)場中，電場和磁場與放電電流和時間的變化率有關(guān)，遠(yuǎn)場是以輻射為主，其大小隨距離增大而減小。近場和遠(yuǎn)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(dǎo)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(chǔ)知識分享

以下就是本章節(jié)要跟大家分享的關(guān)于靜電放電（ESD）的基礎(chǔ)知識內(nèi)容，如有感興趣的朋友，可以一起交流學(xué)習(xí)：

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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(zhuǎn)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(biāo)準(zhǔn)(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(zhì)量好的芯片，都需要有相應(yīng)的靜電放電（ESD）防護設(shè)計，芯片級ESD模型主要研究ESD防護設(shè)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(biāo)準(zhǔn)(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(zhì)量好的電子產(chǎn)品，除了內(nèi)部芯片需要有相應(yīng)的靜電放電（ESD）防護設(shè)計外，芯片外部還需要并聯(lián)相應(yīng)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(dǎo)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(zhuǎn)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(fēng)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(chǔ)、應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，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(yuǎn)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(shè)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(nèi)部金屬導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，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(dǎo)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(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)，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(yù)設(shè)的阻抗或電阻載體與測試器件相連，進行放電測試。通過調(diào)整電阻載體的參數(shù)，模擬各種放電條件，驗證設(shè)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(gòu)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(yīng)，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(yīng)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(shè)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(shè)備在人為靜電放電（ESD）事件下的抗干擾能力?。

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

連接模擬的設(shè)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(diào)整設(shè)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(xué)建模和仿真技術(shù)，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(yīng)，優(yōu)化設(shè)計以提高其抗靜電放電（ESD）能力?。

這些測試方法各有側(cè)重，綜合使用可以全面評估電子設(shè)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(dǎo)體行業(yè)構(gòu)成了嚴(yán)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(dǎo)致設(shè)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(shù)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(shù)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(yán)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(dāng)?shù)姆雷o措施，對于保障產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性至關(guān)重要。

八、靜電放電（ESD）的意義

1、確?？煽啃?

驗證電子設(shè)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(zhì)量。

3、符合標(biāo)準(zhǔn)?

確保產(chǎn)品滿足國際靜電放電（ESD）標(biāo)準(zhǔn)，順利進入市場。

4、降低成本?

減少因靜電損壞導(dǎo)致的維修和維護費用。

5、保障安全?

提升設(shè)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(shè)備更可靠、更安全、更耐用。

九、靜電放電（ESD）的防護措施

1、設(shè)計階段

在產(chǎn)品設(shè)計階段，工程師應(yīng)考慮靜電防護，選擇適當(dāng)?shù)牟牧虾徒Y(jié)構(gòu)，以降低靜電積累的風(fēng)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(dāng)?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(shè)備可以有效降低靜電的影響。

3、人員培訓(xùn)

對操作人員進行靜電防護培訓(xùn)，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(dāng)?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(jié)果，及時調(diào)整和改進設(shè)計和生產(chǎn)流程，確保產(chǎn)品在市場上的可靠性。

十、總結(jié)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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