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類型分類：: 科普知識

數據分類：: 靜電放電發生器

靜電放電（ESD）知識介紹

發布日期：2022-08-02 點擊率：188 品牌：組態王_Kingview

1. 定義

靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD）: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。當帶了靜電荷的物體（也就是靜電源）跟其它物體接觸時，這兩個具有不同靜電電位的物體依據電荷中和的原則，存在著電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。這個電量在傳送過程中，將產生具有潛在破壞作用的電壓、電流以及電磁場，嚴重時會將物體擊毀。

2. 特點

2.1 ESD 可形成高電位、強電場、瞬時大電流

大多數情況下 ESD 過程往往會產生瞬時脈沖大電流，尤其是帶電導體或手持小金屬物體的帶電人體對接地導體產生火花放電時，產生的瞬時脈沖電流的強度可達到幾十安培甚至上百安培。

ESD 電流產生的電磁場可以直接穿透設備外殼，或通過孔洞、縫隙、輸入輸出等耦合到敏感電路，如圖所示：

2.2 ESD 過程會產生強烈的電磁脈沖輻射

在 ESD 過程中會產生上升時間極快、持續時間極短的初始大電流脈沖，并產生強烈的電磁輻射形成靜電放電電磁脈沖（ESD Electromagnetic Pulse－ESD EMP），它的電磁能量往往會引起電子系統中敏感部件的損壞、翻轉，使某些裝置中的易爆品誤爆，造成事故。

3. 危害

ESD 對電子設備的危害主要有兩種機理，其一是 ESD 電流直接流過電路造成破壞，另一種是 ESD 電流產生的電磁場通過近場的電容耦合、電感耦合或遠場的空間輻射耦合等途徑對電路造成干擾。

ESD 可能引起易燃易爆物的起火或爆炸，也可能導致半導體器件和集成電路的擊穿或失效。隨著微電子技術的快速發展，特別是隨著集成電路結構尺寸的減小以及 MOS 集成電路的廣泛使用，靜電危害已成為微電子器件的重要破壞源。靜電防護問題越來越被關注，而 ESD 的防護領域也日漸廣泛。

4. 三種模型

3.1 HBM：Human Body Model，人體模型：

該模型表征人體帶電接觸器件放電（人體摩擦產生了電荷突然碰到芯片釋放的電荷導致芯片燒毀擊穿），Rb 為等效人體電阻，Cb 為等效人體電容。等效電路如下圖，同時給出了器件 HBM 模型的 ESD 等級。

下圖為人體 ESD 的等效電路。人體能儲存一定的靜電電量，因此人體明顯地存在電容效應。人體也有電阻，其值依賴于人體肌肉的彈性、水分和接觸電阻等因數。電荷轉移路徑中還存在電感。目前廣泛使用的人體模型測試電路中人體等效電阻和電容分別為1500? 和 100pF。

從電磁兼容的角度來看，ESD 最重要的指標是電流波形特性。來自人體的 ESD 的典型波形如下圖所示。測量結果表明，ESD 波形具有很短的上升時間（<1ns）和很高的起始尖峰。起始尖峰是從手/前臂組合體經由低電感通路放電的結果，電流峰值越大，且人體接近速度越快，脈沖上升斜率越陡。另一方面，人體放電會產生時間長得多的脈沖（其它部位放電結果），持續時間可到數十微秒。因此，這兩種波形組合就反映了包含人體在內的 ESD 特性。

3.2 帶電器件模型

由于器件本身積累靜電而迅速放電造成對電子元器件的損壞，帶電器件模型是基于已帶靜電的器件通過管腳對地放電引起器件失效而建立的。

該模型電路對地放電時，得到的放電電流波形為迅速衰減的正弦波。帶電器件有幾個管腳同時與地接觸時，就有幾個放電通路，圖中分別用不同的 Ri 、Li 、Ci 表示。器件放電時的脈沖峰值功率較高，可達幾百瓦到幾兆瓦，這么大的功率也會改變器件的參數，或使硅熔化造成器件的失效。對于多器件并聯的放電通道模型，當有一個管腳接地時，器件的每條路徑都有自己的放電特性，從而在路徑之間產生電位差，嚴重時可以導致路徑之間的絕緣擊穿。

3.3 電場感應模型

所有的帶電體周圍總是存在電場，當一個器件處于靜電場中時，其內部將感應出電位差。此時，當某一管腳與地相碰時，器件就會對地放電，這種放電模型稱為電場感應模型。將一個 CMOS 器件置于靜電場中時，其柵介質層兩側就會感應出電位差。如果電位差足夠大，就可能使柵氧化層擊穿。

典型的電場感應模型為：當集成電路等器件裝在印制板上緊挨帶電體的表面處時，由于靜電感應使導電材料充電。由于集成電路通過某種方式接地，當電場強度較高時，器件上積累的電荷就會沿此接地路徑放電，造成對 ESD 敏感的集成電路失效。集成電路等器件的 ESD 敏感度不僅取決于電路板和器件的感應電壓，而且還取決于器件對地電容和放電路徑上的電阻。同樣，當設備感應的電壓超過對地擊穿電壓，放電瞬變過程將導致設備受到干擾甚至失效。

一般情況下，靜電場感應出來的電位差不會使器件立刻失效，但由于器件管腳相當于接收天線，引起與管腳相連導電部分的電場發生畸變，導致二氧化硅內部場強增加，此時就有可能引起 MOS 器件的柵極氧化膜被擊穿。

5. 防護

靜電及其危害的機理主要包括靜電產生的強電場，ESD 產生的電弧電流所引起的電位不均，以及電弧電流感應的瞬態電磁場的影響等。

防護措施：

（1）阻止靜電的產生和積累，消除 ESD 源；

（2）隔離導體，阻止放電；

（3）為 ESD 電流提供替換通路，使其旁路；

（4）屏蔽電路，阻止 ESD 產生的電磁干擾耦合到電路或設備；

（5）通過選擇抗靜電級別較高的器件，設計合理的工藝和電路來增強系統的抗干擾性

6. 常見電路應用

串聯電阻：