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什么是静电放电:ESD基础知识
发布时间:2020-08-14 09:35浏览次数:

静电放电或ESD是日常生活中的事实,近来在电子行业中尤为重要。几年前,当使用热电子阀/真空管时,这不是问题,即使引入晶体管,也很少有人认为这是问题。但是,当引入MOSFET时,其故障率上升了,对此问题进行了调查,结果发现,静电累积足以导致器件中的氧化层失效。从那以后,人们对ESD的认识大大提高,因为它已显示出对许多设备都有影响。实际上,当今许多制造商认为所有组件都是静电敏感的,而不仅仅是最容易损坏的MOS器件。

由于对ESD的重视,电子设备制造商花费了数千英镑来确保其工作场所免受静电的影响。他们确保所制造的产品在制造测试期间不会出现高故障率,并且能够长期显示出高可靠性。

什么是ESD?

静电只是两个表面之间电荷的积累。当表面摩擦在一起时会出现这种情况,这会导致一个表面上的电子过多而另一表面上的电子不足。电荷堆积在其上的表面可被视为电容器。除非电荷具有可流动的路径,否则电荷将保留在原位。由于电荷通常没有真正的流动路径,因此所得电压可能会保留一段时间,这会产生术语“静电”。但是,当确实存在导电路径时,电流将流动并且电荷将减少。有一个与放电有关的时间常数。高电阻意味着较小的电流将流经更长的时间。低电阻将导致更快的放电。

显然,所产生的电压和电流水平取决于多种因素。人的大小,活动水平,放电所针对的物体,当然还有空气的湿度。这些都有明显的作用,因此几乎不可能预测将要发生的放电的确切大小。但是,影响产生的电压的主要因素之一是被摩擦在一起的材料的类型。发现不同的材料给出不同的电压。产生的电压取决于两种材料在摩擦电串联中的位置。

电动摩擦系列

它们在串联中相隔越远,电压越大。在系列中较高的一个将获得正电荷,而在较低系列中的一个将负电荷。查看下面的摩擦电系列列表,可以看到用塑料梳子梳理头发会在头发上带正电荷,并且梳子会带负电。

可以采用多种方式建立费用。即使在地毯上走动,也会产生一些非常大的电压。通常,这可能会产生10 kV的电势。在恶劣的情况下,它甚至可能导致该值变成该值的三倍。即使在乙烯基地板上行走也可能导致产生约5 kV的电势。实际上,表面摩擦在一起的任何形式的运动都会导致静电的产生。使用电子组件在工作台上工作的人很容易产生500 V或更高的静态电势。

ESD的实际例子

在房间中行走时,最常见的产生电荷的例子之一。即使是这种日常事件,也会产生一些令人惊讶的高电压。实际电压取决于各种因素而有很大不同,但是可以给出估计来说明问题的严重程度。

为了说明问题的严重程度,下表中详细介绍了各种实例:

日常操作可能引起的ESD电压
产生电荷的原因
可能产生的电压(KV)*
穿过地毯
30
拿起聚乙烯袋
20
在乙烯基瓷砖的表面上行走
15
在长凳上工作
5

 

这些是近似值,并假设相对湿度最高为25%。由于湿度上升,所以这些水平下降:与75%左右的湿度,静态水平可以下降的一个因素的非常约25以上。所有这些数字都是非常近似的,因为它们非常依赖于特定条件,但是它们为预期的ESD水平提供了一个数量级的指导。

尽管ESD导致的结果看起来很高,但通常不会引起注意。可以感觉到的最小静电放电约为5kV,即使这样,这种放电量也只能在某些情况下感觉到。原因是,即使产生的峰值电流可能很高,它们也只能持续很短的时间,并且由于它们后面的电荷相对较小,因此人体无法检测到它们。来自电子或电气设备的,如此大小的电压(可能提供更多的电流并且持续更长的时间)将产生更大的影响,并且非常危险。

静态转移

静电可以通过多种方式转移到半导体器件,从而导致ESD损坏。最明显的是被带电且导电的物品触摸时。最明显的例子可能发生在半导体在工作台上并且有人走过地板建立电荷然后将其捡起时。然后,带电的手指会非常迅速地将静电荷赋予半导体,并可能造成损坏。工具可能更有害。金属螺丝刀的导电性更高,将更快地释放电荷,从而导致更高水平的峰值电流。

但是,不必触摸组件即可对其造成损坏。塑料杯之类的物品带有很高的电荷,将其中之一放置在IC旁边可以“感应”相反的电荷到IC中。这也可能损坏半导体器件。用人造纤维制成的扎带也会造成ESD危害,因为它们会充电并容易挂在敏感的电子设备附近。

ESD失效机制ESD可以通过多种方式损坏半导体组件。最明显的结果来自极高的静态电压,从而产生高水平的峰值电流,这可能导致局部烧毁。即使电流流过很短的时间,集成电路中微小的特征尺寸也意味着很容易造成损坏。芯片本身中的互连导线或区域可能会被高峰值电流熔断。

ESD可能造成损坏的另一种方式是,高电压电平导致设备本身的组件发生击穿。它可能击穿器件中的氧化层,导致器件无法操作。由于某些IC的尺寸远小于微米,即使电压相对较低也会导致击穿,这也就不足为奇了。

尽管ESD造成的损坏会立即损坏设备,但它们也有可能造成所谓的潜在故障。发生这种情况是因为ESD不会完全破坏设备,但造成的损坏只会使设备变弱,从而有可能在其使用寿命后失效。这些潜在的缺陷通常无法检测到。结果是,可靠性的整体水平大大降低,或者(对于模拟设备更是如此)性能可能下降。由ESD引起的潜在故障的成本可能很高,因为在维修中,维修一项维修的成本要比在工厂修理出故障的维修的成本高得多。原因是维修技术人员通常需要在现场维修该物品,或者需要将其运送到维修机构。

当互连部分被ESD熔断时,可能会导致潜在故障。通常,导体的一部分会被静电破坏,从而使其在以后变得脆弱。损坏芯片的另一种方法是将由损坏引起的材料散布在半导体表面上,这可能会导致替代的导电路径。

由于组件很容易受到ESD损坏的事实,大多数制造商将所有半导体都视为静电敏感器件,因此许多制造商将包括无源组件(如电容器和电阻器)在内的所有器件也视为静电敏感器件。观察这一点时,必须记住,当今大多数批量生产的设备都使用表面安装组件,这些组件的尺寸比传统组件小得多,这使得它们更容易受到ESD的损坏。

静电ESD

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