靜電對(duì)電子產(chǎn)品有哪些影響？
一、引言
ESD（Electrostatic Discharge）即“靜電放電”或稱“靜電泄放”。從事電子產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)和生產(chǎn)工藝的工程師都應(yīng)該要理解和掌握 ESD 的相關(guān)知識(shí)。
隨著科技的發(fā)展，電子產(chǎn)品越來(lái)越要求體積小、輕量化、低功耗、高性能，這就要求集成電路越來(lái)越精細(xì)、越來(lái)越復(fù)雜。而靜電對(duì)集成電路的破壞卻因其越來(lái)越高的集成度而變得更加容易。
二、ESD基本原理
2.1 靜電如何產(chǎn)生
眾所周知，孤立的物體本身是中性的。當(dāng)兩種不同材質(zhì)的物體相互接觸時(shí)，由于各自原子核對(duì)其最外圍的自由電子的吸引力強(qiáng)弱不同，外圍電子就會(huì)轉(zhuǎn)移到引力較大的物體一方。當(dāng)接觸后分離，就會(huì)使其中之一的物體表面帶上更多的負(fù)電荷（-），另一物體表面則呈現(xiàn)帶上正電荷（+）。這種在物體表面處于“相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)”的電荷（在沒(méi)有移動(dòng)通道、即不會(huì)形成電流的時(shí)候），就是“靜電”。
這種通過(guò)接觸分離方式產(chǎn)生靜電的典型例子就是摩擦起電。人體行走、穿脫毛衣、滾輪傳動(dòng)、氣體/液體噴射、撕包裝膠帶、攪拌。。。。。。都會(huì)產(chǎn)生靜電。
另外，當(dāng)導(dǎo)體受到外部電場(chǎng)影響，導(dǎo)體上的自由電子將在電場(chǎng)的作用下發(fā)生定向移動(dòng)，使導(dǎo)體中的電荷重新分布以抵消外部電場(chǎng)的作用，從而在導(dǎo)體兩端“感應(yīng)”出帶正電荷和負(fù)電荷的靜電。
高能輻射、超高溫等極端條件下造成電子溢出也會(huì)產(chǎn)生靜電。
簡(jiǎn)而言之，當(dāng)物體表面出現(xiàn)不平衡電子，由不足或過(guò)剩的電子總量決定了表面電荷量，電子不足則帶正電，電子過(guò)剩則帶負(fù)電。電荷保持在“靜止”狀態(tài)下是安全的（注：這里“靜止”只是形象的說(shuō)法，并非停止運(yùn)動(dòng)）。
在物體表面處于“相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)”的電荷是由于自由電子數(shù)量的不平衡（不足或過(guò)剩）造成的，從而相對(duì)另一物體（或大地、或?qū)w的另一端）產(chǎn)生了一定的靜電電勢(shì)（電位差、電壓）。在日常生產(chǎn)生活中靜電無(wú)處不在，其靜電電壓可以高達(dá)幾千上萬(wàn)伏甚至數(shù)十萬(wàn)伏。通常人體皮膚能感知到靜電時(shí)其電壓在2000~3000V，能聽(tīng)見(jiàn)時(shí)的靜電電壓高達(dá)5000V，能看見(jiàn)時(shí)的靜電電壓高達(dá)10000V以上，例如冬季夜晚脫毛衣時(shí)會(huì)看見(jiàn)火星四濺，伴隨著噼啪的響聲。下表為人體活動(dòng)產(chǎn)生的典型的靜電電壓（V），請(qǐng)注意空氣濕度對(duì)靜電電荷積聚/耗散的影響。
人體活動(dòng) | 靜電電勢(shì)/靜電電壓 | |
（空氣相對(duì)濕度10~20% ） | （空氣相對(duì)濕度65~90%） | |
在地毯上走動(dòng) | 35000 | 1500 |
在聚乙烯地板上走動(dòng) | 12000 | 250 |
在工作臺(tái)上工作 | 6000 | 100 |
拿聚乙烯纖維包 | 7000 | 600 |
從工作臺(tái)拿起聚乙烯襯墊 | 20000 | 1200 |
坐在填有聚氟脂泡膜的椅子上 | 18000 | 15000 |
2.2 靜電放電
當(dāng)這些靜電電荷在不同靜電電勢(shì)的物體或表面之間發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)的過(guò)程，即稱為“靜電放電”或“靜電泄放”。ESD可分為接觸放電和介質(zhì)擊穿放電。冬天用手觸碰水龍頭或金屬門(mén)把手、甚至兩人握手觸碰瞬間感覺(jué)觸電就是一種接觸放電，而雷雨天的閃電則是一種極其強(qiáng)烈的介質(zhì)擊穿放電。
三、ESD的危害
世界范圍內(nèi)因靜電放電導(dǎo)致的重大事故如加油站爆炸、石化廠爆炸、火災(zāi)等不在少數(shù)。更多的對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)備及電子元器件造成的損害卻往往被人們漠不關(guān)心，甚至毫無(wú)覺(jué)察，然而每年由此造成的經(jīng)濟(jì)損失可能高達(dá)上百億美金，不亞于數(shù)萬(wàn)個(gè)加油站爆炸造成的損失。
體積小、功耗低、高性能的集成電路是電子工業(yè)發(fā)展的基本要求。隨著半導(dǎo)體以”摩爾定律”不斷提高的集成度,元器件越來(lái)越精細(xì)復(fù)雜，增厚氧化膜，提高其耐壓性，顯然是行不通的。因此在器件的集成度要求越來(lái)越高的趨勢(shì)下，通常將器件氧化膜做得越來(lái)越薄使其尺寸減少，器件的耐壓也隨之降低，對(duì)靜電也更為敏感脆弱。
半導(dǎo)體器件，特別是集成電路，根據(jù)其種類不同承受靜電耐壓的程度也不一樣。各種工藝類型半導(dǎo)體器件的靜電敏感性列表如下：
器件類型 Device Type | 靜電敏感度（V） Threshold Susceptivity(Volts) |
MOSFET | 10-100 |
VMOS | 30-1800 |
NMOS | 60-100 |
GaAsFET | 60-2000 |
EPROM | 100+ |
CMOS | 200-3000 |
GaAsFET | 25-50 |
JFET | 140-7000 |
SAW | 150-500 |
Op-AMP | 190-2500 |
Schotky Diodes | 300-2500 |
Film Resistors | 300-3000 |
Bipolar Resistors | 300-7000 |
ECL | 500+ |
SCR | 500-1000 |
Schottky TTL | 500-2500 |
SSD（Static Sensitive Device-靜電敏感器件）的分級(jí)方法有多種，根據(jù)國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB1649-93《電子產(chǎn)品防靜電放電控制大綱》的分級(jí)方法。
l 靜電敏感度介于0～1990V的元器件為1級(jí)；
l 介于2000～3999V的元器件為2級(jí)；
l 介于4000～15999V的為3級(jí)；
l 靜電敏感度為16000v或16000v以上的元器件、組件和設(shè)備被認(rèn)為是非靜電敏感產(chǎn)品。
按元器件類型的列出部分SSD的分級(jí)（1級(jí)）如下表（原表17.3）。
級(jí)別和靜電敏感度范圍 | 元器件類型 |
1級(jí) 0 – 1999V | 微波器件（肖特基勢(shì)壘二極管、點(diǎn)接觸、二極管等） 離散型MOSFET器件 聲表面波（SAW）器件 結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)晶體管（JFET） 電耦合器件（CCD） 精密穩(wěn)壓二極管（加載電壓穩(wěn)定度<0.5%） 運(yùn)算放大器（OPAMP） 薄膜電阻器 MOS集成電路（IC） |
通常來(lái)說(shuō)，在產(chǎn)品應(yīng)用的半導(dǎo)體元器件中，運(yùn)放、功率器件、光器件、光模塊、大規(guī)模集成電路、高速器件、射頻器件容易受到ESD損傷。
對(duì)于電子產(chǎn)品及元器件而言，靜電造成的可能損害有以下幾個(gè)方面。
（1） 吸附灰塵，絕緣下降，影響產(chǎn)品的性能及壽命；
（2） 因靜電電場(chǎng)造成電磁干擾，導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中斷（數(shù)據(jù)不良、軟件錯(cuò)誤、校準(zhǔn)失誤、處理器停止運(yùn)作）或誤動(dòng)作；
（3） 因靜電泄放損傷元器件，影響其正常性能及壽命，甚至完全損壞。
電子產(chǎn)品的全生命周期過(guò)程，甚至從電子元器件制造出品、上線焊裝、整機(jī)調(diào)測(cè)、包裝運(yùn)輸直至產(chǎn)品應(yīng)用都處在靜電的威脅之下。根據(jù)RAC（美國(guó)國(guó)防部可靠性分析中心）早期的統(tǒng)計(jì)，在所有硬件故障中，元器件ESD失效率占15%，而高靜電敏感的元器件EOS/ESD失效率高達(dá)60%左右。
四、靜電的另一面
當(dāng)然，任何事物都具有兩面性，靜電可能對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成危害，但是也有不少益處和應(yīng)用，如人們利用靜電技術(shù)應(yīng)用在除塵、印花、噴涂、植絨、分選、淡化海水、噴灑農(nóng)藥、人工降雨、低溫冷凍、宇宙飛船加料等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與生活方面。
