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静电基础知识

一、 静电的基本概念
1、 什么是静电：
静电（Electrostatic）就是物体表面过剩和不足的静止电荷，静电是一种电能，它留存与物体表面；静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果；静电是通过电子和离子的转移而形成的。
2、 静电放电（ESD Electrostatic Discharge）：
带有不同静电电势的物体或表面之间的静电电荷转移。有两种形式：接触放电，电场击穿放电。
3、 关于静电放电名词：
1) 静电敏感度(ESDS Electrostatic Discharge Sensitivity)
2) 静电敏感器件(ESSD Electrostatic Sensitive Devices)
3) EPA:ESD Protect Area(ESD防护区域)
4) ECA:ESD Control Area(ESD控制区域)
4、 静电存在方式：
静电依附于物体（气、液、固体）而存在。如果物体带有过剩的电荷则成为带电体。物体间的电荷转移过程就是起电过程。
5、 静电产生方式：
静电产生的方式很多，接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等都可以产生静电。但基本过程可归纳为：接触--》电荷转移 --》偶电层的形成 --》电荷分离
6、 静电产生大小关系：
静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系。在高湿度环境中由于物体表面吸附有一定数量杂质离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面电导率，可将静电荷散逸到整个材料的表面，从而使静电势降低。所以，在相对湿度高的场合，如海洋性气候地区(如我国的东南沿海地区)或潮湿的梅雨季节，静电势较低。在相对湿度低的场合，如大陆性气候地区(如我国的北方地区)或干燥的冬季，静电势就高。与普通场所相比，在空气纯净的场所(如超净车间)内，因空气中的离子浓度低，所以静电更加容易产生
7、 静电放电的三种方式 ：
1) 带电人体的放电方式(HBM) 由于人体会与各种物体间发生接触和磨擦，又与元器件接触，所以人体易带静电，也容易对元器件造成静电损伤。普遍认为大部分元器件静电损伤是由人体静电造成的。
2) 带电机器的放电方式（MM） 机器因为摩擦或感应也会带电。带电机器通过电子元器件放电也会造成损伤。这类就叫做：机器放电的模型（Machine Model）
3) 充电器件的放电模型 （CDM）在元器件装配、传递、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电。一旦元器件引出腿接地时，壳体将通过芯体和引出腿对地放电。这种形式的放电可用所谓带电器件模型(Charged-Device Model，CDM)来描述
二、 静电危害：
当某些电介质、导体带上静电荷后，尽管所带电荷量不多，但由于自身对大地分布电容非常小，使得静电电位较高。当垂直于带电物体表面的静电电位达到2000伏时，就会向空气放电。
1、 在日常生活中的ESD现象：
我们都亲身经历过。譬如，在冬季一间温暖的房间里，走在覆盖地毯的地面时，当你伸手接触门的把手时，就会有电击的感觉；脱下合成纤维衣服时产生噼啪声，夜间还可以看到火花（空气的击穿场强为30kv/cm）；天气干燥时，用塑料梳子梳头时会产生放电声。对于人体而言，这种静电的突然放电不会造成任何伤害；可是，对于ESDS（静电放电敏感器件）器件，静电放电就可能损害电子器件。ESD对电子器件的损害是人体觉察不到的，具有隐蔽性，需通过仪器才能检测出
2、 电子器件的静电放电：
电子器件发生ESD事件，主要是各种静电源（人体、工作台等）对电子器件放电所致。在集成电路（integrated circuit）工业中，静电放电可以使集成电路芯片介质击穿，芯线熔断、漏电流增大加速老化、电性能参数改变等等。静电放电对电子器件损害具有潜在和缓慢失效性，这种情况危害更大。通常，ESDS（静电放电敏感器件）器件易发生静电放电，所以，受ESD的危害更大。大多数电子器件采用对静电极为敏感的MOS工艺制作，无论从器件的发展还是器件的应用出发，为了防止ESD对电子器件的危害，有必要对电子器件受静电危害的机理以及相应的防护措施进行探讨。阐明电子器件ESD产生的原因，并对IC的ESD保护提供指导。
3、 静电具有以下特性：
1) 隐蔽性 ：除非发生静电放电，人体不能直接感知静电，但发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉，这是因为人体感知的静电放电电压为2~3kv，所以静电具有隐蔽性。
2) 潜在性 ：有些会受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电会给IC器件造成内伤而形成隐患。因此静电对IC的损伤具有潜在性。
3) 随机性 ：IC什么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个IC芯片产生以后一直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机性，其损坏也具有随机性
4) 复杂性 ：静电放电损伤的失效分析工作，因微电子IC产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费财，要求较高的技术并往往需要使用高度精密仪器，即使如此，有些静电损伤现象也难以与其它原因造成的损伤加以区别；使人误把静电放电损伤的失效当作其它失效，这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以分析静电对IC的损伤具有复杂性。
4、 ESD对电子器件侵害方式
1) 静电源直接对电子器件放电
ESD事件常常发生在带电导体（包括人体）对ESDS的放电过程中。一般的静电危害是人体或带电导体直接对ESDS放电造成。
2) 带电器件对其他导体的静电放电
当静电放电敏感器件在操作过程中，或者与包装材料、机器表面接触后，就会积累静电荷。当器件在包装盒移动或震动时就会发生静电放电。这种放电情况，涉及的电容和能量不同于人体对ESDS器件的放电情况。在某些情况下，CDM事件比HBN事件所造成的危害更大。
3) 电场感应放电
感应场可以直接或间接对地造成危害。因为任何带电体周围都存在静电场。如果ESDS器件进入静电场范围，就会因为感应而带电。如果器件在电场区域内接地，电荷转移到地的过程称为CDM事件。

人体带电电压
电冲击程度
备注
1,000 [V]
几乎感觉不到.
微小的放电声音发生

看到发光
手指头放电发光.

2,000 [V]
用手指头接触稍微感觉到.
2,500 [V]
放电部分感觉被针扎到
3,000 [V]
感觉稍微疼，感觉到被针扎的感觉
4,000 [V]
感觉是手指头被针扎的比较深.
5,000 [V]
手心和手腕也感觉到电冲击
6,000 [V]
手指头及胳膊感觉到很强的电冲击。
7,000 [V]
手指头，手心感觉到很强的疼痛及麻痹的感觉
8,000 [V]
手心到手腕感到麻痹
9,000 [V]
手腕和胳膊感觉到疼痛和感到麻痹.
10,000 [V]
手全部疼痛和感觉到通电。
11,000 [V]
手指头感到麻痹和手受到强的电冲击
12,000 [V]
因受很强的冲击全身感到疼痛.
5、 静电损伤的两种失效形式
1) 硬损伤：又称“突发性完全失效”、“一次性损坏”，约占10%。表现为器件电参数突然劣化，失去原有功能。主要原因是静电放电造成过压使得介质被击穿，或过流使得内部电路金属导线熔断、硅片局部融化等。硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现，相对软失效而言危害要小得多。
2) 软损伤：又称“潜在性缓慢失效”、“多次损伤累积后失效”，约占90%。受到软损伤的器件，虽然当时各类电参数仍合格，然而其使用寿命却大大缩短了。含有这些器件的产品或系统，可靠性变差，可能会在后续过程中（直至最终用户）继续遭受ESD软损伤或其它过应力损伤积累而过早地失效。由于软损伤是潜在的，运用目前的技术还很难证明或检测出来，特别是器件被装入整机产品之后，因此具有更大的危害性。这些产品流入市场后的维护成本和造成的其它损失，将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍！ 多数未采取保护措施的元器件静电放电敏感度都是很低，很多在几百伏的范围，如MOS单管在100-200V之间，而且这些单管是不能增加保护电路的；一些电路尤其是CMOS IC采取了静电保护设计，虽然明显的提高抗ESD水平，但大多数也只能达到2000－4000V，而在实际环境中产生的静电电压则可能达到上万伏。因此，没有防护的元器件很容易受到静电损伤。随着元器件尺寸的越来减小，这种损伤就会越来越多。所以，绝大多数元器件是静电敏感器件，需要在制造、运输和使用过程中采取防静电保护措施。列出一些没有静电保护设计器件的静电放电敏感度。
器件类型

实例

静电敏感度(单位kV)

MOSFET

3CO、3DO系列

0.1-0.2

JFET

3CT系列

0.14-1.0

GaAs FET

0.1-0.3

CMOS

CO00、CD400系列

0.25-2.0

HMOS

6800系列

0.05-0.5

E/D MOS

Z80系列

0.2-1.0

VMOS

0.03-1.8

ECL电路

EOOO系列

0.3-2.5

SCL(可控硅)

0.68-1.0

S-TTL

54S、74S系列

0.3-2.5

DTL

7400、5400系列

0.38-7.0

石英及压电晶体

<10.0

三、 静电防护
1、 ESD控制的基本原则
1) 做好ESD防护设计：器件选型、合理布线、设计保护电路等。
2) 消除和减少静电的产生：减少或消除静电产生的过程、维持过程和材料处于等电势等。
3) 使静电荷泻放与中和：使用静电导体、接地、电离器来泻放与中和静电。
4) 保护产品免遭ESD伤害：使用防静电材料包装和储运。
2、 防静电区设计原则
1) 抑制静电荷的积累和静电压的产生。如设备、仪器、工装不使用塑料、有机玻璃、普通塑料袋。
2) 安全、迅速、有效地消除已产生的静电荷，使用有绳防静电腕带、防静电椅、防静电周转车、防静电周转箱。
3) 保证静电压小于100V。
3、 防静电系统要素
1) 地面：防静电地面（防静电水磨石，防静电地板）体电阻105～109Ω，敷设地线网。
2) 工位：（见附图）
3) 接地：
Ø 防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装置，地电阻小于4Ω。防静电地线不得与电源零线相接，不得与防雷地线共用，使用三相五线制供电时，其地线可以作防静电地线。
Ø 工作台面、地垫、坐椅和其它导静电的ESD保护设施均应通过限流电阻接入地线，腕带等应通过工作台顶面接地点与地线连接，工作台不可相互串联接地。
Ø 防静电工作区接地系统，包括限流电阻和连接端子应连接可靠并具有一定载流能力，限流电阻阻值选择应保证漏泄电流不超过5mA，下限值取为1M Ω。
4) 温湿度：20~30℃，相对湿度30~70%。
5) 增湿：增湿器使空气潮湿，防止静电荷积累，此法不适于增湿后会产生有害影响的场地。
6) 人体：穿防静电工作服、工作鞋，戴有绳防静电腕带、手套、指套等。
7) 包装：静电敏感器件应采取防静电保护性包装，如防静电袋、防静电盒等。
8) 贮存、运输：静电敏感器件必须存放在防静电容器（箱、袋）内，并用防静电运输工具（箱、车）周转。贮运中要远离静电场、电磁场或放射场，如电脑显示器顶部。
4、 人员防静电接地技术要求
1) 人员防静电接地应使用腕带、工鞋等。
2) 所有生产操作员工进入防静电区域必须着装防静电工鞋工衣；外来人员进入防静电区域穿防静电鞋套和穿防静电衣。
3) 进入防静电区域的所有作业人员、物料员、技术员、工段长等，及在现场办公的其他人员，每天上班前应对自身人体综合电阻进行测试，对有可能要接触产品的人员，还应进行防静电腕带测试，并保存测试结果，做好测试记录。
4) 进入防静电区域前必须应对人体综合电阻进行测试，如果外来人员有可能要接触产品，也应进行防静电腕带测试，并保存测试结果做好测试记录。
5) 防静电腕带或人体综合电阻测试未通过者，不得进入防静电区域，更不得接触ESSD（静电敏感器件）及组件。人体综合电阻测试、腕带测试未通过的，必须立即查找原因并作出相应处理，直至合格为止。
5、 腕带接地要求
防静电腕带与皮肤应保证接触良好，并接入防静电地线系统，在戴腕带的皮肤上不得涂护肤油、防冻油等油性物。
6、 工鞋接地要求
1)   防静电鞋内不得垫鞋垫。
2)   为了使人体静为了使人体静电能很好的通过工鞋、鞋跟泻放，操作人员要求穿棉袜。
3)   保持工鞋干净清洁。
四、 防静电要求
1、 工厂一般防静电要求（基础部分）
1) 防静电腕带使用前一定要先检查（每天至少一次）。
2) 所有静电敏感元器件、机板在不使用的状态下一定要用防静电袋或防静电箱包起来或装起来。
3) 无静电防护时不可接触机板和静电敏感元件。
4) 机板所用的垫子应该是防静电的，气泡袋也应该是防静电的。
5) 工作人员要保护自己的地盘：不让无防静电措施人员接触自己的台面、机板、元件。
6) 把所有未知的元器件都当作静电元器件看待。
7) 工作台上不可放多余的包装材料。
8) 进入防静电工作区前要进行静电放电。
9) 流动人员手拿元器件、机板时必须有防静电措施，如：戴防静电手套或元件机板用防静电袋包装。
10) 转移元器件、机板必须做防静电措施。
2、 ESD防护中常发现的错误（基础部分）
1) 腕带在衣袖上，未与皮肤接触。
2) 腕带松动，与皮肤表面积接触不良。
3) 腕带夹在桌面上，桌面的另一侧才接地。
4) 使用白色泡沫垫机板。
5) 箱子无防静电屏蔽盖。
6) 特殊场合才带腕带。
7) 使用白色铁氟龙光头烙铁。
8) 使用一般的塑胶包装材料包装。
9) 用普通溶剂清洗工作台表面。
10) 粉红色就是抗静电（应用静电表测量是否达到防静电要求）。
11) 不用静电表测试静电压。
12) 任何过路人皆可拿工作台上的零件和机板。
13) 鳄鱼夹夹在机器设备油漆部分。
14) 鳄鱼夹的最内圆孔部夹住铜线，最内圆孔部内径比铜线外径大。
15) 鳄鱼夹夹在铜线胶皮上。
16) 零件与机板无任何防静电措施时随处乱放。
17) 工作台铜线未接地。
18) 测试设备和机器外壳未接地。
附表：人的活动产生的静电压
静电产生方法
静电电压（V）
相对湿度（10％～20％）
相对湿度（65％～90％）
在地毯上行走
35000
1500
工作台上操作
6000
100
在工作台拿想起聚乙烯袋子
20000
1200
聚氨脂泡沫垫子
18000
1500

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