什么是静电放电：ESD 基础知识
在日常生活中，静电放电或 ESD 是一个普遍存在的现象，尤其在电子行业中，它的重要性不容忽视。
在早期的电子设备中，例如使用热电子阀/真空管的时代，ESD 并不是一个问题。然而，随着电子技术的进步，特别是 MOSFET 的引入，ESD 导致的故障率显著上升。经过调查，人们发现静电积聚足以导致器件中的氧化层发生故障。
在日常生活中，静电放电或 ESD 是一个普遍存在的现象，尤其在电子行业中，它的重要性不容忽视。
在早期的电子设备中，例如使用热电子阀/真空管的时代，ESD 并不是一个问题。然而，随着电子技术的进步，特别是 MOSFET 的引入，ESD 导致的故障率显著上升。经过调查，人们发现静电积聚足以导致器件中的氧化层发生故障。
自此以后，人们对 ESD 的认识有了大幅提升，因为事实证明它对许多设备都有影响。如今，许多电子设备制造商认为所有元件都对静电敏感，而不仅仅是那些最容易损坏的 MOS 器件。
为了应对 ESD 的影响，电子设备制造商投入了大量的资源，以确保他们的工作场所免受静电影响。他们采取了一系列措施，包括确保产品在制造过程中不会出现高故障率，以及确保产品具备长时间的高可靠性。
那么，什么是静电放电呢？静电其实就是两个表面之间电荷的积累。当表面相互摩擦时，一个表面上的电子可能会过多，而另一个表面上的电子可能不足。
这种电荷积聚的表面可以被视为一个电容器。如果没有可流动的路径，电荷将保持在原位。由于通常不存在电荷可以流动的实际路径，因此产生的电压可能会保持一段时间，这就产生了所谓的“静电”。
然而，当存在传导路径时，电流将会流动并且电荷将会减少。这里存在一个与放电相关的时间常数：高电阻意味着更小的电流将流动更长的时间；低电阻则导致放电速度更快。
显然，产生的电压和电流水平取决于多种因素，包括人的身材、活动水平、放电所针对的物体以及空气湿度等。这些因素都会产生显著的影响，因此几乎不可能预测将发生的放电的确切大小。
不过，影响产生电压的主要因素之一是摩擦在一起的材料类型。实验发现，不同的材料在摩擦时会给出不同的电压。产生的电压取决于两种材料在称为摩擦电系列的系列中的位置。
在摩擦电系列中，位置越远的材料组合，其产生的电压就越大。在这个系列中，较高的材料会带有正电荷，而较低的材料则会带有负电荷。例如，使用塑料梳子梳理头发会在头发上产生正电荷，而梳子则会带有负电荷。
日常生活中产生静电的例子有很多种。即使走过地毯也可能会产生非常高的电压。通常这可能会产生 10 kV 的电势。更糟糕的情况下，电压甚至可能达到这一数值的三倍。即使是走过乙烯基地板的动作也可能会产生约 5 kV 的电位。事实上，任何形式的表面相互摩擦的运动都可能导致静电的产生。在工作台上工作的人很容易产生 500 V 或更高的静电电位。
为了更直观地理解 ESD 的问题，以下是一些实际例子：
日常活动可能引起的 ESD 电压：
- 走过地毯 30kv
- 拿起一个聚乙烯袋 20kv
- 在乙烯基瓷砖表面行走 15kv
- 在长凳上工作 5kv
这些数值仅供参考，实际电压可能因多种因素而有很大差异。所有这些数字都非常依赖于特定条件，但它们给出了预期 ESD 水平的数量级指导。
尽管 ESD 造成的影响看起来非常大，但它们通常会被忽视。可感觉到的最小静电放电约为 5kV，即使如此，这种强度的放电也只能偶尔感觉到。原因是尽管产生的峰值电流可能非常高，但它们只持续很短的时间，并且身体无法检测到它们，因为它们背后的电荷相对较小。来自电子或电气设备的如此大的电压（可以提供更多电流且持续时间更长）将产生更大的影响并且可能非常危险。
静电荷可以通过多种方式转移到半导体器件上从而造成 ESD 损坏。最明显的是当人们接触带电且导电的物品时。例如半导体放在工作台上时如果有人走过地板并接触到它时便可能会发生这种情况。带电的手指会很快将静电荷传递给半导体从而可能造成损坏。工具的危害可能更大尤其是金属螺丝刀这类导电性更强且充电速度更快的工具会产生更高水平的峰值电流。然而没有必要直接触摸组件来对其造成损坏塑料杯等物品可以带有非常高的电荷将其中一个靠近 IC 可以将相反的电荷“感应”到 IC 中这也会导致半导体器件损坏此外由人造纤维制成的领带也存在 ESD 危险因为它们可以充电并且很容易悬挂在敏感电子设备附近。
ESD失效机制：静电放电（ESD）对半导体元件的破坏力不容小觑。其最直接的影响是产生高电压，引发峰值电流，可能导致局部烧毁。由于集成电路中的微小特征尺寸，即使电流持续时间很短，也可能造成严重损坏。芯片的互连线路或区域可能因高电流而熔断。
另一方面，ESD通过高电压可能引发设备内部组件的击穿，特别是当设备中的氧化层被击穿时，会导致设备无法正常运行。值得注意的是，对于一些尺寸远小于一微米的集成电路（IC），即使是较低的电压也足以引发击穿。
除了立即损坏，ESD还可能导致所谓的“潜在故障”。这些故障并不完全破坏设备，而是以削弱设备性能的方式存在，使设备在使用寿命后期面临失效风险。这些潜在缺陷往往难以检测，导致整体可靠性水平降低，或在模拟设备中，性能明显下滑。由ESD引起的潜在故障成本极高，因为在产品使用期间进行维修的成本远高于工厂内维修的成本，因为维修技术人员往往需要现场维修或将其运送到维修设施。
当ESD导致互连部分熔断时，可能会进一步引发潜在故障。通常，部分导体因静电放电而损坏，使其变得脆弱。另一种芯片损坏的方式是损坏产生的材料散布在半导体表面，形成替代的传导路径。
考虑到元件对ESD的敏感性，大多数制造商将所有半导体视为静电敏感器件。甚至许多制造商也将所有器件（包括电容器和电阻器等无源元件）视为静电敏感器件。在这一点上，值得注意的是，当今大多数批量生产的设备都使用表面贴装元件，其尺寸比传统元件小得多，这使得它们更容易受到ESD的损坏。
