ESD对电子设备的危害及防护

　　随着微电子技术的快速发展，静电放电（ESD）对电子设备的危害日益严重。阐述了ESD产生的途径及特点，详细分析了ESD对电子设备的危害机制和途径，在此基础上，提出了电子设备的ESD防护原则和防护措施。

　　随着科学技术的不断发展及微电子技术的迅猛进步，电子仪器仪表和设备等电子产品日趋小型化、多功能及智能化，半导体、大规模和超大规模集成电路、高密度集成电路已成为电子工业中不可缺少的器件，并在各种电子设备的设计制作中得到广泛应用。这些元器件都具有其特殊的功能和特性，然而，这些高集成度的电路元件都可能因静电电场和静电放电（ESD）引起失效，导致电子设备锁死、复位、数据丢失而影响设备正常工作，使设备可靠性降低，造成损坏。因此，研究电子设备所造成的ESD危害过程或原理，避免ESD的发生，防止静电对各种电子设备的损害具有重要意义。

　　1 ESD的产生及特点

　　1.1 ESD的产生

　　ESD是“ElectroStaTIcDischarge”简写，即“静电 放电”。根据国家标准，静电放电是指“具有不同静电电位的物体互相靠近或直接接触引起的电荷转移”。简单地说，ESD是指处于不同静电电位的两个物体之间电荷的转移，亦即ESD是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。

　　ESD的产生途径，一般可分为2种情况。

　　1）摩擦带电。当2种不同介电常数的材料相 互摩擦时，由于摩擦运动，其中的一种材料把电荷传给了另一种材料，由此在这两种材料中产生了静电。摩擦产生的电荷大小与空气相对湿度、摩擦材料的介电常数，两种材料的相对运动速度及两者的压力等有关;

　　2）感应带电。感应带电就是带电荷物体的电场在其相邻的物体上造成电荷分离，靠近带电物体会出现与该电荷极性相反的感应电荷。只要物体带有电荷，就会在其周围产生静电场，就会使周围的物体感应带电。导体带电电压超过它们之间的空气或其他绝缘介质的击穿电压时，就会产生静电放电，激发出电弧火花，并伴随噼啪的爆裂声，直到两个导体接触短路或者电流低到不能维持电弧火花为止。

　　1.2 ESD的特点

　　当两个带静电的物体或一个带静电的物体与不带电的导体靠近或接触时，就会发生ESD现象。ESD的特点主要有以下两点 ［1］ 。

　　1）ESD一般是高电位、强电场，可以瞬时形成 脉冲大电流的过程;

　　2）ESD会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲场。

　　2 ESD危害电子设备的机制、途径

　　ESD产生的放电电流及其电磁场经传导耦合和 辐射耦合进入电子设备，引起电子设备的故障或损坏，尤其是计算机芯片、集成电路等。ESD主要的破坏机制有两种：由于ESD电流产生的热量导致电路元件的热失效;由于ESD感应出高电压导致绝缘击穿。两种破坏可能在同一设备中同时发生，例如，感应电压导致绝缘击穿，同时激发大的电流，而激发的大电流又进一步导致热失效。

　　ESD危害电子设备途径包括：放电辐射、静电感 应、电磁感应和传导耦合等。ESD属于脉冲式干扰，它对电子电路的干扰一般取决于脉冲幅度、宽度及脉冲的能量。据有关资料报道，一般的TTL电路翻转的脉冲能量大致为32&TImes;10 -12 J。当人手接触电子设备时，静电放电所含能量约为7.5&TImes;10-3 J，通 过人体电阻（约为150Ω）放电时，放电脉冲宽度为22.5ns，瞬间的功率十分巨大，峰值高达667kJ。 有时带电电压或能量虽不很大，但由于在极短时间内起作用，其瞬间能量密度也会对器件和电路产生危害。

　　电子设备的大规模集成电路内部线路之间的间距短、面积小，其耐压、耐流参数必然受到影响。随着微电子技术的发展，电子电路所设计的工作电压越来越低，器件的栅极氧化膜变得更薄，因而其耐压界限很低，微小的电荷就能导致器件损坏。电子工业中，MOS器件的栅氧化膜厚度为10-7 m数量级， 100V的静电电压加在栅氧化膜上，就会产生106 kV/m的强电场，超过一般MOS场效应器件的栅氧 化膜的绝缘击穿强度（0.8～1.0）&TImes;106 kV/m，导致 MOS场效应器件的栅氧化膜被击穿，使器件失效。 即使是在电路的设计中设有保护措施，耐击穿电压远高于100V，但危险静电源的电位高达几千伏，甚至几万伏，因此，高压静电场的击穿效应给MOS电路构成了严重威胁。ESD可使器件内部极间电容立即被充到高电压，使得氧化物遭到破坏，以致造成短路、开路、击穿和金属化层的熔融现象。如：CMOS电路对静电极为敏感，其敏感度电压范围一般为0～2000V，最易因ESD导致失效。

ESD过程是电位、电流随机瞬时变