什么是静电？什么是ESD?ESD分为几种形式？有哪些测试标准？

Ricky_图书馆 2023-09-28 发布于广东

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今后可能会有很多技术文章案例都是关于ESD的，因为目前的电子类产品全部都要通过ESD的测试标准，否则将不会允许出售。为什么ESD这么重要？一个简单的例子就是你自己被静电打的时候，是不是都感觉到了不舒服？甚至在北方的冬天脱毛衣的时候都能看到火花，更何况电子设备呢？它们要是经常承受这种干扰，那最直接的就是直接坏掉，谁希望自己的手机，电脑，被静电打一下就坏了呢？本文先给大家介绍一下基本概念，基本现象，循序渐进的给大家分享我的积累，和开发过程中遇到的问题。

静电：

静电是物体表面过剩或不足的静止电荷,静电是一种电能，它留存于物体表面，静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果，静电是通过电子或离子转移而形成的。静电现象是电荷的产生和消失的过程中产生的电现象的总称。产生原理：电子围绕原子核运动,一有外力即脱离轨道,离开原来的原子而侵入其他的原子。

外力包含各种能量, 如动能,位能,热能,化学能,电磁能等。如下图所示：A原子因缺少电子数而带有正电现象, 称为阳离子。B原子因增加电子数而带有负电现象, 称为阴离子。

静电危害：

静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。

静电放电(ESD: Electrostatic Discharge)：

具有不同静电电位的物体相互靠近或直接接触引起的电荷转移现象，通常都是人为产生的，如生产、组装、测试、存放、搬运等过程中都有可能使得静电累积在人体、仪器或设备中，甚至元器件本身也会累积静电，当人们在不知情的情况下使这些带电的物体接触就会形成放电路径，瞬间使得电子元件或系统遭到静电放电的损坏。

静电放电危害：

1、静电放电破坏，使元件受损不能正常工作：静电放电时当放电电流过大(瞬时大电流可达几十A), 产生过高热能, 将会击穿元件。三种击穿现象如下：

a,热击穿：P-N破坏；

b,介电击穿: 氧化层的破坏；

c,金属汽化: 金属线被汽化而开路。

2、静电放电辐射的电磁场幅度很大（可达几百V/m）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产品造成干扰甚至损坏。

可见，静电与静电放电（ESD）是完全不同的物理概念或物理过程。一个是“静”，一个是“动”。伴随着静电放电，往往有电量的转移、电流的产生和电磁场辐射。

静电和ESD发生环境：

在干燥情况下，最容易积累电荷，当带有电荷的人与设备接触时，就可能产生静电放电。因此静电现象在秋冬季节更为常见。

ESD的标准以及测试方法:

根据静电的产生方式以及对电路的损伤模式不同通常分为四种测试方式：人体放电模式(HBM: Human-Body Model)、机器放电模式(Machine Model)、元件充电模式(CDM: Charge-Device Model)、电场感应模式(FIM: Field-Induced Model)，但是业界通常使用前两种模式来测试(HBM, MM)。

1、人体放电模式(HBM)：当然就是人体摩擦产生了电荷突然碰到芯片释放的电荷导致芯片烧毁击穿，秋天和别人触碰经常触电就是这个原因。业界对HBM的ESD标准：等效人体电容为100pF，等效人体电阻为1.5KΩ。规定小于<2kV的则为Class-1，在2kV~4kV的为class-2，4kV~16kV的为class-3。

2、机器放电模式(MM)：就是机器(如robot)移动产生的静电，触碰芯片时由pin脚释放，等效机器电阻为0 (因为金属，通常小于10Ω)，电容为200pF。由于机器是金属且电阻为0，所以放电时间很短，几乎是ms或者us之间。但是更重要的问题是，由于等效电阻为0，所以电流很大，所以即使是200V的MM放电也比2kV的HBM放电的危害大，如下图所示,而且机器本身由于有很多导线互相会产生耦合作用，所以电流会随时间变化而干扰变化。

静电放电测试的目的：静电放电测试作为电子产品可靠性测试的一种，是衡量电子产品或系统的抗静电放电干扰的能力。它模拟了：操作人员或物体在接触设备时的放电；人或物体对邻近物体的放电；静电放电可能产生的后果：直接通过能量交换引起半导体器件的损坏；放电所引起的电场与磁场变化，造成设备的误动作；放电方式分为空气放电与接触放电。空气放电方法是将试验发生器的充电电极靠近受试设备直至接触到受试设备的一种试验方法。空气放电是电荷集中到枪头顶端保持5秒，通过慢慢靠近被测试产品不能导电的部分看电荷能不能击穿绝缘部分，或者通过缝隙击穿空气进去。这个触发是360度随机的。这样的方式可以找到产品的不足之处。一般击打屏幕缝隙、按键缝隙、还有嵌入式的引脚端口等不能直接接触到导体的地方。接触放电方法是将试验发生器的电极保持与受试设备的接触并由发生器内的放电开关激励放电的一种试验方法。接触放电就是电荷集中到一点然后通过可接触的导体直接转移到测试产品里面，这个是有预期的，一般打在控制板附近，固控制板的螺丝、可接触的引脚上面。一般来讲，对于金属表面我们通常采用接触放电，对于非金属类的绝缘层表面我们采用空气放电。另外接触放电又可分为直接放电与间接放电：直接放电就是直接对受试设备实施放电；间接放电是通过对受试设备附近的耦合板实施放电，以模拟人员对受试设备附近的物体的放电。目前IEC 61000-4-2看作是 ESD 测试的事实标准。我国的国家标准（GB/T 17626.2-1998）等同于IEC 61000-4-2。