什么是ESD？

在電子領(lǐng)域，存在著一個(gè)常被忽視但可能帶來嚴(yán)重后果的“隱形殺手”——ESD（Electrostatic Discharge，靜電放電）。

在冬季，芯片的失效概率顯著增加。過去幾年，失效分析尚不普及，分析過程充滿摸索和猜測。然而，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室將ESD測試電壓提高到2000V時(shí)，成功復(fù)現(xiàn)了失效芯片的端口特性。這充分說明了ESD對芯片設(shè)計(jì)工程師的重要性。盡管ESD看似簡單，但其內(nèi)涵豐富。

一、靜電如何產(chǎn)生的？

靜電現(xiàn)象在日常生活中極為普遍。例如，在干燥的冬季，當(dāng)我們觸摸金屬門把手時(shí)可能會突然感到“電擊”，這就是靜電放電的一個(gè)例子。

靜電的產(chǎn)生主要有以下三種原因：

1.摩擦起電

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中，我們了解到毛皮和橡膠棒在摩擦過程中會產(chǎn)生靜電。毛皮上的一些電荷會被橡膠棒吸引，導(dǎo)致橡膠棒表面電荷增多，而毛皮表面電荷減少。這樣，橡膠棒表面就帶有了負(fù)靜電負(fù)荷，而毛皮表面則帶有了正靜電。這一點(diǎn)非常重要，因?yàn)殪o電既有正的也有負(fù)的。

2.感應(yīng)起電

當(dāng)一個(gè)帶電物體靠近一個(gè)中性物體時(shí)，中性物體中的電荷會重新分布，靠近帶電體的一端會感應(yīng)出與帶電體相反的電荷，而遠(yuǎn)離帶電體的一端則會感應(yīng)出與帶電體相同的電荷。這種現(xiàn)象在電子設(shè)備中也很常見，例如，當(dāng)一個(gè)帶有靜電的人靠近電子設(shè)備時(shí)，設(shè)備可能會通過感應(yīng)起電而帶上靜電。如果離開感應(yīng)源，被感應(yīng)的物體是否可以恢復(fù)正負(fù)電荷均衡？為了解答這個(gè)問題，我們來看下面的例子：

電中性物體靠近帶正點(diǎn)的電腦時(shí)，負(fù)電荷被吸引到靠近電腦的一側(cè)，所以物體的另外一側(cè)帶正電。

當(dāng)物體與大地相接時(shí)，會有額外的負(fù)電荷被吸引到物體上，中和掉遠(yuǎn)端的正電荷。

此時(shí)如果將物體與大地分離，那么多余的負(fù)電荷就保存在物體內(nèi)了，不會再回到大地中。此時(shí)即使撤走感應(yīng)源，物體內(nèi)的電荷重新分布，但是負(fù)電荷依舊占據(jù)多數(shù)，物體也就帶上了負(fù)電。

3.剝離起電

剝離起電這個(gè)物理學(xué)術(shù)語是在2019年提出的。它描述了兩個(gè)接觸緊密的物質(zhì)在外力作用下突然分開時(shí)，由于電荷不能瞬間中和，導(dǎo)致物體帶電的現(xiàn)象。例如，從塑料薄膜上撕下膠帶時(shí)，膠帶和塑料薄膜之間就會產(chǎn)生靜電。脫衣服時(shí)產(chǎn)生的靜電也屬于剝離起電，因?yàn)檫@個(gè)過程使得原本緊貼在人體的衣服上的絕緣性薄膜產(chǎn)生了靜電。

靜電的電壓可能非常高，有時(shí)可達(dá)數(shù)千伏甚至數(shù)萬伏。但由于靜電電流小，因此在正常情況下，人體接觸到靜電只會感到瞬間的刺痛或電擊感，不會對人體造成致命傷害。然而，靜電可能會引燃易燃物，導(dǎo)致火災(zāi)和爆炸。例如，2023年5月21日，安徽滁州某公司的操作工在配制膠液過程中，由于乙酸乙酯高速流動(dòng)產(chǎn)生的靜電發(fā)生爆燃。

ESD的最大危害在于，靜電放電產(chǎn)生的高電壓和大電流可能會直接損壞電子元件，使其失去功能。例如，靜電可能會擊穿集成電路中的晶體管，導(dǎo)致芯片損壞。此外，靜電還可能干擾電子設(shè)備的信號傳輸，導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)誤碼、死機(jī)等問題。