冬天來了，又到觸電時刻！和靜電親密接觸的瞬間，可以彈出好幾米。不止生活中，我們的電子電路中也“隐藏”靜電，你知道麼？

人類認識靜電放電（ESD）的心路曆程

顧名思義，靜電就是靜止不動的電荷。各種物質的原子核對電子的束縛能力不同，因而物質得失電子的本領也不同，這就造成了摩擦起電等各種帶電現象。

金屬的外層電子容易丢失，這些從原子内跑出來的電子叫做“自由電子”，所以金屬容易導電。絕緣體内的電子受到原子核的束縛，不容易成為自由電子，所以它不容易導電。但是利用高強度的電力作用、高溫等方法可以使一部分電子擺脫原子核的束縛，成為自由電子，于是絕緣體變成了導體。

人類對靜電放電（ESD）的危害的認識經曆了一段漫長的曆史。電子行業認識到靜電放電（ESD）的危害隻是最近幾十年。

電子行業對 ESD 認識的發展過程

靜電放電（ESD）的機理

靜電放電（Electrostatic Discharge，ESD），指處于不同靜電電位的兩個物體間的靜電電荷的轉移就是靜電放電。這種轉移的方式主要是兩種種方式：接觸放電和空氣放電。

一般來說，靜電隻有在發生靜電放電時，才會對元器件造成傷害和損傷。如人體帶電時隻有接觸金屬物體、或與他人握手時才會有電擊的感覺。 對電子元器件來說，靜電放電（ESD）是廣義的過電應力（EOS）的一種。

廣義的過電應力（Electrical Over Stress，EOS）是指元器件承受的電流或電壓應力超過其允許的最大範圍。下表是三種過電應力現象的特點比較：

靜電導緻的元器件失效的機理主要有過電壓場緻失效和過電流熱緻失效，過電壓場緻失效多發生于MOS 器件，過電流熱緻失效則多發生于雙極器件。

過電流熱緻失效是由于靜電放電電流過局部區域，溫升超過材料的熔點，導緻材料發生局部熔融使元器件失效，影響過流失效的主要因素是功率密度。靜電放電形成的是短時大電流，放電脈沖的時間常數遠小于器件散熱的時間常數。因此，當靜電放電電流通過面積很小的 pn 結或肖特基結時，将産生很大的瞬間功率密度，形成局部過熱，有可能使局部結溫達到甚至超過材料的本征溫度(如矽的熔點 1415℃)，使結區局部或多處熔化導緻 pn 結短路，器件徹底失效。另外，在集成電路中，靜電形成的脈沖電流還有可能使寄生的器件導通，産生各種不希望的效應。

據行業數據統計表明，靜電導緻的元器件失效之中，10%是突發性失效，90%是潛在性失效。突發性失效的意思是，靜電導緻元器件立刻失效；潛在性失效是指元器件沒有立刻失效，但是元器件已經“受傷”，元器件将帶傷工作。

靜電放電（ESD）的解析

定性甚至定量地分析一件事物，需要對其進行剖析已經建立模型。電子元器件的ESD模型主要有三大模型，分别是帶電人體的放電模式（HBM）、帶電機器的放電模式(MM)和充電器件的放電模式（CDM）。

1）帶電人體的放電模式 (HBM，Human Body Model)

下圖帶電人體接觸放電的模型，Vp 帶靜電的人體與地的電位差，Cp 帶靜電的人體與地之間的電容量，一般為 50-250pF；Rp 人體與被放電體之間的電阻值，一般為 102-105Ω。人體與被放電體之間的放電有兩種,即接觸放電和空氣放電。

接觸放電時，人體與被放電之間的電阻值是個恒定值。空氣放電時，在人體與被放電體之間有一定距離時，它們之間空間的電場強度大于其介質（如空氣）的介電強度，介質電離産生電弧放電，暗場中可見弧光。電弧放電的特點是在放電的初始階段，因為空氣是不良導體，放電通道的阻抗較高，放電電流較小；随着放電的進行，通道溫度升高，引起局部電離，通道阻抗逐漸降低，電流增大，直至達到一個峰值；然後，随着人體靜電能量的釋放，電流逐漸減少，直至電弧消失。

2）帶電機器的放電模式（MM，Machine Model）

帶電機器的放電的模型

機器因為摩擦或感應帶電，帶電機器通過電子元器件放電造成損傷。上圖所示的機器放電的模型（MM），與人體模式(HBM)相比，機器沒有電阻，電容則相對要大。

3）充電器件的放電模型 (CDM,Charged-Device Model)

充電器件的放電模型

在元器件裝配、傳遞、試驗、測試、運輸和儲存的過程中由于殼體與其它材料磨擦，殼體會帶靜電。一旦元器件引出腿接地時，殼體将通過芯體和引出腿對地放電。這種形式的放電可用所謂帶電器件模型(CDM)來描述。

靜電放電（ESD）的保護

在産品研發和生産過程中總是會出現一些IC損壞的現象，要想找出這些IC損壞的根本原因并不總是很容易。有些偶發性的損壞很難被重現，這時的難度就會更大。有些時候IC的失效表現簡直就是災難性的，可能被燒得一塌糊塗，對這樣的狀況進行分析就像要在完全燒成斷垣殘壁的房子裡找出火災的原因一樣，幾乎就是不可能的事情。

ESD作為EOS的特例，事件持續時間極短、可見性不強、損壞位置不易被發現，由ESD導緻的“創面”很細微，所以直至70年代後期，電子掃描顯微鏡的第一次應用才導緻ESD的突破，之前由ESD導緻的損壞都被認定為原因不明。

1）電源芯片内部的ESD保護

電源輸入端VIN被一個很大的ESD單元保護着，其保護範圍包括内部穩壓器和MOSFET，因而可以承受很高的靜電電壓。SW端子内部通常沒有ESD單元，因為大型MOSFET本身就可以像ESD保護單元一樣動作，靜電電流可經其體二極管流向GND或VIN端，也可利用它們的擊穿特性實現保護。BOOT端有一個ESD單元處于它和SW之間，其它小信号端子也各有一個小型的ESD單元，它們通常都和輸入串聯電阻一起保護這些小信号端子免受靜電放電的危害。

電源芯片内部的ESD保護

在電源IC中，用于保護IC端子的ESD元件的動作電壓介于器件的擊穿電壓和絕對最高工作電壓之間，這樣可避免它們在正常工作期間被觸發。

芯片管腳的ESD保護的動作電壓設計

2) 電源熱插入期間導緻的輸入端過應力

電源熱插入期間導緻的輸入端過應力損壞

因為電源線存在着感量，熱插入時，與陶瓷電容發生諧振，因為MLCC的ESR較小，所以振鈴的幅度會比較大，以緻超過芯片的絕對耐壓，導緻損毀。

3) USB輸出端短路測試造成USB開關輸入端損毀

USB輸出端的短路測試

在針對USB輸出端的短路測試時，當輸出發生短路時，芯片的對策是快速關閉MOSFET開關。但是，MOSFET關斷的過程有時延，瞬間有大電流流過芯片。此刻，輸入走線的電感(L)與輸入端的電容(C)可能發生諧振，與上一案例一樣，高壓振蕩可能會導緻芯片損毀。所以，在執行芯片的輸出短路測試時，同時需要關注和測量輸入端的電壓情形。

防靜電保護元器件

ESD器件的選型原則是，ESD元件的動作電壓介于被保護器件的絕對最高電壓和擊穿電壓之間，既起到保護作用又可以避免誤動作。

ESD二極管是常用的ESD保護器件，在選擇ESD二極管的時候，除了關注其動作電壓及阈值之外，關注極間電容也十分重要，特别是針對高速信号的應用。

另外，電容實際上是最常用而且是最廉價的ESD保護器件。不是所有的電容都可以防護ESD的，比如常規的陶瓷電容。陶瓷電容的特性是容值随着施加的直流電壓的增加而下降。我們知道靜電測試的電壓非常高，達幾千伏。所以，靜電一旦施加于常規的陶瓷電容上，電容值急劇下降，所以起不了防護作用。專門的ESD電容，可以在很寬泛的直流電壓範圍内維持電容值的穩定，從而吸收靜電的電壓峰值，達到ESD防護的作用。

普通電容與ESD電容的DC Bias特性對比

靜電放電（ESD）的學問太深，我們相信通過一篇文章，你一定不會透徹地成為解決靜電放電（ESD）的能手，但這篇文章絕對是你入門的基石。

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