关于“静电放电（ESD）现象”的详解

烽融爱财阅读：39448 2026-02-02

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静电放电现象经常发生在我们周围，例如冬天脱羊毛衫出现的劈啪声、有时手触碰到金属把手会有触电的感觉，这些都是静电放电现象。通常这种放电现象对人体不会有什么影响，甚至绝大多数情况下我们都毫无感觉，但是对于集成电路芯片领域，静电放电就是一个不可忽视的重大问题，因为静电放电可以在短时间内产生几百甚至几千伏高压，虽然持续时间很短，但是足以给半导体芯片（IC）的某个部位造成不可逆的热损伤。

芯片（IC）静电放电失效主要分成以下两种情况：

1、不可逆热损坏失效

这种损坏会导致芯片功能失效，不能继续使用，最典型热击穿包括:金属熔断、介质击穿、PN结击穿。

2、功能退化失效

功能退化会导致芯片（IC）性能下降，如芯片寿命降低、鲁棒性降低、性能参数退化等，但是功能退化不会使芯片直接失效，芯片仍然可以继续使用。美国国家半导体公司对芯片（IC）产品的失效原因的调查数据如下图所示，结果表明：因静电放电或电气过应力(Electricl Over Stress，EOS）产生的失效，约占失效芯片（IC）产品失效总数的37%。

所以，在了解了在半导体芯片（IC）制造和电子硬件设计与生产中，静电放电是造成元器件失效的重要原因后，静电放电模型的定量分析便成了测试静电放电耐受性的最核心依据。

一、静电放电的介绍

静电放电，英文全称：Electro-Static Discharge，简称：ESD，它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。静电放电（ESD）是一种常见的近场危害源，可形成高电压，强电场，瞬时大电流，并伴有强电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲。

静电产生的途径：接触分离；摩擦；剥离；断裂；传导；感应；其他：热电、光电、压电。下面介绍几种常见的静电产生的实例：

1、接触分离带电

不同物质接触分离都会产生静电；

2、摩擦带电

摩擦可以看作反复的接触分离过程，工作中因摩擦或接触分离产生静电的地方：

a. 工作中的人体走动，取放物品都会产生静电；

b. 设备中的运动也有摩擦或接触分离的动作，因此也会产生静电；

c. 移动的设备如推车，也会因摩擦产生静电。

决定摩擦电压的因素主要有：接触的程度、表面的均匀度、接触压力、磨力、分离速度等因素都会影响到摩擦电压的大小。

而材料的不同摩擦电压也会有不同，环境温度湿度的不同对摩擦电压也有重大的影响。湿度越小摩擦电压越大。

3、剥离带电

物质原有的电荷平衡被打破，两边带上相反的电荷；同种物质的剥离和不同物质间的剥离都会产生静电。例如：不干胶带、胶贴、传送带等都会因为剥离带电；

4、断裂带电

物体断裂成后，各部分会带上不同的电荷；

5、传导带电

一个不带电的物体接触带电的物体会通过传导带上相同的电荷；

6、感应带电

带电体产生电场，电场中的导体因电荷转移而带电；

二、静电放电（ESD）的工作原理

静电放电（ESD）放电的发生原理是在一定电场中，存在电荷分布不平衡或者不均，或存在电压差，两者必须存在其一才会发生电荷转移或者强烈放电。

静电放电（ESD）现象模拟是尖状物体靠近，圆形物体靠近，破坏了整个环境的静电系统平衡，产生了能量或者电荷转移或转化。

静电枪正式基于上述几个典型的现象来做了近似的模拟，首先让电荷和电压通过前级电路充电到高压和几局电荷，Q=CU，然后再扣动后级开关产生静电现象。其后级电路决定了产生静电放电（ESD）放电的基本放电常数，圆头和尖头决定了产生静电放电（ESD）放电的基本接触形式。

因此，静电放电（ESD）放电不是顶在上面（比如金属或者特定介质）才有电荷转移或静电放电（ESD）放电现象，在没有接触到介质之前，其实已经将空气击穿了，空气成为一种导体，将能量传导了将要接触的地方，当紧密接触了，又有类似的重启电荷分配。

所以，世界的静电放电（ESD）放电应该是渐进式放电，并非接触放电，但因接触或者渐近的速度不一样，导致测试结果不一样，为了规范这一现象，都采用了现在的静电放电（ESD）标准，采用了智能的静电放电（ESD）放电枪，它们的特点是，用圆头时，顶在金属上面放不出电，用尖头时不接触时候也放不出电，避免了各种组合的放电现象。值得注意的是，静电放电（ESD）放电头的高压在5秒之内电压不能衰减5%，否则它就不符合静电放电（ESD）放电标准。

三、静电放电（ESD）的特点

静电放电（ESD）在大多数情况下是高电位、强磁场，瞬时大电流的过程，并会产生强烈的电磁辐射并产生电磁脉冲。有些静电放电（ESD）（如电晕放电）其放电过程产生的电流比较小，但是通常绝大多数情况下静电放电（ESD）过程会产生瞬时大电流，特别是带电导体或小金属体的带电人体对接地体产生静电放电（ESD）时，可以产生脉冲宽度为ns或us级的强度为几十安培甚至上百安培的瞬时大电流。总体来说静电放电（ESD）产生的电磁场分为电荷激发的以静电场为主的近场和电炉微分项产生的远场。

所以，在近场中，电场和磁场与放电电流成正比，并具有幅值高、上升沿陡频谱宽的特点，电场可以达到数千伏/米，磁场则可以达到几十安/米。由于电容上的能量辐射、电场能量存储以及反射能量的叠加，使得近场的结构十分复杂；远场中，电场和磁场与放电电流和时间的变化率有关，远场是以辐射为主，其大小随距离增大而减小。近场和远场的电场值随放电电压的升高而增大，但是随着放电电压的升高，放电火花长度和脉冲电流上升时间的变大，会导致电流对时间的变化率产生的辐射场变小。

四、静电放电（ESD）的基础知识分享

以下就是本章节要跟大家分享的关于静电放电（ESD）的基础知识内容，如有感兴趣的朋友，可以一起交流学习：

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五、静电放电（ESD）常见的三种模型

为了定量表征静电放电（ESD）的特性，一般将静电放电（ESD）转化成模型表达方式，静电放电（ESD）的模型有很多种，一般有：人体模型(HBM)、机器模型(MM)、充电组件模型(CDM)、国际电子工业委员会标准(IEC)、传输线脉冲模型(TLP)、快速传输线脉冲模型(VF-TLP)、人体金属放电模型(HMM)等。

其中人体模型(HBM)、机器模型(MM)、组件充电模型(CDM)为芯片级测试模型，主要是模拟芯片本身的静电放电（ESD）防护能力。一个质量好的芯片，都需要有相应的静电放电（ESD）防护设计，芯片级ESD模型主要研究ESD防护设计与芯片核心电路的协同工作能力。

国际电子工业委员会标准(IEC)、人体金属放电模型(HMM)为系统级测试模型。系统级模型主要是研究一个成型的电子产品的静电放电（ESD）防护能力。一个质量好的电子产品，除了内部芯片需要有相应的静电放电（ESD）防护设计外，芯片外部还需要并联相应ESD/EOS防护器件作一级防护，泄放初期电流，通常这种器件为瞬态电压抑制器。

传输线脉冲模型(TLP)与快速传输线脉冲模型(VF-TLP)为器件级测试模型，主要研究静电放电（ESD）防护器件的性能。用于静电放电（ESD）防护的基本器件都需要进行TLP与VF-TLP测试来确定其静电放电（ESD）参数，评估其静电放电（ESD）性能。下面介绍最常用的三种：

1、人体模型(HBM)

a. 模型定义

人体模型，英文全称：Human Body Model，简称：HBM。人体模型(HBM)主要是模拟人体与芯片接触过程中导致芯片携带静电的情况。人体在某种条件下携带了大量静电荷，随后与芯片接触，人体所带静电荷转移到芯片上，其中人体、芯片、地组成放电通路。

该模型的等效电路如下图，通常由一个100pF的电容（模拟人体与衣物等的等效电容）和一个1.5kΩ的电阻（模拟人体皮肤电阻）串联组成，放电电压范围一般为几百伏到数万伏。图中右下角是人体模型(HBM)的静电放电（ESD）测试等级。

b. 发生场景

覆盖元器件在人工操作环节的静电放电（ESD）风险，比如生产过程中的人手装配、测试、仓储搬运等场景，是最基础、应用最广泛的静电放电（ESD）测试模型。

c. 对器件损伤特点

放电电流上升时间较慢（约10ns），持续时间较长（约100ns），主要损伤元器件的输入输出引脚、栅氧化层等部位。

d. 敏感元器件的静电敏感度等级

根据JS-001标准，共分为下表中的九个等级：

2、机器模型(MM)

a. 模型定义

机器模型，英文全称：Machine Mode，简称：MM，也称作：机器放电模型。机器模型(MM)的等效电路与人体模型(HBM)相似，但等效电容(Cb)是200pF，等效电阻为0，机器模型(MM)与人体模型(HBM)的差异较大，实际上机器的储电电容变化较大，但为了描述的统一，取200pF。由于机器模型(MM)放电时没有电阻，且储电电容大于人体模型(HBM)，同等电压对器件的损害，机器模型(MM)远大于人体模型(HBM)。

b. 发生场景

针对自动化生产环节，比如贴片机、焊接设备、传输带等金属部件与元器件的接触放电，这类场景的放电能量更集中，破坏性更强。

c. 对器件损伤特点

放电电流上升时间极快（约 1ns），峰值电流大，容易造成元器件内部金属导线的熔断或焊点失效。

d. 敏感元器件的静电敏感度等级

根据JEDEC标准，共分为三个等级；

3、充电组件模型(CDM)

a. 模型定义

充电组件模型，英文全称：Charged Device Model，简称：CDM，又称作：带电器件模型。半导体器件主要采用三种封装形式(金属、陶瓷、塑料)。它们在装配、传递、试验、测试、运输及存贮过程中，由于管壳与其它绝缘材料(如包装用的塑料袋、传递用的塑料容器等)相互摩擦，就会使管壳带电。器件本身作为电容器的一个极板而存贮电荷。充电组件模型(CDM)就是基于已带电的器件通过管脚与地接触时，发生对地放电引起器件失效而建立的。

该模型的等效电路如下图，元器件本身等效为一个小电容（通常几皮法到几十皮法），带电后通过引脚对地放电，放电回路电阻极低，电流上升时间可达亚纳秒级。图中右下角是充电组件模型(CDM)的静电放电（ESD）测试等级。

b. 发生场景

常见于元器件的高速取放、分选环节，比如真空吸嘴搬运芯片时，器件与吸嘴摩擦带电，随后引脚接触测试座或电路板接地端放电。

c. 对器件损伤特点

放电时间极短（小于 10ns），电流密度极大，容易直接击穿元器件的核心芯片区域，导致器件瞬间失效，且损伤往往难以通过外观检测发现。

d. 敏感元器件的静电敏感度等级

根据JS-002标准，共分为五个等级；

因此，器件的静电放电（ESD）等级一般均是按以上三种模型测试，大部分静电放电（ESD）敏感器件手册上都有器件的静电放电（ESD）数据，一般给出的是人体模型(HBM)和机器模型(MM)。通过器件的静电放电（ESD）数据可以了解器件的静电放电（ESD）特性。

但要注意的是，器件的每个管脚的静电放电（ESD）特性差异较大，某些管脚的静电放电（ESD）电压会特别低，一般来说，高速端口，高阻输入端口，模拟端静电放电（ESD）电压会比较低。

六、静电放电（ESD）测试的方式

静电放电（ESD）测试方法主要包括以下几种：

1、直接放电测试（Direct Discharge Test）‌

使用带有特定功能的静电枪直接对测试器件进行电击，模拟不同电压和电流下的静电放电（ESD）事件，以评估器件在不同场景下的耐受能力‌。

2、间接放电测试（Indirect Discharge Test）‌

通过预设的阻抗或电阻载体与测试器件相连，进行放电测试。通过调整电阻载体的参数，模拟各种放电条件，验证设备在各种静电放电（ESD）环境下的抗干扰性能‌。

3、模拟放电测试（Simulated ESD Event Test）‌

利用电容器、电感等元件构建的特殊模拟器件，生成类似静电放电（ESD）事件的放电脉冲。通过测量器件对模拟静电放电（ESD）事件的响应，评估其在真实环境下的表现‌。

4、静电灵敏度测试（Electrostatic Sensitivity Test）‌

将被测器件置于特定的静电放电（ESD）环境中，利用不同的电场和电荷量进行测试。通过分析器件的响应和损坏情况，量化其静电灵敏度和鲁棒性‌。

5、静电放电（ESD）发生率测试（ESD Trigger Rate Test）‌

通过长时间、连续的静电放电（ESD）事件模拟，测试器件在长期暴露于静电放电（ESD）环境下的可靠性。监测器件的故障率和性能变化，评估其长期耐用性‌。

6、人体模拟器测试（Human Body Model Test, HBM）‌

采用人体模型进行静电放电（ESD）测试，模拟人体触摸设备时产生的静电放电。通过模拟人体的电容和电阻特性，评估设备在人为静电放电（ESD）事件下的抗干扰能力‌。

7、电子设备模拟测试（Equipment Model Test, EMM）‌

连接模拟的设备模型和测试器件，模拟真实环境中的静电放电（ESD）放电事件。通过调整设备模型的参数和测试条件，模拟多种静电放电（ESD）事件场景，全面评估器件性能‌。

8、瞬态建模分析（Transient Modelling Analysis）‌

利用数学建模和仿真技术，对器件的静电放电（ESD）性能进行深入分析和评估。通过模拟器件在不同静电放电（ESD）事件下的瞬态响应，优化设计以提高其抗静电放电（ESD）能力‌。

这些测试方法各有侧重，综合使用可以全面评估电子设备在不同静电放电（ESD）环境下的性能和可靠性。

七、静电放电（ESD）的危害性

静电放电（ESD）对多个行业，尤其是半导体行业构成了严重威胁。据估计，约有40%的集成电路失效是由静电放电（ESD）引起的。在电子电器产品中，静电放电（ESD）是导致设备运行不稳定甚至损坏的主要原因之一。随着集成电路技术的发展，元件集成度提高，特征尺寸缩小，电子元件对静电放电（ESD）的敏感性也随之增加。在静电放电（ESD）的高压和大电流作用下，电子元件可能会遭受不可逆的损伤，造成产品损坏或性能下降。

所以，静电放电（ESD）是电子行业中一个不可忽视的问题，它对产品的可靠性和寿命有着直接的影响。随着技术的发展，对静电放电（ESD）的测试和防护要求也越来越高。通过严格的静电放电（ESD）测试和有效的防护措施，可以显著提高电子产品的抗静电能力，减少因静电放电（ESD）造成的损失。因此，对于电子元件制造商和用户来说，了解静电放电（ESD）的原理、危害和测试方法，采取适当的防护措施，对于保障产品质量和可靠性至关重要。

八、静电放电（ESD）的意义

1、确保可靠性‌

验证电子设备在静电放电时能否正常工作，避免故障。

2、发现问题‌

提前识别并解决静电引起的潜在问题，提高产品质量。

3、符合标准‌

确保产品满足国际静电放电（ESD）标准，顺利进入市场。

4、降低成本‌

减少因静电损坏导致的维修和维护费用。

5、保障安全‌

提升设备的稳定性和用户使用安全性。

简而言之，静电放电静电放电（ESD）测试是为了让电子设备更可靠、更安全、更耐用。

九、静电放电（ESD）的防护措施

1、设计阶段

在产品设计阶段，工程师应考虑静电防护，选择适当的材料和结构，以降低静电积累的风险。例如，使用抗静电材料和涂层可以有效减少静电的产生。

2、生产环境控制

在生产环境中，保持适当的湿度和温度可以减少静电的积累。使用防静电地板、工作台和设备可以有效降低静电的影响。

3、人员培训

对操作人员进行静电防护培训，使其了解静电的产生和防护措施，确保在处理敏感元器件时采取适当的防护措施，如佩戴防静电手环和鞋子。

4、测试与验证

定期进行静电放电（ESD）测试，以验证产品的抗静电能力。通过测试结果，及时调整和改进设计和生产流程，确保产品在市场上的可靠性。

十、总结一下

人体模型(HBM)的放电波形持续时间较长，携带的能量很大，可以直接打穿MOS的栅氧端或者源漏端。因此由人体模型(HBM)引起的静电放电（ESD）失效主要为MOS管的源漏击穿与栅氧击穿。虽然充电组件模型(CDM)放电波形的峰值电流较大，但是持续时间短，因此充电组件模型(CDM)放电波形所携带的能量并没有人体模型(HBM)那么大。由充电组件模型(CDM)引发的静电放电（ESD）失效点形状就小很多，多为针孔状的栅氧击穿。