[原创] 正解：带高静电人体触摸IC就会导致IC损坏么？

copper_hou 2017-12-11 11:07 楼主

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现今随便走访国内的一家电子制造工厂，当你问他们是否了解静电防护。相信大部分都会给予肯定的回答，而且还会列举一二自己工厂所采取的一些具体的静电防护措施。这种局面是过往将近20年的时间里，多方力量促进电子制造工业静电防护的综合成果。

而随着静电防护在各电子制造企业的实践中，企业也提出了不少针对静电防护的具体问题，甚至于对静电防护的总体认知产生了很多问号、怀疑。其中常被提及的问题之一，工厂都了解人体高静电会对电子器件（以各种IC为主）构成危害，这种普遍认识没有问题。但是大部分的电子企业很难形成静电防护与生产良率或品质损失的关联认知。那么，是否人体一旦静电不受控，裸手触摸静电敏感IC，就会导致IC损坏么？而事实上，确实有企业验证过，很少有发现IC（HBM-200V）损坏，即使是人体静电达1000V。

IC ESD damaged by Charged Human Body contact.gif

图1.带高静电的人员裸手触摸静电敏感的IC管脚，就会导致IC损坏么？

要回答好这个问题，就需要深入到了解IC器件ESD失效机理的层面上。例如IC器件中常见的MOS（Metal Oxdide Semiconductor）管，其主要ESD失效机理是电极绝缘层（电介质层）在遭受过高的静电场作用下发生击穿，瞬间产生大ESD电流导致绝缘层发生热损坏，从而导致IC的原有设计功能失效。

Worst electrostatic stress condition of an MOS device.gif

图2.典型的IC ESD失效机理（源自LEAN ESD）

图3.典型的IC ESD失效症状-电介质击穿（出处：Infineon-Germany）

此时，我们再拿图1的ESD情形与图4做对比，两者的主要差别在于人体对IC接触放电时，IC是否有管脚处于接地状态。而此差别就导致了IC中的静电敏感结构（如电极绝缘层）经受的ESD风险差异（绝缘层的静电击穿）迥然不同，图4显著高于图1（见诸于LEAN ESD早前的文章中）。

Human discharge to an IC with pin gorunded.gif

图4.带高静电的人员裸手去触碰有管脚接地的静电敏感IC，会导致IC损坏么？

如果作以粗略的比喻以方便理解，我们通过图5与图6的示意效果，可以大致得出人体对无管脚接地的IC接触放电（图5），放电路径短，ESD转移的静电荷量（意味着电能量）就低；而有管脚接地的IC（图6），在受到同样的人体接触放电情形下，放电路径要长很多，ESD转移的静电荷量（意味着电能量）也就高很多，所造成的ESD损坏风险也就高出很多。

Discharge illustration of human discharge to isolated device.gif

图5.带静电的人体对孤立的IC管脚接触放电情形（源自LEAN ESD）

Discharge illustration of human discharge to a device with pin grounded.gif

图6.带静电的人体对有管脚接地的IC接触放电情形（源自LEAN ESD）

同样的情形，对于PCBA（Printed Circuit Board Assembly，印制电路板组件）也有类似的效果，有接地的PCBA，在遭受人体的静电放电，ESD失效风险显著升高。

Human discharge to a PCBA with pin grounded.gif

图7.带静电的人体裸手触摸接地的PCBA的ESD情形（源自LEAN ESD）

纵观电子工业的ESD防护，我们还可以找到更多的相关或类似印证。比如，IC器件的ESD保护设计测试方法-HBM，就是对IC的管脚两个一组组合进行ESD测试，而其中必然有一个管脚是接地的（这样更能反映严重化的ESD条件）。

图8.元器件的HBM ESD测试设置（ESDA-JEDEC JS-001）（源自LEAN ESD）

又比如，追溯电子设备执行系统级（System-Level）ESD耐压测试的行业背景，就是人员在普通办公环境下触摸到或靠近工业电脑的主机某个部位后，引起主机重启，而此时的电脑主机处于通电的工作状态，内部的电子设备也就通过设备电源线实现了接地。换言之，如果此时的电脑主机拔掉电源线，可能就是另外一种现象了。

于是，我们对于电子工厂的ESD防护就产生了一个新的进阶认知，就是IC或PCBA一旦有接地的情形，此时的电子器件ESD失效风险（包括人体静电放电、机器设备静电放电）就更高，相应的ESD防护措施就需要加强。

而相比之下，电子器件未有接地的情形，人体触摸器件，虽然人体的高静电不是那么容易导致电子器件发生失效，但我们却绝然不可放松人体的静电管控。因为这时就涉及到另外一种电子器件ESD失效的模型-CDM（Charged Device Model，器件带电放电模型）。简单可以理解为，带静电的人体触摸到电子器件（如IC），就很可能使它带电较高的静电压，而接下来人员将器件放置于接地的导体表面上时，更为严重的ESD-CDM就发生了。

Human charged IC and discharge to grounded conductor.gif

图9.带高静电的人体裸手拿IC去触碰接地导体的ESD情形（源自LEAN ESD）

电子工业的ESD防护让外人有时看，她是那么简单（无非低静电材料、接地、离子化静电消除等），但要切实在每个电子制造工厂去落地执行到位，最终预期实现ESD防护投入赢得有效的价值回报收益期望，确是一项综合、复杂而又有技术难度的工程，离不开大量的点滴切实积累，包括技术应用、生产实践、技术验证、工程分析、运用改进等等。终究要让技术落地生根，步步为营，扎实做起，不断努力前行，方可前景可期。

电子制造业中的静电问题解决。