前言

ESD会对很多具有ESD敏感性的现代电子元器件、组件或模块造成损伤或破坏。

自从电子制造领域引入金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）技术，ESD敏感性就成为人们普遍关注的焦点，半导体体积的减小和集成电路（Integrated Circuit，IC）的发展进一步提高了人们对ESD敏感性的重视程度。1979年，美国组织召开了第一次过电应力/静电放电研讨会（Reliability Analysis Center, 1979）。1980年，该研讨会发布了涉及理论和实践、设备故障分析和研究、故障机制和建模、设备防护网络设计、ESD控制实施、设施评估和有效培训等多个主题的论文（Reliability Analysis Center, 1980）。标准文件和技术手册也在这一阶段问世。标准文件给出了ESD控制程序的规范，技术手册则归纳了用户培训和ESD控制程序设计所需的技术数据和参考资料。对半导体器件和显示器的制造商而言，颗粒污染物的静电吸引（Electrostatic Attraction，ESA）是一个问题。对于电子操作系统，ESD会产生电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），从而导致系统崩溃、故障或数据损坏。

因此在电子元件和操作系统中，对ESD问题的关注可以分为两个领域。电子元件、组件和系统制造领域中的ESD控制主要需要防止在未加电、非操作状态下的损坏，并确保产品以良好的状态交付客户，且产品的外观或可靠性不受影响。这一领域的ESD控制可以进一步细分为以下3个研究方向：

● 在晶圆级半导体制造过程中，影响产品产量和质量的ESD问题；

● 在电子元件、组件和系统制造中，影响产品产量和质量的ESD问题，有时也称为“工厂问题”；

● 通过设计使半导体器件的ESD承受能力达到目标水平。

电子系统工作过程中的ESD干扰和损伤通常被视为电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）领域的一部分，由另外的团体负责研究。在某些地区（如欧洲），电子产品须进行ESD抗扰度测试，该测试结果将作为电子产品投放市场的适应性评价（以及CE认证）的一部分（Williams, 2007）。

然而，不同领域之间有一定的重合，而且重合的内容经常混淆不清。在制造过程中，由ESD引起的EMI会对生产测试设备造成干扰，导致产品报废，从而降低成品率。在EMC的ESD测试中，在裸露的电路连接器上产生的ESD可能导致部件或系统硬件故障，并可能对连接到外界的组件的ESD鲁棒性提出要求。

本书主要讨论如何进行ESD控制程序的设计与维护，以保护在电子系统和部件制造过程中的ESDS器件，属于ESD控制的“工厂问题”范畴。本书可作为手册或实用指南，供电子公司以及接触未受保护的ESDS器件的人员使用。同时，本书提供充分的背景资料和技术分析，帮助读者掌握有效ESD控制的原理和实践。

本领域的从业人员技术背景多样，对电子电气专业的理解能力不一。许多人可能具备基本的ESD控制意识，但并没有机会学习ESD控制课程。令人意想不到的是，在本书出版之前，很少有高校在电子相关课程中设置ESD控制知识内容。而且，行业课程也仅能帮助人们提升基本的ESD意识，很少能深入探讨ESD控制这一主题。纵观全世界，对想要深耕该领域的人而言，相关的课程和资格认证仍十分匮乏。

因此，笔者尝试尽可能深入浅出地诠释ESD控制这一主题，以使那些相关理论基础相对薄弱的人也能轻松理解；同时对背景理论进行充分的描述，以便读者理解相关材料，并为那些希望对该主题进行更深入研究的人员提供参考资料和延伸阅读材料。笔者这样做的目的是揭示和澄清这个通常被认为是神秘“黑魔法”的静电领域背后的原理。基于上述多方面原因，笔者开始尝试撰写本书——一本适用于电子行业ESD控制初学者的书。

当前，制定ESD控制程序的常见思路是遵循ESD控制相关标准（如ANSI/ESD S20.20或IEC 61340-5-1）的要求。人们往往认为该做法能够确保将产品的ESD损伤控制在一定范围内。虽然该做法具有一定的可行性，但如果在知识不足的情况下采用该做法，可能导致ESD控制程序优化程度不高或无法解决所有的ESD问题（Smallwood et al., 2014; Lin et al., 2014）。只有掌握并理解相关知识才有可能实现并维护有效且持续优化的ESD控制程序，操作的成本也普遍较低。然而，遵循ESD控制相关标准的要求是有优势的，有助于证明（尤其是向客户证明）在生产设施中进行ESD控制的严谨性。因此，本书用相当的篇幅来讨论如何制定普适且遵循ESD控制相关标准要求的ESD控制程序。通常认为正确规定且符合上述标准的ESD控制程序，足以保护耐受电压低至人体模型（Human Body Model，HBM）100V的ESDS器件，同时能够解决带电金属物体和带电设备引发的最常见的ESD风险问题。

随着时间的推移和器件技术的发展，易受ESD损伤的器件对静电愈发敏感。日后，随着电子制造、组装和维护过程中越来越多的ESDS器件需要操作，人们通过学习和理解（而不是死记硬背）应用标准技术来设计ESD控制程序的重要性会越来越高。随着ESD控制技术和标准的发展，大量的研究工作对面向耐受电压HBM 2kV、机器模型（Machine Model，MM）200V的芯片级ESD防护网络提供了降低器件ESD敏感度方面的支持（Industry Council, 2011）。21世纪初，ESD目标等级行业委员会（Industry Council on ESD Target Levels）成立，成员包括来自IC制造、电子组装公司的人员以及业内的独立顾问。面对ESD耐受水平实现难度加大的现状，加之相信现代电子制造公司的ESD控制程序通常能够达到标准的保护水平，ESD目标等级行业委员会建议将芯片级目标保护水平降至HBM 1kV、MM 30V和带电器件模型（Charged Device Model，CDM）250V（Industry Council, 2011; Industry Council, 2010a; Industry Council, 2010b）。同时，由于各种原因，许多分立元件和IC没有芯片级ESD保护，或者ESD耐受电压水平更低。在技术变革以及认为业内能够处置耐受电压低的ESD元件这一观点的驱动之下，降低芯片级目标保护水平似乎成为首选方案。

虽然本书的主要目的是为业内工厂的工作人员提供支持，但笔者希望本书能够促进并推动高校以及继续教育组织设置ESD控制相关的课程，以供那些希望从事电子生产及相关工作的人员进行选择。

本书并不冀望能够解决半导体芯片和器件制造中的静电和ESD控制、器件的ESD保护设计等方面的全部问题。特别是对于前者，截至本书（英文版）成稿之时，关于该主题的为数不多的图书尚没有充分涵盖相关内容，但在更关注技术领域的图书中对其进行了更深入的讨论（Welker, 2006）。在一些专业图书中也对器件设计这一主题有更加全面而深入的介绍（Amerasekera et al., 2002; Wang, 2002）。

在其他图书中，系统的ESD抗扰度通常被视为EMC问题的一部分，在对仅限于ESD工厂问题这一主题的领域进行论述时，ESD抗扰度会被作为独立的一部分。与ESD控制相比，该领域更加关注电子系统的ESD抗扰设计（Ind. Co. White paper 3; Johnson et al., 1993; Montrose, 2000; Williams, 2007）。

在其他行业，如爆炸物和易燃材料处置（后者在欧洲被称为“ATEX”），也需要进行静电控制，通常由该行业相关标准或法规约束。本书对此有提及，但只是为了引起对可能存在混淆的领域的注意，从而避免一些诸如设备选型和采购等工作的失误。

虽然可以采取“从头到尾”逐章通读的方式阅读本书，但对读者而言，更可能的情况是在从事ESD控制相关工作的过程中，根据自身对不同主题内容的学习需要，对特定的章进行“翻阅”。本书在编写时考虑到了这一情况。书中的每章后都提供参考资料，以供希望对该章主题进行更深入研究的读者使用。

每个专业学科都有自己的一套专业术语，或者会以特定的习惯使用特定的术语。本书第1章介绍并定义ESD控制中常用的术语。尽管这一章对本领域的关键概念和术语进行概述，但在阅读其他章的过程中，仍可能需要通过查阅第1章来对术语的含义进行修正或澄清。这就是为什么将定义及其术语放在一章中给出，而不是在各章节中按照需要对术语进行定义和解释。接着，第2章对静电与ESD控制原理进行更加详细的阐释。

第3章讨论ESDS器件，以及如何测试器件的ESD敏感度；综述器件ESD敏感度的范围和当前发展趋势；归纳应用于ESD失效器件的分析；简要介绍文献中的一些ESD失效研究。

第4章总结高效ESD防护的七个习惯。这是笔者多年来在ESD培训工作中归纳的一套进行有效ESD控制的必要做法。如果这些做法能够有效地、常态化地实施，ESD控制程序就有望持续有效。忽视其中任何一个“习惯”，都有可能影响ESD控制程序的有效性。

大多数基础ESD控制技术和标准主要针对的是人工处置中易受ESD影响的器件、部件和组件。第5章将讨论的内容扩展到自动化系统、过程和操作中的ESD控制，这些环节也是现代电子制造的主要构成部分。

第6章阐释本书编写时IEC 61340-5-1和ANSI/ESD S20.20 这两个ESD防护标准给出的方法和要求。这些标准会随着时间的推移而不断更新，因此建议读者在使用时检索现行有效的版本。

第7章概述用于防静电工作区（Electrostatic Discharge Protected Area，EPA）中常规ESD风险控制的设备与设施。这一章主要介绍它们通常是如何作为系统的一部分来协同工作的，同时强调必须牢记这一点。

防静电包装本身是一个可以持续探索且不断延伸的主题，也是ESD控制中最容易被误解的内容之一。如今，防静电包装种类繁多，包括防静电袋、防静电箱、防静电气泡膜，以及自动化生产线的线带和卷轴包装。第8章对防静电包装进行简要介绍，并阐释防静电包装的原理和实践。

第9章对如何评估ESD控制程序这一棘手问题进行探讨，目标是符合标准要求、有效控制ESD风险，以及提升潜在的客户关切。

评估现有的ESD控制程序是一项具有挑战性的工作，而从零开始设计一套ESD控制程序也会面临其他难题。第10章对此进行探讨。

ESD控制相关产品认证和符合性验证是ESD控制程序的重要组成部分，第11章介绍符合ESD控制标准的测试方法。ESD控制程序可能还会用到一些标准中暂未明确提及的控制措施和设备。这一章也给出一些可用于这些措施和设备的测试方法的示例。

长期以来，人们一直相信ESD培训对ESD控制持续有效至关重要。第12章对此进行较深入的讨论，并介绍笔者在实践中用于帮助学员理解静电、ESD和ESD控制的一些演示和技巧。

最后，第13章对ESD控制可能的发展方向进行展望。

参考资料

Amerasekera, A. and Duvvury, C. (2002). ESD in Silicon Integrated Circuits, 2e. Wiley. ISBN: 0471498711.

Industry Council on ESD Target Levels. (2010a). White paper 2: A case for lowering component level CDM ESD specifications and requirements. Rev. 2.0. [Accessed: 10th May 2017].

Industry Council on ESD Target Levels. (2010b). White paper 3: System Level ESD Part Ⅰ: Common Misconceptions and Recommended Basic Approaches. Rev. 1.0. [Accessed: 10th May 2017].

Industry Council on ESD Target Levels. (2011). White paper 1: A case for lowering component level HBM/MM ESD specifications and requirements. Rev. 3.0. [Accessed: 10th May 2017].

Johnson, H. and Graham, M. (1993). High Speed Digital Design – A Handbook of Black Magic. Prentice Hall. ISBN: 0133957241.

Lin N, Liang Y, Wang P. (2014). Evolution of ESD process capability in future electronics industry. In: 15th Int. Conf. Elec. Packaging Tech.

Montrose, M. (2000). Printed Circuit Board Design Techniques for EMC Compliance, 2e. Wiley-Interscience/IEEE Press. ISBN: 0780353765.

Reliability Analysis Center. (1979). Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings. EOS-1. Griffiss AFB, NY: Reliability Analysis Center.

Reliability Analysis Center. (1980). Electrical Overstress/Electrostatic Discharge Symposium Proceedings. EOS-2. Griffiss AFB, NY: Reliability Analysis Center.

Smallwood J., Tamminen P., Viheriäkoski T. (2014). Paper 1B.1. Optimizing investment in ESD Control. In: Proc. EOS/ESD Symp. EOS-36.

Wang, A. Z. H. (2002). On-Chip ESD Protection for Integrated Circuits. Kluwer Academic Publishers.

Welker, R. W., Nagarajan, R., and Newberg, C. (2006). Contamination and ESD Control in High-Technology Manufacturing. Wiley-Interscience/IEEE Press. ISBN: 978-0471414520.

Williams, T. (2007). EMC for product designers, 4e. Newnes. ISBN: 978-0750681704.

延伸阅读

Dangelmayer, T. (1999). ESD Program Management, 2e. Springer. ISBN: 0412136716.

EOS/ESD Association Inc. (2014). ANSI/ESD S20.20-2014. ESD Association Standard for the Development of an Electrostatic Discharge Control Program for — Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (excluding Electrically Initiated Explosive Devices). Rome, NY, EOS/ESD Association Inc.

EOS/ESD Association Inc. (2016). ESD Association Electrostatic Discharge (ESD) Technology roadmap, revised 2016. [Accessed: 10th May 2017].

International Electrotechnical Commission. (2016). IEC 61340-5-1: 2016. Electrostatics — Part 5-1: Protection of electronic devices from electrostatic phenomena — General requirements.Geneva, IEC.