电子元器件抗ESD技术.docx
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电子元器件抗ESD技术
电子元器件抗ESD技术
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电子元器件抗ESD技术讲义
引言
随着电子元器件技术的发展，静电对元器件应用造成的危害越来越明显。
一方面，电子元器件不断向轻、薄、短、小、高密度、多功能等方向发展，因而元器件的尺寸越来越小，尤其是微电子器件，COMSIC中亚微米栅已进入实用化，栅条宽度达到0.18um，栅氧厚度为几个nm或几十个Å，栅氧的击穿电压小于20V。
尺寸的减小，就使电子元器件对静电变得更加敏感。
而大量新发展起来的特种器件如GaAs单片集成电路（MMIC）、新型的纳米器件以及高频声表面波器件（SAW）等多数也都是静电敏感元器件；另一方面，在电子元器件制造和应用环境中，作为静电主要来源的各种高分子材料被广泛采用，使得静电的产生更加容易和广泛。
因此，必须应用各种抗静电放电损伤的技术，使静电对电子元器件的危害减小到最低的程度。
编写本讲义的主要目的是对电子元器件制造和应用行业的有关技术和管理人员进行“电子元器件抗静电放电损伤技术”的基础培训。
本讲义主要分为4个章节的容。
第1章“电子元器件抗ESD损伤的基础知识”，介绍有关静电和静电放电的基本原理，以及对元器件损伤的主要机理和模式；第2章“制造过程的防静电损伤技术”，重点介绍在电子元器件制造和装配过程中，对环境和人员的静电防护要求，以保证电子元器件在制造和装配过程中的静电安全；第3章“抗静电检测及分析技术”，主要介绍对电子元器件的抗ESD水平进行检测的技术。
包括国外抗ESD检测的主要标准，检测的模型和方法以及实际的一些检测结果和遇到的问题；并介绍了对ESD损伤的元器件进行失效分析的技术，包括一些常用和有效的分析技术及其适用的条件和技巧。
还讨论了ESD损伤和过电（EOS）损伤的几种判别方法和技术。
第4章“电子元器件抗ESD设计技术”，介绍电子元器件抗ESD损伤的设计技术，主要包括抗ESD设计的主要原则、基本保护电路和最先进的大规模CMOS电路中保护电路的设计技术。
本讲义的容既有通用的基本理论和知识，也收集了国外的相关资料和数据，还有我们自己在工作中遇到和解决的实际案例、数据和图片等。
讲义的容既有理论性，更注重实用性，希望能为从事电子元器件制造和应用行业的有关技术和管理人员提供较为具体的技术指导和帮助。
第1章电子元器件抗ESD损伤的基础知识
本章主要介绍有关静电和静电放电的基本原理，产生的危害以及对元器件损伤的主要机理和模式。
1.1静电和静电放电的定义和特点
什么是静电（Electrostatic，staticelectricity）？
通俗地来说，静电就是静止不动的电荷。
它一般存在于物体的表面。
是正负电荷在局部围失去平衡的结果。
静电是通过电子或离子转移而形成的。
静电可由物质的接触和分离、静电感应、介质极化和带电微粒的附着等物理过程而产生。
那什么是静电放电（ElectrostaticDischarge，ESD）呢？
处于不同静电电位的两个物体间的静电电荷的转移就是静电放电。
这种转移的方式有多种，如接触放电、空气放电。
一般来说，静电只有在发生静电放电时，才会对元器件造成伤害和损伤。
如人体带电时只有接触金属物体、或与他人握手时才会有电击的感觉。
对电子元器件来说，静电放电（ESD）是广义的过电应力的一种。
那么什么是过电应力呢？
其中的ESD又有什么特点？
广义的过电应力（ElectricalOverStress，EOS）是指元器件承受的电流或电压应力超过其允许的最大围。
表1.1是三种过电应力现象的特点比较。
表1.1三种过电应力现象的特点比较
闪电（Lightning）
过电（EOS）
静电放电（ESD）
极端的高压
极大的能量
低电压（16V）
持续时间较长
较低的能量
高电压（4kV）
持续时间短（几百纳秒）
很低的能量
快速的上升时间
从表中可以看到，静电放电现象是过电应力一种，但与通常所说的过电应力相比有其自身的特点：
首先其电压较高，至少都有几百伏，典型值在几千伏，最高可达上万伏；其次，持续时间短，多数只有几百纳秒；第三是相对于通常所说的EOS，其释放的能量较低，典型值在几十个到几百个微焦耳；另外，ESD电流的上升时间很短，如常见的人体放电，其电流上升时间短于10ns。
1.2对静电认识的发展历史
人类对静电放电危害的认识也是经历了一段漫长的历史，电子行业认识到ESD的危害只是最近几十年。
表1.2列出了人类尤其是电子行业对ESD认识的发展过程，。
表1.2对ESD认识的发展
1
千百年前，静电对人类来说曾经是非常神秘的
2
中国发明了火药后，静电对火药制造行业不再神秘了
3
美国独立战争期间，火药是在有潮湿的泥墙和泥地的房子里制造的
4
现在，在静电火花可能引起爆炸的行业如面粉厂、医院的手术室都采取了特殊的防静电措施。
5
在其它行业，静电仍然是神秘
6
在40和50年代，在塑料和胶片制造行业，发现静电问题
7
在50和60年代，在电子行业，出现静电问题。
常常发生奇怪的失效，在光学显微镜下看不到失效原因。
失效分析的结论是原因不明
8
MOS晶体管的普及和IC的发展使静电问题加剧
9
70年代，IC的几何尺寸缩小使问题更糟
10
真正的突破是半导体领域扫描电子显微镜的应用（70年代后期），第一次即使最小的ESD损伤也能看到
11
1979年，EOS/ESD研讨会成立，主要研究ESD问题，寻求解决方法
12
80年代初期，多数主要的电子制造商建立了他们的ESD组织，负责ESD问题
13
EOS/ESD也许是当今电子制造行业最主要的失效机理
1.3静电的产生
通常物体保持电中性状态，这是由于它所具有的正负电荷量相等的缘故。
如果两种不同材料的物件因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。
带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，称之为静电势。
静电产生的方式有很多，如接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等，但主要是两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电，如图1.1所示。
前者是两种物体直接接触后形成的，通常发生于绝缘体与绝缘体之间或者绝缘体与导体之间；后者则发生于带电物体与导体之间，两种物体无需直接接触。
1.3.1摩擦产生静电
当两种具有不同的电子化学势或费米能级的材料相互接触时，电子将从化学势高的材料向化学势低的材料转移。
当接触后又快速分离时，总有一部分转移出来的电子来不及返回到它们原来所在的材料，从而使化学势低的材料因电子过剩而带负电，化学势高的材料因电子不足而带正电。
对绝缘体而言，由于电子不易移动，过剩电荷将在接触表面附近累积。
显然，这种方式产生的静电荷与相互接触的两个物体分离的速度有关。
实际上，只要两种不同的物体接触再分离就会有静电产生。
但由于摩擦产生的热能为电子转移提供了足够的能量，因此使静电产生作用大大增强。
当两种物体相互摩擦的时候，接触和分离几乎同时进行，是一个不断接触又不断分离的过程。
分离速度快、接触面积大，使得摩擦所产生的静电荷比固定接触后再分离所产生的静电荷的数量要大得多。
摩擦生电主要发生在绝缘体之间，因为绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体整个表面，或迅速传给它所接触的物体,所以能产生相当高的静电势。
表1.3是常见物体带电顺序表，从带正电依次排列到带负电，其中任何两种物体摩擦时，可以按此表来判断它们带电的极性，还可以大致估计所带电荷的多寡程度。
排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电。
同种材料与不同材料相互摩擦时所带电荷的极性可能不同，如棉布与玻璃棍摩擦带负电，但与硅片摩擦时带正电。
棉布与玻璃摩擦后所带电量大于它与尼龙摩擦所带电量。
摩擦产生静电的大小除了与摩擦物体本身的材料性质有关之外，还要受到许多因素的影响，如环境的湿度、摩擦的面积、分离速度、接触压力、表面洁净度等。
表1.3是常见物体带电顺序表
序号
材料
序号
材料
序号
材料
正电荷方向
8
羊毛
16
硬橡皮
1
空气
9
丝绸
17
镊、铜
2
人的手
10
铝
18
黄铜、银
3
兔毛
11
纸
19
聚酯人造纤维
4
玻璃
12
棉布
20
聚乙烯
5
云母
13
钢
21
聚丙烯
6
头发
14
木材
22
聚氯乙烯（PVC）
7
尼龙
15
琥珀
负电荷方向
（a）摩擦生电（b）感应生电
图1.1静电产生的两种形式
1.3.2感应产生静电
静电产生的另一个重要来源是感应生电。
当一个导体靠近带电体时，会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷．远离带电体的表面出现同种电荷。
尽管这时导体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域。
显然，非导体不能通过感应产生静电。
1.3.3静电荷
静电的实质是存在剩余电荷。
电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量。
电位、电场、电流等有关的量都是由于电荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。
在科研院所、高等院校、检测站和工矿企业等部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度。
表示静电电荷量的多少用电量Ｑ表示，其单位是库仑Ｃ，由于库仑的单位太大通常用微库或纳库
1库仑（C）＝16微库（μC）
1微库（μC）＝13纳库（μC）
1.3.4静电势
虽然静电电荷是表征静电的最直接的参量，但人们又常说静电电压几千伏或几万伏。
其含义是什么呢？
与那些因素有关？
下面讨论这个问题。
前面已经提到，带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，这就称之为静电势，也叫静电电压。
实际环境中产生的静电电压通常是指带电体与之间的电位差。
如果将作为零电位，静电带电体的静电电压显然有正负之别，通常说静电电压几千伏或几万伏是指其绝对值。
静电带电体与另一个物体或之间的电位差与哪些因素有关呢？
通常把静电带电体与另一个物体或看成一个电容器。
电容器的电容量C、电容器一个电极上的电荷量Q和电容器两个极间的电位差V之间有如下关系：
V=
（1.1）
从式1.1可以知道，静电带电物体的电容对其静电势有显著影响。
带电物体与另一个物体或地之间的静电电压与它们之间的电容量成反比，即电容量越小，静电电压越大。
静电荷相同，静电势可能有数量级的差别。
如将式1.1中的电容等效成平板电容器，其电容量C可表示为：
C=
（1.2）
A为电容器面积、ε为两板之间物质的介电常数、d为两板之间的距离。
将（1.2）带入（1.1）得：
V=
（1.3）
从（1.3）式也可以了解与静电电压有关的各因素。
例：
人体带静电，其静电电压与所带的电荷量Q和人脚与地面的距离d成正比，与两脚的面积A（如果人是站立的）和脚底面与地间的物质的介电常数ε成反比。
又例：
在桌面的聚乙烯袋的静电势为几百伏，当人将袋子提起离开桌面时，因它对地间距增大，电容减小，会使静电势增加到几千伏。
1.3.5影响静电产生和大小的因素
静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系。
在高湿度环境中由于物体表面吸附有一定数量杂质离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面电导率，可将静电荷散逸到整个材料的表面，从而使静电势降低。
所以，在相对湿度高的场合，如海洋性气候地区（如我国的东南沿海地区）或潮湿的梅雨季节，静电势较低。
在相对湿度低的场合，如大陆性气候地区（如我国的北方地区）或干燥的冬季，静电势就高。
与普通场所相比，在空气纯净的场所（如超净车间），因空气中的离子浓度低，所以静电更加容易产生。
表1.4是电子生产中产生的静电势的典型值。
从中可以看到，同样的动作在不同的湿度下，产生的静电电压可以相差一个量级以上。
表1.4电子生产中产生的静电势的典型值（单位：
V）
事件
相对湿度
10％
40％
50％
走过乙烯地毯
12000
5000
3000
在工作椅上操作人员的移动
6000
800
400
将DIP封装的器件从塑料管中取出
2000
700
400
将印刷电路板装进泡沫包装盒中
21000
11000
5500
1.4静电的来源
在电子制造业中，静电的来源是多方面的，如人体、塑料制品、有关的仪器设备以及电子元器件本身。
1.4.1人体静电
人体是最重要的静电源，这主要有三个方面的原因。
其一，人体接触面广，活动围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电，同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到器件上或者通过器件放电。
其二，人体与之间的电容低，约为50一250pF，典型值为150PF，故少量的人体静电荷即可导致很高的静电势。
其三，人体的电阻较低，相当于良导体，如手到脚之间的电阻只有几百欧姆，手指产生的接触电阻为几千至几十千欧姆，故人体处于静电场中也容易感应起电，而且人体某一部分带电即可造成全身带电。
影响人体静电的因素十分复杂，主要体现在以下几个方面：
（1）人体静电与人体所接触的环境以及活动方式有关
表1.4列出了在几种活动中人体的静电势，图1.2则给出了操作人员在做不同的动作时手上静电势的变化曲线。
图1.2操作者手上的静电
（2）人体静电与环境湿度有关，湿度越低则静电势越高。
从表1.4可以清楚地看到这一点。
（3）人体静电与所着衣物和鞋帽的材料有关，化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。
工作服和衣摩擦时产生的静电是人体静电的主要起因之一，表1.5列出了质地不同的工作服和衣摩擦时人体所带的静电势。
表1.5质地不同的工作服和衣摩擦时人体的静电势（kV）
（4）人体静电与个体人的体质有关，主要表现在人体等效电容与等效电阻上。
人体电容越小，则因摩擦而带电越容易，带电电压越高，人体电阻越小，则因感应带电越容易。
人体电容与所穿戴的衣服和鞋的材料以及周围所接触的环境（特别是地板）有关，人体电阻则与皮肤表面水分、盐和油脂的含量、皮肤接触面积和压力等因素有关。
由于人体电容的60％是脚底对地电容，而电容量正比于人体与地之间的接触面积，所以单脚站立的人体静电势远大于双脚站立的人体静电势。
（5）人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高。
由图1.2可以看出这一点。
（6）人体各部位所带的静电电荷不是均等的，一般认为手腕侧的静电势最高。
1.4.2仪器和设备的静电
仪器和设备也会由于摩擦或静电感应而带上静电。
如传输带在传动过程中由于与转轴的接触和分离产生的静电，或是接地不良的仪器金属外壳在电场中感应产生静电等。
仪器设备带电后，与元器件接触也会产生静电放电，并造成静电损伤。
1.4.3器件本身的静电
电子元器件的外壳（主要指瓷、玻璃和塑料封装管壳）与绝缘材料相互摩擦，也会产生静电。
器件外壳产生静电后，会通过某一接地的管脚或外接引线释放静电，也会对器件造成静电损伤。
1.4.4其它静电来源
除上述三种静电来源外，在电子元器件的制造、安装、传递、运输、试验、储存、测量和调试等过程中，会遇到各种各样的由绝缘材料制成的物品，如表1.6所列。
这些物品相互摩擦或与人体摩擦都会产生很高的静电势。
表1.6电子元器件操作环境的其它静电源
1.5静电放电的三种模式
静电对电子产品的损害有多种形式，其中最常见、危害最大的是静电放电（ESD）。
带静电的物体与元器件有电接触时，静电会转移到元器件上或通过元器件放电；或者元器件本身带电，通过其它物体放电。
这两种过程都可能损伤元器件，损伤的程度与静电放电的模式有关。
实际过程中静电的来源有很多，放电的形式也有多种。
但通过对静电的主要来源以及实际发生的静电放电过程的研究认为，对元器件造成损伤的主要是三种模式，即带电人体的静电放电模式、带电机器的放电模式和充电器件的放电模式。
图1.3和1.4分别是人体放电和充电器件放电的实例图。
1.5.1带电人体的放电模式（HBM）
由于人体会与各种物体间发生接触和磨擦，又与元器件接触，所以人体易带静电，也容易对元器件造成静电损伤。
普遍认为大部分元器件静电损伤是由人体静电造成的。
带静电的人体可以等效为图1.5的等效电路，这个等效电路又称人体静电放电模型（HumanBodyModel）。
其中，Vp带静电的人体与地的电位差，Cp带静电的人体与地之间的电容量，一般为50-250pF；Rp人体与被放电体之间的电阻值，一般为102-105Ω。
图1.3人体放电实例图1.4充电器件放电实例
图1.5带电人体的静电放电模型图1.6带电机器的放电模型
人体与被放电体之间的放电有两种。
即接触放电和电弧放电。
接触放电时人体与被放电之间的电阻值是个恒定值。
电弧放电是在人体与被放电体之间有一定距离时，它们之间空间的电场强度大于其介质（如空气）的介电强度，介质电离产生电弧放电，暗场中可见弧光。
电弧放电的特点是在放电的初始阶段，因为空气是不良导体，放电通道的阻抗较高，放电电
流较小；随着放电的进行，通道温度升高，引起局部电离，通道阻抗逐渐降低，电流增大，直至达到一个峰值；然后，随着人体静电能量的释放，电流逐渐减少，直至电弧消失。
1.5.2带电机器的放电模式（MM）
机器因为摩擦或感应也会带电。
带电机器通过电子元器件放电也会造成损伤。
机器放电的模型（MachineModel）如图1.6所示。
与人体模式相比，机器没有电阻，电容则相对要大。
1.5.3充电器件的放电模型
在元器件装配、传递、试验、测试、运输和储存的过程中由于壳体与其它材料磨擦，壳体会带静电。
一旦元器件引出腿接地时，壳体将通过芯体和引出腿对地放电。
这种形式的放电可用所谓带电器件模型（Charged-DeviceModel，CDM）来描述。
下面以双极型和MOS型半导体器件为例给出静电放电的等效电路。
双极型器件的CDM等效电路如图1.7（a）所示，Cd为器件与周围物体及地之间的电容，Ld为器件导电网络的等效电感，Rd为芯片上放电电流通路的等效电阻。
串联着的Rd、Cd和Ld等效于带电器件。
开关S合上表示器件与地的放电接触，接触电阻为Rc。
（a）（b）
图1.7带电器件的静电放电模型
（a）双极型器件（b）MOS器件
MOS器件的CDM等效电路如图1.7（b）所示。
由于MOS器件各个管腿的放电时间长短相差很大，所以要用不同的放电通路来模拟，每条放电通路都用其等效电容、电阻和电感来表示。
当开关S闭合而且有任一个管腿接地时，各通路存储的电荷将要放电。
若在放电过程中，各个通路的放电特性不同，就会引起相互间的电势差。
这一电势差也会造成器件的损坏，如栅介质击穿等。
器件放电等效电容Cd的大小和器件与周围物体之间的位置及取向有关，表1.7给出了双列直插封装器件在不同取向时的等效电容值，可见管壳的取向不同，电容可相差十几倍，因而其静电放电阈值可以有显著差别。
表1.7双列直插封装器件在不同取向时的电容值（pF）
1.6静电放电失效
1.6.1失效模式
电子元器件由静电放电引发的失效可分为突发性失效和潜在性失效两种模式。
突发性失效是指元器件受到静电放电损伤后，突然完全丧失其规定的功能，主要表现为开路、短路或参数严重漂移，具体模式如：
双极型器件的射一基间短路，场效应器件的栅一源间或栅一漏间短路或开路，集成电路的金属化互连或键合引线的熔断，多晶硅电阻开路，MOS电容介质击穿短路等。
潜在性失效是指静电放电能量较低，仅在元器件部造成轻微损伤，放电后器件电参数仍然合格或略有变化，但器件的抗过电应力能力已经明显削弱，或者使用寿命已明显缩短，再受到工作应力或经过一段时间工作后将进一步退化，直至造成彻底失效。
在使用环境中出现的静电放电失效大多数为潜在失效。
据统计，在由静电放电造成的使用失效中，潜在性失效约占90％，而突发性失效仅占10％。
而且，潜在性失效比突发性失效具有更大的危险性，这一方面是因为潜在失效难以检测、而器件在制造和装配过程中受到的潜在静电损伤会影响它装入整机后的使用寿命；另一方面，静电损伤具有积累性，即使一次静电放电未能使器件失效，多次静电损伤累积起来最终必然使之完全失效。
1.6.2失效机理
静电放电失效机理可分为过电压场致失效和过电流热致失效。
过电压场致失效多发生于MOS器件，包括含有MOS电容或钽电容的双极型电路和混合电路；过电流热致失效则多发生于双极器件，包括输入用pn结二极管保护的MOS电路、肖持基二极管以及含有双极器件的混合电路。
实际元器件发生哪种失效，取决于静电放电回路的绝缘程度。
如果放电回路阻抗较低，绝缘性差，元器件往往会因放电期间产生强电流脉冲导致高温损伤，这属于过电流损伤。
如果放电回路阻抗较高，绝缘性好，则元器件会因接受了高电荷而产生高电压，导致强电场损伤，这属于过电压损伤。
（1）过电压场致失效
过电压场致失效是指高阻抗的静电放电回路中，绝缘介质两端的电极因接受了高静电放电电荷而呈现高电压，有可能使电极之间的电场超过其介质临界击穿电场，使电极之间的介质发生击穿失效。
高静电电荷和高电压的来源既可以是静电源直接接触放电、也可以是由于场感应而产生的。
影响过压失效的主要因素是累积的静电电荷量和高电压。
对于MOS器件（包括MOS电容）和固体钽电容，电极间介质的电场超过其击穿临界电场（对于SiO2，临界场强为（7-10）×106V／cm）时，介质层就会发生击穿而使MOS器件的栅一源或栅一漏之间或电容的电极之间短路。
计算表明，当人体电容为100pF、放电电阻为200Ω时，作为静电放电源的人体的静电势，只要有1100V就可使62.5nm厚度的氧化层被破坏。
氧化层越薄或者氧化层电场越强，则越容易出现这种失效，所以具有强氧化层电场的VMOS功率器件以及具有更薄的栅氧化层的VLSlMOS电路（栅氧厚度已达几个nm），比常规M0S器件更容易受到过电压损伤。
无论是MOS器件或电容，当介质层有针孔或缺陷时，击穿将首先在针孔或缺陷处发生。
而对MOS器件来说，栅介质击穿常常发生在栅一漏或栅一漏交接处，因该处不仅电场集中，而且作为薄厚氧化层交接的台阶所在，应力也集中，故介质击穿强度较低。
如果静电放电能量不足以造成器件的永久性损坏，即击穿后器件性能有可能恢复，但已引入潜在缺陷，继续使用会经常出现低电压击穿和漏电增加，不久即会出现致命失效。
对于CMOS硅栅器件，静电放电造成的潜在损伤会使n沟道器件出现栅一源管道漏电，使p沟道器件栅一源间呈现二极管特性，对电路的正常工作造成不良影响，如图1.8所示。
图1.8CMOS硅栅器件的栅一源管道漏电
对于双极型器件，过电压场致损伤没有MOS器件那样显著，静电放电常常在pn结扩散窗口边缘处的表面附近形成电场，形成局部损伤使pn结反向电流增大。
在集成电路中，如果键合引线与芯片的电源线之间距离太近，或者相邻铝条之间的距离很近，则当静电导致它们之间的电压超过空气击穿电压时，就有可能发生气体电弧放电，形成电火花，导致铝条或金属引线的熔化、结球或流动。
在具有高密度和细间距金属化互连的超大规模集成电路、具有梳状电极的超高频晶体管以及具有小间距薄层电极的声表面波器件中，容易发生这种失效。
（2）过电流热致失效
过电流热致失效是由于较低阻抗的放电回路中，由于静电放电电流过大使局部区域温升超过材料的熔点，导致材料发生局部熔融使元器件失效。
影响过流失效的主要因素是功率密度。
静电放电形成的是短时大电流，放电脉冲的时间常数远小于器件散热的时间常数。
因此，当静电放电电流通过面积很小的pn结或肖特基结时，将产生很大的瞬间功率密度，形成局部过热，有可能使局
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