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防静电知识讲座 日常生活中的静电 从地毯上走过 抓住门的把手 梳头 脱毛线衣 火花产生了 这个现象就是人们所知的静电放电 ESD electrostaticischarge 人类通过日常活动可产生高达25 000V的静电放电 人类手的神经可感觉到低至大约3 000V的静电放电 只需要10V的ESD就可毁坏今天IC内部的某些极小零件和迹线 其结果是 虽然ESD看不见 听不到或感觉不到 但可重大地损伤或毁坏电子产品 人类对静电的认识 静电学是电学中最古老的学科据有资料记载 古希腊哲学家塔勒斯 Thales 公元前640 546年在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸 法兰绒摩擦琥珀 Amber 之后也有类似于磁石能吸引轻小物体的性质 电这个词起源于希腊语 琥珀 二十世纪中后期静电危害震惊世界 美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起 1969年底在不到一个月的时间内荷兰 挪威 英国三艘20万吨超级油轮洗舱时产生的静电引起相继发生爆炸以后引起了世界科学家对静电防护的关注 我国在石化企业发生了30多起较大的静电事故 其中损失达百万元以上的有数起 高科技工业生产中静电危害的形成 高工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用 一些电阻率很高的高分子材料如塑料 橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化 使得静电能积累到很高的程度 另一方面 静电敏感材料的生产和使用 如轻质油品 火药 固态电子器件等 工矿企业部门受静电的危害也越来越突出 静电危害造成了相当严重的后果和损失 静电放电防护意义 1 减少损失 例如 美国一年的损失达200多亿美金 仅电子工业的损失超过100多亿美金 2 提高产品质量和可靠性3 提高生产效率4 静电防护回报达1 95以上 静电放电的培训人员 领导管理人设计工程师现场工程师维护 修理技术人员仓储人员质量控制和检测人员 代表性的培训内容 基本知识与基本原理静电防护操作要求防护器材测量与标准敏感度分类包装 标志防静电工作区 静电起电定义 静电起电包括使正 负电荷发生分离的一切过程 如通过固体与固体表面 固体与液体表面之间的接触 摩擦 碰撞 固体或液体表面的破裂等机械作用产生的正 负电荷分离 也包括气体的离子化 喷射带电以及在粉尘 雪花和暴风雨中的带电现象 金属与金属的接触起电 两种不同的金属I和II相接触时 当它们之间的距离小于25 10 10m时 由于量子力学的隧道效应 两种金属内的电子穿过界面而互相交换 由于两金属的功函数不同 对电子的吸引力不同 当达到平衡时 一种金属失去电子带正电 另一种金属得到电子带负电 界面两侧出现了等量异号电荷 偶电层 两金属之间产生了一定的电位差 接触电势差 摩擦起电的实质 接触分离起电任何不同材质的物体接触后再分离 即可产生静电 静电是如何产生的 接触分离起电 本质 摩擦起电摩擦实质上是一种接触分离造成正负电荷不平衡的过程工作时常接触到的物体有 桌面 地板 椅子 衣服 纸张 卷宗 包装材料 流动空气 1 3静电带电序列 序列表中的物质离得越远 各自所带的电荷数量也越大 常见物质的磨擦起电序列如下表所示 感应静电起电物体不接触也能起电 当带电物体A接近不带电物体C时在导体C的a端和b端分别感应出负电和正电ACB静电感应引起放电 图1 其他起电方式 热电起电压电起电断裂起电电解带电亥姆霍兹层喷射起电等 人活动产生的静电电压 参考数据 器件所能承受的静电电压 几十伏到几百伏 几千伏到几万伏 器件 人体静电电压 要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏 这一点非常重要 人体有感觉的静电放电电压在3000 5000V之间 然而 元件发生损坏时的电压仅几百伏 生产场所中的静电危害源 静电是如何产生的小结 任何两个不同材质的物体接触后现分离即可产生静电 摩擦的实质是一种接触分离过程 当带电物体接近不带电物体时会感应静电 大部分器件的静电破坏电压都在几十至几百伏 而在干燥的环境中人活动所产生的静电可达几千伏到几万伏 静电放电造成火箭飞行失败统计表 电子工业中静电问题的产生 静电是时时刻刻到处存在的 但是在二十世纪40 50年代很少有静电问题 因为那时是晶体三极管和二极管 而所产生静电也不如现在普遍存在 在60年代 随着对静电非常敏感的 器件的出现 静电问题也出现了 到70年代静电问题越来越来严重 80 90年代 随着集成电路的密度越来越大 一方面其二氧化硅膜的厚度越来越薄 微米 纳米 其承 承受的静电电压越来越低 另一方面 产生和积累静电的材料如塑料 橡胶等大量使用 使得静电越来越普遍存在 仅美国电子工业每年因静电造成的损失达几百亿美圆 因此静电防护已成为电子工业的隐形杀手 是电子工业普遍存在的 硬病毒 在某个时刻内外因条件具备时就要发作 电子工业中静电问题的产生 静电对电子产品损害的四种形式 吸尘 缩短寿命 放电破坏 完全破坏 放电产生热 潜在损伤 放电产生电磁场 电磁干扰 静电的基本物理特性为 吸引或排斥 与大地有电位差 会产生放电电流 这三种特性能对电子元件的三种影响 1 静电吸附灰尘 降低元件绝缘电阻 缩短寿命 2 静电放电破坏 使元件受损不能工作 完全破坏 3 静电放电电场或电流产生的热 使元件受伤 潜在损伤 4 静电放电产生的电磁场幅度很大 达几百伏 米 频谱极宽 从几十兆到几千兆 对电子产器造成干扰甚至损坏 电磁干扰 如果元件全部破坏 必能在生产及品管中被察觉而排除 影响较小 如果元件轻微受损 在正常测试下不易发现 在这种情形下 常会因经过多层之加工 甚至已在使用时 才发现破坏 不但检查不易 而且其损失亦难以预测 要耗费多少人力及财力才能清查出所有问题 而且如果在使用时才察觉故障 其损失将可能巨大 静电对电子产品损害 静电对电子产品损害的四个特点 隐蔽性 人体感知的静电放电电压2 3KV潜在性 操作后性能没有明显的下降随机性 从一个元件产生以后 一直到它损坏以前的所有过程复杂性 分析困难 掩盖了失效和真正原因 静电对电子产品损害的特点 1 隐蔽性人体不能直接感知静电除非发生静电放电 但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉 这是因为人体感知的静电放电电压为2 3KV 所以静电具有隐蔽性 2 潜在性有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降 但多次累加放电会给器件造成内伤而形成隐患 因此静电对器件的损伤具有潜在性 静电对电子产品损害的特点 3 随机性电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢 可以这么说 从一个元件产生以后 一直到它损坏以前 所有的过程都受到静电的威胁 而这些静电的产生也具有随机动性性 其损坏也具有随机动性性 4 复杂性静电放电损伤的失效分析工作 因电子产品的精 细 微小的结构特点而费时 费事 费钱 要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器 即使如此 有些静电损伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别 使人误把静电损伤失效当作其他失效 这在对静电放电损害未充分认识之前 常常归因于早期失效或情况不明的失效 从而不自觉地掩盖了失效的真正原因 所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性 静电放电造成微电子电路损伤的模式 金属布线与扩散区 或多晶 接触孔产生火花 使金属和硅的欧姆接触被破坏 使节点的温度超过半导体硅的熔点 1415 时 使硅熔解 产生再结晶 造成器件短路 金属化电极和布线熔解 球化 造成电路开路 大电流流过PN结产生焦耳热 使结温升高 形成 热斑 或 热奔 导致器件损坏 静电放电引发的瞬时大电流 静电火花 引燃引爆易燃 易爆气体混合物或电火工品 造成意外燃烧 爆炸事故 静电放电使人体遭受电击引发操作失误造成二次事故 静电场的库仑力作用使纺织 印刷 塑料包装等自动化生产线受阻 第三类静电危害是由于静电放电的电磁辐射或静电放电电磁脉冲 ESDEMP 对电子设备造成的电磁干扰引发的各种事故 静电放电造成微电子电路损伤的模式 机理分析 一般说来 静电放电都是在微秒或钠秒量级完成的 因此这一过程是一种绝热过程 放电瞬间通过回路的大电流 形成局部的高温热源 对微电子器件而言 其静电放电能量通过器件集中释放 其平均功率可达几千瓦 热量很难从功率耗散面向外扩散 因而在器件内形成大的温度梯度 造成局部热损伤 电路性能变坏或失效 静电放电造成微电子电路损伤的模式 静电放电强电场效应强电场导致MOS声效应器件的栅氧化层被击穿 使器件失效 强电声导致微电子电路绝缘介质击穿 或使器件性能下降 强电场使集成电路和精密的电子组件老化 降低设备寿命 电子工业哪些过程会产生静电危害 元件从生产到使用的整体过程中都会产生静电 依各阶段的可分为 1 元件制造过程在这个过程 包含制造 切割 接线 检验到交货 2 印刷电路版生产过程收货 验收 储存 插入 焊接 品管 包装到出货 3 设备制造过程电路板验收 储存 装配 品管 出货 4 设备使用过程收货 安装 试验 使用及保养 为什么要提升静电防护意识 在本世纪70前代以前 很多静电问题都是由于人们没有静电意识而造成的 即使现在也有很多人怀疑静电会对电子产品造成损坏 这是因为大多数静电损害发生在人的感觉以下 因为人体对静电放电的感知电压约为3 而许多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏 通常电子器件被静电损坏后没有明显的界限 把元件安装在PCB上以后再检测 结果出现很多问题 分析也相当困难 特别是潜在损坏 即使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化 所以很都电子工程师和设计人员都怀疑静电 近年但实验证实 这种潜在损坏在一定时间以后 电子产品的可靠性明显下降 静电是即古老又年轻的学科任何物质接触分离后都会产生静电静电的产生与材料 接触分离的速度 湿度等因素有关工业生产中静电危害的特点主要有 隐蔽性 潜在性 随机性 复杂性静电也可以利用 高科技工业中静电控制原理 在操作等过程中控制静电 使其不能达到危害的程度 所有工作人员 提高元器件 组件 线路板 及整机的搞静电能力 设计人员 人体静电放电控制原理 人体是最普遍存在的静电危害源对于静电来说 人体是导体 对人体采取接地的措施可以控制人体静电 静电放电控制原理 接地 在大多数情况下 第三条导线 保护接地 交流设备接地是接地的最优先选择 当第三条交流设备接地导线不能用到或不适用时 工作人员应该通过腕带或其它接地系统与静电放电敏感物件的一个导电性组件相连接 以保证所有组件处在同样电位 静电放电控制原理 接地 静电导体 接地人员接地 腕带 0 8 1 2 106 鞋对地电阻 109 设备和工具接地 1 0 环境 地面 货架 活动设备对地电阻 1 109 防静电鞋与腕带使用中人体安全问题 仅从防静电的角度考虑时 人体总的对地电阻越小越好 但最小值受到安全方面的限制 人体必须具有一定值的对地电阻 以便万一发生金属设备或装置与工频电源短接的情况下该电阻能够限制流过操作的人体上的电流 最小值不应小于105 通常腕带的限流电阻在1 防静电鞋的最小电阻应不应小于105 最大不超过109 腕带和工作台垫提供ESD到达地下的清晰的路径 使其佩带者接近零伏电荷 带和垫两者都用内置限流1M电阻 形成一个安全系统 为装配或制造工人防止来自偶然的110VAC的电击 使静电从脚导到大地 使用防静电地面 防静电地垫 地毯等 防静电鞋防静电袜防静电鞋垫注意 鞋 地面 袜 鞋垫等必须全是防静电的 才能保证静电从脚导向大地无防静电地面或防静电地垫 单独使用防静电鞋 防静电服防静电作用不大 因为静电不能泄放到大地 使静电从脚导到大地 佩戴防静电腕带并接地用手触摸接地金属体如球能暂时释放人体静电 但手离开接地金属体后又会产生静电腕带对地电阻 0 8 1 2 106 无线腕带不能起到好的防静电作用 防静电腕带的使用问题 使用腕带操作时不允许断开 否则会失去接地作用 夹在衣服等不导静电物体上的接地装置 不能释放人体静电 防静电鞋与腕带的使用中要注意哪些问题 使用腕带操作时不允许断开 否则会失去接地作用 各种腕带使用的主要问题是开路 有时是临时性的 有时是长时间断开 使失去接地作用 有的人因此使用腕带检测器测量其通断状态 有的用监测仪器测量腕带的开路及电阻变大 腕带扣得不紧造成人体皮肤与腕带的接触电阻变大有些腕带的电阻就是带子本身的 当带触及地时使其电阻大大减小 有可能因此造成对人体电击的危险 防静电鞋与腕带的使用中要注意哪些问题 防静电鞋在穿用时应有防静电袜 鞋垫 并在防静电地面上工作才能使人体所带的静电导到大地 任何一部分电阻过大或断开都会使人体带上危害的静电 所以在重要的部门应有人体电阻测试仪随时检测人体所穿的鞋 袜 鞋垫及与人体的总电阻是否能起到泄漏静电的要求 腕带应用专门的带插座的接地线与地连结 不能夹在桌面或桌边的金属体上 因为这些金属体对地的电阻可能很大 要经常检查腕带的电阻 防静电包装袋 容器材料 普通运载材料 物品包括 防静电 antistatic 这种类型包括传统的粉红色特殊配方的塑料袋和不透明IC装运管 当零件在内面移动时 这些具有事实上不产生任何新静电的特性 但是重要的是注意 它们不是屏蔽容器 不能阻挡强电场 例如 在高度放电的泡沫托盘内的IC装运管会把零件暴露给ESD 防静电包装袋 容器材料 屏蔽 shielding 这一类型包括传统的金属化装运袋和碳质线纸板盒 金属化袋开始是聚酯薄膜 Mylar 然后喷涂连续的铝层 这种袋为其包装的内容形成法拉第筒 faradaycage 可有效地阻挡电场 铝涂层袋对任何距离的装运都很好 但必须完全关闭才起作用 它应该用拉链合上 如果提供 或折叠和胶带封住 不要用订书钉来密封袋 因为致命的电场会通过订书钉从外面传到内面 不要让袋子开着口 因为袋内的物品会暴露在强电场下 不要将PCA用空袋子包裹来携带 不要把PCA放在空袋子上 防静电包装袋 容器材料 碳质线纸板盒开始是内面完全涂层的纸板 外面是导电性的碳涂层 这种盒子对装运很好 只有当盖子完全关闭才起作用 因为PCA在盒子内到处移动 所以通常不提供接地通路 如果盖子部分掉开 物品暴露 则可能受到强电场的损坏 导电性塑料如托盘和零件箱 由特殊配方的塑料制造 将PCA或元件放在耗散性脚垫的纸上是可以的 只要引脚连续地接触脚垫 人穿上脚带拿住托盘 只走在特殊涂层的ESD耗散性上过蜡的地板上 防静电包装袋 容器材料 零件箱也是由特殊配方的塑料制成 使其具有导电性和屏蔽性 这些可用于本地或长距离的运输 盖子必须完全闭合和拴住 金属笼 这种笼子是工厂内部运输的有效工具 如果有耗散性脚垫在顶部 防止快速放电 并用链条接地到上过静电耗散性蜡的地板上 服装 手套 指套 帽子 服装 手套 指套 帽子不锈钢纤维或导电纤维与普通纤维混纺而成 通过导电纤维的电晕放电和泄漏作用消除的静电 耐洗涤 但一般本身不能导静电 防静电服装 手套 指套 帽子单独使用时防静电作用不大 静电消除 使用静电消除器使用静电消电液湿度控制降低运动速度 湿度控制 用加湿机 使相对湿度在50 70 以内可以增快静电泄漏 静电防护设施的定期检查 人员接地 35 106 或 100伏 腕带 0 8 1 2 106 腕带 0 8 106至1 2 106 EPA环境 工作台面 鞋类 地面 货架 活动设备 1 109 200伏 设备工具接地 1 0 电子工业哪些过程会产生静电危害 在这整个过程中 每一个阶段中的每一个小步骤 元件都可能遭受静电的影响 而实际上 最主要而又容易疏忽的一点却是在元件的传送与运输的过程 在这整个过程中 不但包装因移动容易产生静电外 而且整个包装容易暴露在外界电场 如经过高压设备附近 工人移动频繁 车辆迅速移动等 而受到破坏 所以传送与运输过程需要特别注意以减少损失 避免无谓之纠纷 所以 从元件的制造 使用到维修的任一环节都有可能发生静电损害 如何控制静电 从前面的分析可知静电是由于物体接触分离 甚至没有接触的感应等方式产生的 就连我们周围的空气也是由原子组成的 当这些空气流动时也会产生静电 可以说 在任何时间 任何地点都可能产生静电 要完全消除静电几乎不可能的 但可以采取一些措施控制静电在不危害的程度之内 如何控制人体静电 人体是最普遍存在的静电危害源 对于静电来说 人体是导体 所以可以对人体采取接地的措施1 使用防静电地面 防静电鞋 袜 静电从脚导到大地 通过脚穿防静电性地面 地垫 地毯 人员穿上防静电鞋袜 形成组合接地 2 佩戴防静电腕带并接地 静电从手导到大地 通过手用以泄放人体的静电 它由防静电松紧带 活动按扣 弹簧软线 保护电阻及插头或夹头组成 松紧带的内层用防静电纱线编织 外层用普通纱线编织 上述两项措施都是实用而有效的 应视不同的场合选择使用 工厂防静电基本要求 一 静电防护的基本原则a 抑制静电荷的积聚 b 迅速 安全 有效地消除已经产生的静电荷 二 防静电工作区场地 地面材料a 禁止直接使用木质地板或铺设毛 麻 化纤地毯及普通地板革 b 应该选用由静电导体材料构成的地面 如防静电活动地板或在普通地面上铺设防静电地垫 并有效接地 c 允许使用经特殊处理过的水磨石地面 如事先敷设地线网 渗碳或在地面喷涂抗静电剂等 接地a 防静电系统必须有独立可靠的接地装置 接地电阻一般应小于10 埋设与检测方法应符合GBJ97的要求 b 防静电地线不得接在电源零线上 不得与防雷地线共用 c 使用三相五线制供电 其大地线可以作为防静电地线 但零线 地线不得混接 接地d 接地主干线截面积应不小于100mm2 支干线截面积应不小于6mm2 设备和工作台的接地线应采用截面积不小于1 25mm2的多股敷塑导线 接地线颜色以黄绿色线为宜 e 接地主干线的连接方式应采用钎焊 f 防静电设备连接端子应确保接触可靠 易装拆 允许使用各种夹式连接器 如锷鱼夹 插头座等 天花板材料天花板材料应选用抗静电型材料制品 一般情况下允许使用石膏板制品 禁止使用普通塑料制品 墙壁面料墙壁面料应使用抗静电型墙纸 一般情况下允许使用石膏涂料或石灰涂料墙面 禁止使用普通墙纸及塑料墙纸 湿度控制a 防静电工作区的环境相对湿度以不低于50 为宜 随着湿度上升 空气中许多潮气 ESD的危险没有了 这个说法是错误的 危险性降低是真的 但没有脱离 b 在不对产品造成有害影响前提下 允许使用增湿设备喷洒制剂或水 以增加环境湿度 c 计算机房的湿度应符合GB2887中的有关规定 类似的机房也应符合此规定 区域界限防静电工作区应标明区域界限 并在明显处悬挂警示标志 警示标志应符合GJB1649规定 工作区入口处应配置离子化空气风浴设备 电荷源防静电工作区内禁止使用及接触易产生静电荷的电荷源 如下表 三 电子产品防静电设施 静电安全工作台a 静电安全工作台是防静电工作区的基本组成部分 它由工作台 防静电桌垫 腕带接头和接大地线等组成 b 防静电桌垫上应不少于两个腕带接头 一个供操作人员使用 另一个供技术人员 检验人员或其它人员使用 c 必要时 静电安全工作台上应配备离子风静电消除器 d 静电安全工作台上不允许堆放塑料盒 片 橡皮 纸板 玻璃等易产生静电的杂物 图纸资料等应装入防静电文件袋内 防静电腕带直接接触静电敏感器件的人员均应戴防静电腕带 腕带应与人体皮肤有良好接触 腕带必须对人体无刺激 无过敏影响 腕带系统对地电阻值应在106 108 范围内 防静电容器在电子设备研制生产过程中 一切贮存 周转SSD的容器 元器件袋 转运箱 印制板架 元器件存放盒等 应具备静电防护性能 不允许使用金属和普通塑料容器 必要时 存放部件用的周转箱应接地 离子风静电消除器消除绝缘材料表面的静电荷应使用离子风静电消除器 防静电工作服a 进入防静电工作区或接触SSD的人员应穿防静电工作服 防静电工作服面料应符合GB12014规定 b 在相对湿度大于50 的环境中 防静电工作服允许选用纯棉制品 防静电工作鞋进入防静电工作区或接触SSD的人员应穿防静电工作鞋 防静电工作鞋应符合GB4385的有关规定 一般情况下允许穿普通鞋 但应同时使用导电鞋束或脚跟带 防静电运输车转运SSD或含有SSD的整 部件时 应采用有防静电性能的运输车 谢谢大家