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电气安全技术第三章静电及其防护 王玉洁 你知道吗 你身上和你周围就带有很高的静电电压 几百伏 几千伏甚至几万伏 特别是在干燥的季节当你脱衣服或用手去触摸金属体时会产生电击感 此时你带静电达几千伏至几万伏以上 静电学是十八世纪以前以库仑定律为基础建立起的以研究静止电荷及场作用规律的学科 是物理学中电磁学的一个重要组成部分 第三章静电及其防护第一节静电及危害第二节静电防范 大约在公元前600年的时候 希腊哲学家泰利斯就曾经叙述过用毛织物摩擦过的琥珀具有一种能吸引轻小物体的能力 也就是我们现在常说的静电起电现象 到了1600年 一位名叫威廉 吉尔伯特的英国学者对上述现象在深入研究后指出 用丝绸摩擦玻璃或许多其它物质同样也会观察到类似现象 为了区别直流电 交流电 人们通常把相对于观察者宏观上不发生定向流动的电荷称为静电 第一节静电及危害 一 静电及其特点1 静电静电放电 ElectroStaticDischarge 问题是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减 静电放电效应和电磁效应等的学科 当两种不同性质的物体相互摩擦或紧密接触后迅速剥离时 由于它们对电子的吸引力大小各不相同 就会发生电子转移 一物失去部分电子而带正电 另一物获得部分电子而带负电 如果该物体与大地绝缘 则电荷无法泄漏 停留在物体的内部或表面呈相对静止状态 这种电荷就称静电 一 静电及其特点 日常生活中 特别是在冬天 我们常常会碰到这种现象 晚上脱衣服睡觉时 黑暗中常听到噼噼啪啪的声响 而且伴有蓝光 见面握手 手指刚一接触到对方的手 会突然感到指尖刺痛 令人大惊 早上起来梳头时 头发会经常 飘 起来 越理越乱 拉门把手 开水龙头时都会 触电 时常发出啪啪的声响 这就是发生在人体的静电 人体静电的存在影响着我们的生活 生产 工作等方方面面 所以我们深入探讨人体静电的知识 以防止人体静电带来的损害 有着重要的现实意义 因为大多数 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 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ESD 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 2 静电的特点 设备或人体上的静电最高可达数万伏为至数十万伏 要正常操作条件下也常达数百至数千伏 人体由於自身的动作及与其它物体的接触 分离 磨擦或感应等因素 可以带上几千伏甚至上万伏的静电 静电是正 负电荷在局部范围内失去平衡的结果 它是一种电能 留存在物体表现 1 高电位 可达数万至数十万伏 操作时常达数百和数千伏 人通常对3 5KV以下静电不易感觉到 2 低电量 静电流多为微安级 尖端放电例外 3 绝缘体上的静电消失很慢 4 作用时间短 微秒5 受环境影响大 特别是湿度 湿度上升则静电积累减少 静电压下降 如下表 表一 人体运动产生的静电 人体运动方式静电电压 V 相对湿度10 20 相对湿度65 90 在地毯上行走35 0001 500在乙烯地板上行走12 000250在工作台上工作6 000100乙烯基包装产品7 000600从工作台上检起聚乙烯20 0001 200坐在带有垫子的操作台上18 0001 500从上面的表格可以看出 在不同的相对湿度下 相同的运动方式产生的静电电压相差一个数量级 随着微电子工业制造技术的飞速发展 集成电路的集成度不断提高 采用0 15 0 25mm制造工艺的CMOS和GaAs 砷化镓 器件被广泛使用 其耐击穿电压下限通常只有50V 100V 有着更高集成度的超高速 高频IC器件 采用了特殊的制造工艺 如薄膜技术 浅PN结 GaAs材料 微小封装等 其对ESD 电浪涌 机械应力 热应力等更为敏感 有的VMOS器件耐压只有30V 这就给含有上述静电敏感器件产品的生产制造过程提出了更严格的静电防护要求 二 静电的产生 静电的产生物质都是由分子组成 分子是由原子组成 原子中有带负电的电子和带正电荷的质子组成 在正常状况下 一个原子的质子数与电子数量相同 正负平衡 所以对外表现出不带电的现象 但是电子环绕于原子核周围 一经外力即脱离轨道 离开原来的原子核而侵入其他的原子B A原子因缺少电子数而带有正电现象 称为阳离子 B原子因增加电子数而呈带负电现象 称为阴离子 造成不平衡电子分布的原因即是电子受外力而脱离轨道 这个外力包含各种能量 如动能 位能 热能 化学能 等 在日常生活中 任何两个不同材质的物体接触后再分离 即可产生静电 当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电 而另一个体得到一些剩余电子的物体而带负电 若在分离的过程中电荷难以中和 电荷就会积累使物体带上静电 所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电 通常在从一个物体上剥离一张塑料薄膜时就是一种典型的 接触分离 起电 在日常生活中脱衣服产生的静电也是 接触分离 起电 静电的产生方式摩擦 接触 传导 分离 感应 冲流 辐射 压电 温差 电解等都可能产生静电固体 液体 粉末流体都可能产生静电因为气体也是由分子 原子组成 当空气流动时分子 原子也会发生 接触分离 而起电 所以在我们的周围环境甚至我们的身上都会带有不同程度的静电 当静电积累到一定程度时就会发生放电 静电产生的基本过程可归纳为 接触 电荷 转移 偶电层形成 电荷分离 摩擦静电序列 正极 空气 人手 石棉 兔毛 玻璃 云母 人发 尼龙 羊毛 铅 丝绸 铝 纸 棉花 钢铁 木 琥珀 蜡 硬橡胶 镍 铜 黄铜 银 金 铂 硫黄 人造丝 聚酯 赛璐珞 奥轮 聚氨酯 聚乙稀 聚丙稀 聚氯乙稀 PVC 二氧化硅 聚四氟乙稀 负极 上述任意两种介质摩擦后前者带正电 后者带负电 且相距较远的两种介质通常比相距较近的两种介质所产生的摩擦电量大 但也不是绝对的 与材料表面清洁程度 环境条件 接触压力 光洁程度 表面大小 分离速度等有关 当液体流动时 流动层的带电粒子随液体流动形成流动电流 异性带电粒子留在管道中 如管道接地则流入大地 流动的电荷形成电流 稳态时 带电粒子不断被流动液体所带走 固定层电荷经接地管道而被中和 此现象有点像电解 不同的亲和力 扩散与液体流动的综合作用取代了电解中的电场作用 影响电量大小与极性的因素有 1 液体种类及特性 2 管道材料及表面光滑度 3 流速 温度 含水量和空气 混合物及杂质微粒 静电产生的方式1 摩擦生电 如阳离子失去电子而带负电 阴离子获得电子而带正电 2 剥离生电 剥离前电性呈阳性的物质剥离后带正电 剥离前电性呈阴性的物质剥离后带负电 3 感应带电 接近带电物体时 接近正极带电的物体 金属表面负极会被感应 也就容易产生高电位参低电位接触放电的过程 同时也告诉我们要消除这种现象的方法就是实现零电位差 人体是最主要的静电源之一人体的活动使部分机械能转换为电能 每日耗热量 4 18 107J 10KWh 瞬间放电功率达90KW 人体对地电阻主要由鞋 袜 地面决定人体等效电容 100PF 电容有充放电效应 人体等效电阻 1KW 1 5KW 安全静电电压 100V 国标SJ T10630 95 静电的可利用之处 力学效应 异性相吸 同性相斥静电吸附特性已被广泛用于静电成像 复印 喷涂 植绒 除尘等实践中 三 静电的危害 1 静电火花引起燃烧爆炸如果在接地良好的导体上产生静电后 静电会很快泄漏到大地中 但如果是绝缘体上产生静电 则电荷会越聚越多 形成很高的电位 当带电体与不带电体或静电电位很低的物体接近时 如电位差达到300V以上 就会发生放电现象 并产生火花 静电放电的火花能量达到或大于周围可燃物的最小点火能量 而且可燃物在空气中的浓度或含量也已在爆炸极限范围以内时 就能立即引起燃烧或爆炸 实践证明由橡胶带 皮革或合成材料制成的传动皮带与皮带轮或导向轮间发生摩擦和接触分离时 不论皮带轮或导向轮是用非金属材料制成的还是金属材料制成的 都会在皮带和轮子上产生等量异号的静电电荷 在橡胶 塑料 造纸 纤维等行业生产中的静电有时可高达几万伏甚至十几万伏 如不采取适当消除措施 则很容易导致电击和火灾 2 电击人在活动过程中 由于衣着等固体物质的接触和分离及人体接近带电体产生静电感应 均可产生静电 当人体与其它物体之间发生放电时 人即遭到电击 因为这种电击是通过放电造成的 所以电击时人的感觉与放电能量有关 也就是说静电电击严重程度决定于人体电容的大小和人体电压的高低 由于静电能量较小 所以生产过程中产生的静电所引起的电击不会对人体产生直接危害 但人体可能因电击坠落或摔倒而造成所谓的二次事故 电击还可能使工作人员精神紧张 妨碍工作 3 妨碍生产在某些生产过程中 如不消除静电 将会妨碍生产或降低产品质量 随着涤纶 腈纶和锦纶等合成纤维的应用 静电问题变得十分突出 例如 在抽丝过程中 每根丝都要从直径百分之几毫米的小孔挤出 产生较多静电 由于静电电场力的作用 使丝飘动 粘合 纠结等 妨碍工作 在粉体加工行业 生产过程中产生的静电除带来火灾爆炸危险外 还会降低生产效率 影响产品质量 例如 粉体筛分时 由于静电电场力的作用而吸附细微的粉末 使筛目变小 降低生产效率 在塑料和橡胶行业 由于制品和辊轴的摩擦及制品的挤压和拉伸 会产生较多静电 如果不能迅速消散会吸附大量灰尘 4 对电子设备的危害现在各类数码产品的功能越来越强大 而电路板却越来越小 集成度越来越高 并都或多或少的装有部分接口用于人机交互 这样就存在着人体静电放电的ESD问题 一般数码产品中产生ESD的部位有 USB接口 HDMI接口 IEEE1394接口 天线接口 VGA接口 DVI接口 按键电路 SIM卡 耳机及其他各类数据传输接口 ESD可能会造成产品工作异常 死机 甚至损坏并引发其他的安全问题 所以在产品上市之前 国内或国外检测部门都要求进行ESD和其它浪涌冲击的测试 其中接触放电需要达到 8kV 空气放电需要达到 15kV 这就对ESD的设计提出了较高的要求 静电对电子设备损伤的两种失效形式 1 硬损伤 又称 突发性完全失效 一次性损坏 约占10 表现为器件电参数突然劣化 失去原有功能 主要原因是静电放电造成过压使得介质被击穿 或过流使得内部电路金属导线熔断 硅片局部融化等 硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现 相对软失效而言危害要小得多 它曾使得电子工业年损失达上百亿美元 这还不包括潜在的损失 2 软损伤 又称 潜在性缓慢失效 多次损伤累积后失效 约占90 日本IC生产中的不合格器件有45 是由静电造成的 受到软损伤的器件 虽然当时各类电参数仍合格 然而其使用寿命却大大缩短了 含有这些器件的产品或系统 可靠性变差 可能会在后续过程中 直至最终用户 继续遭受ESD软损伤或其它过应力损伤积累而过早地失效 由于软损伤是潜在的 运用目前的技术还很难证明或检测出来 特别是器件被装入整机产品之后 因此具有更大的危害性 这些产品流入市场后的维护成本和造成的其它损失 将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍 5 静电对航天业的危害 在航天工业 静电放电造成火箭和卫星发射失败 干扰航天飞行器的运行 第一艘阿波罗载人宇宙飞船 由于静电放电 ESD 导致火灾和爆炸 三名宇航名全部丧生 6 静电对经济造成的损失工业领域的有关专家曾作过估计 由于静电所造成的平均产品损失大约在8 33 之间在石化工业 美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起 88年美国因ESD影响损失50亿美元 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 我国近年来在石化企业曾发生30多起较大的静电事故 其中损失达百万元以上的有数起 例如上海某石化公司的2000米3甲苯罐 山东某石化公司的胶渣罐 抚顺某石化公司的航煤罐等都因静电造成了严重火灾爆炸事故 二次世界大战后许多工业发达国家都建立了静电研究机构 7 损伤实例 1 MotorolaMOS大规模集成电路 CPU 老化11周 开始未采用导电盒放置 拒收率为40 10 n 但从四周后用镀镍盒放置 则降为15 10 n 此实验跟踪7个多星期 平均为18 10 n 2 国内某厂生产CMOS电路筛选入库后 抽检发现有5 失效率 失效率模式为输入漏电流增大 经分析与ESD有关 该厂生产的CMOS电路在测试前后都放置在普通塑料盒内 塑料上的静电荷传递给CMOS电路 在测试过程中 当器件接触人体或桌面上的接地金属时就会引起放电 导致ESD损伤而失效 后来采用一系列ESD措施 改为防静电盒 现象消失 静电平均损失报告 描述最小损失最大损失估计平均损失制造商4 97 16 22 分包商3 70 9 15 承包商2 35 8 14 用户5 70 27 33 8 PC常见静电敏感元器件1 微机结构中的板卡类均为静电敏感元件 如主板 网卡 扩展卡等2 硬盘3 软驱4 光驱 如 CD ROM和DVD ROM5 CPU6 调制解调器 Modem7 内存条8 LCD 9 静电对老年人身体健康的影响由于老年人的皮肤相对比年轻人干燥以及老年人心血管系统的老化 抗干扰能力减弱等因素 因此老年人更容易受静电的影响 心血管系统本来就有各种病变的老年人 静电更会使病情加重或诱发室性早搏等心律失常 过高的静电还常常使人焦躁不安 头痛 胸闷 呼吸困难 咳嗽 第二节静电防范 一 影响静电的因素1 材料和杂质的影响材料的电阻率 包括固体材料的表面电阻率对于静电泄露有很大影响 电阻率小 不易积累静电 杂质对静电有很大影响 一般杂质有增加静电的趋势 2 工艺设备和工艺参数的影响接触面积越大 双电层正负电荷越多 产生静电越多 管道内壁粗糙 管道愈奋蹄草料不同时 产生的静电多 3 环境条件的影响潮湿程度影响材料的导电性和保持静电荷的能力 当油料或粉体料由管道进入罐体时 由于电容值的改变 使得静电电压升高 二 防止静电的意义 消除静电引起的破坏 具有下列优点 1 提高产品的合格率 2 减少总成本 3 减少现场失效 4 提高产品质量和可靠性 5 保证人身安全 三 静电的预防措施 静电控制的主要措施有 静电的泄漏和耗散 静电中和 静电屏蔽与接地 增湿等 工业治造过程中 因作业环境 程序及材料的不同 所实施的静电危害防治方法亦会有所不同 选用时必须考量现场治程环境 条件与限治 甚至经费 管理系统与人力素质等因素 1 消除工作区域的静电 减少或消除静电产生的过程 维持过程和材料处于等电势等2 使元件和流水线免于静电场的干扰 做好ESD防护设计 器件选型 合理布线 设计保护电路等使静电荷泻放与中和 使用静电导体 接地 电离器来泻放与中和静电 使用防静电材料包装和储运 3 人体静电防护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 4 接地法 用以保证操作员 设备和零部件接地的方式来消除静电 接地可以防止静电的积累和形成静电电压 静电危害防治方法中 接地是最有效且经济的方法 治程中因摩擦 感应或传导等方式产生静电 若电荷蓄积在对地绝缘的金属设备 导电性产品或人员身体上 则蓄积的电荷会在一次放电中将能量释放 此类静电放电为发生静电危害事故之主要原因 其防治方法就是将所有具导电性的对象实施接地 并保持低的接地电阻 将蓄积在金属设备 导电性产品或人员身体上的电荷迅速向大地散逸 以避免发生静电危害事故 5 增加作业环境中空气的相对湿度 在目前传统产业的治程中亦是常见的静电危害防治方法 在高湿度 R H 65 环境中 若物质表面具亲水性 则容易吸附空气中的水份 进而降低物质的表面电阻值 增加电荷散逸的速率 将电荷蓄积程度降至最低 这类物质包括棉 纸及醋酸纤维素等 工厂治程中通常会采用加湿器 地面洒水 或水蒸气喷出等方法 增加作业环境中空气的相对湿度 若物质表面为非亲水性 则不易吸附空气中的水份 致无法降低物质的表面电阻值 因此不能增加电荷散逸的速率 6 静电消除器利用高压电在空气中产生带电离子 由于异性电荷会互相吸引而中和 离子可中和带静电物体的电荷 使其电荷蓄积程度降至最低 因此不会发生静电放电 静电消除器大致可分为被动式 主动式及辐射源式等三种 选择静电消除器时 必须考量作业环境因素才能发挥最大的静电消除效果 一般而言 静电消除器架设位置应接近带静电物体而远离接地金属对象 以发挥最大的静电消除效果 此外 需注意因电离所产生臭氧的工业卫生问题 以及高压电源与带电体产生短路及放电所引发的工业安全问题 7 抗静电材料物质所蓄积的静电会经传导路径向大地散逸 若传导路径为绝缘性材料 导电性低 则静电散逸率低 若传导路径为导电性材料 导电性高 则静电散逸率高 物质的表面电阻系数小于1011 m2或体积电阻系数小于1010 m 即可避免物质蓄积过量的静电 该类物质称为抗静电材料 但在含易燃性物质的作业场所中 则抗静电材料的表面电阻系数需小于108 m2或体积电阻系数需小于106 m 对于工业治程中使用的各种材料 可经由下列方法使之成为抗静电材料 物质本身具有抗静电能力 如 棉 木材 纸及土壤等 在绝缘材料的表面涂布抗静电物质 如碳粉 抗静电剂等 在绝缘材料治造过程中加入导电或抗静电物质 如碳粉 金属 抗静电剂 导电性纤维等 8 注意事项 1 单独的防静电措施并不能完全地防止静电 必须和容器或静电屏蔽袋一起使用 2 防静电台垫 地垫和腕带必须通过限流电阻接地 以防止高压对人体的伤害 3 静电腕带必须每天检查一次 保证它没有损坏及正常运行 4 电子元件及其容器不可靠近电磁场 5 不要将装有微电子器件的电路板堆放在一起 如CPU 主板 网卡等 应将它们分离后放入防静电的容器中 如果堆积会由于摩擦而产生高压静电并快速放电 6 定期测量和控制工作区域的静电电流 第三章要求 1 掌握静电的概念 静电的特点 2 掌握静电产生的原因 3 掌握预防静电的措施 第三章作业1 名词解释 每个4分 共16分 静电 阴离子 阳离子 硬损伤2 产生静电的原因有哪些 20分 3 静电的特点 20分 4 防止静电的意义 20分 5 结合自己学习生活举例说明静电现象及其危害 预防措施 24分