《静电技术培训教材》PPT课件.ppt

1 静电技术培训教材 防静电组 2 教材内容提要 第一部分 基础理论一 静电 静电的产生 二 电子工业中的静电问题 三 静电放电损坏 模型 四 静电防护 五 防护管理 第二部分 各部门的管理规范与程序文件 3 第一部分 基础理论 一 静电 静电的产生 4 1 0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年在研究天然磁石时发现用丝绸 法兰绒摩擦琥珀 Amales 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 WillianGilbert 英国人 1540 1603 重复了塔勒斯的实验 Electrics no electrics发明了第一台验电器 versorium 用来检验带电物体 他被称为是电学之父 5 富兰克林 Benjaminfranklin 富兰克林 Benjaminfranklin 1706 1790 摩擦后的玻璃棒带正电 而树脂带的电为负电 风筝实验在风筝上固定一根金属线 以便从雷云中获取更多的电 雨淋湿了连接风筝的细线 而这细线的一端连在莱顿瓶的一端 当雷雨来临时 莱顿瓶上不断产生火花 德国科学家Richman1753年被电死 6 静电 物质的组成 物质 分子 原子 原子核 电子在自然状态下 物质处于电平衡的中性状态 即不带电 在静电学中称不带电物体为电的中性体 在某种状态下 当物质原子中的电平衡状态被打破 丢失或获得电子 物质即由中性状态改变为带电状态 7 物体呈现带电的现象称为带电现象 它是一种自然现象 按照物体所带电荷的存在与变化状态可分为动电 流电 相象和静电现象 静电现象指相对于观察者而言 所带的电荷处于静止或缓慢变化的相对稳定状态 动电现象则与此相反 在静电情况下 由于电荷静止不动或其运动非常缓慢 故它所引起的磁场效应较之电场效应来说可以忽略不计 8 库仑 CharleAugustinedeCoulomb 1736 1806 法国物理学家1777年发明了库仑秤1785年库仑设计制作了一台精确的扭秤 用扭秤实验证明了同号电荷的斥力遵从平方反比率 库仑定律 与静电学研究相关的物理量 9 库仑定律 12 21 q1q2 212在真空中 q1和q2两个点电荷之间的相互作用力的方向沿着这两个点电荷的连线 同号电荷相斥 异号电荷相吸 作用力的大小与电量q1和q2的乘积成正比 而与这两个点电荷的距离成反比 电荷量的单位就是以他的名字命名的 单电子或质子所带电量以e来表示 e 1 6021892 10 19C 单位库仑和静电制电量单位之间的关系 1C 3 109 静电制电量单位 13年前1772年英国物理学家Cavendish发现了平方反比率 但他的研究成果都没有发表 是一百年后Mmxwell整理他的大量手稿时才将上述结果公诸于世的 10 法拉弟 MichaelFaraday 法拉弟 MichaelFaraday 1791 1867 英国人 法拉弟笼实验法拉弟桶 Faradayice pail 实验 当一带电体接触金属桶的内壁时 电荷转移到桶的外表面 电容量的单位就是以他的名字命名 11 家尔瓦尼 电流的发现人 家尔瓦尼 LuigiGalvani 1737 1798 意大利解剖医学家及物理学家 发现了一种不用摩擦就能产生的电 把青蛙腿放在铁锅中 然后用铜线触及青蛙的神经 发现青蛙腿抽畜 当用铁丝触及青蛙的神经时不会抽畜 他发现两种不同的金属接触青娃时会发生抽畜两种不同的金属接触后会产生电位差 12 二十世纪初 静电学也从实验和科学阶段走向实际应用阶段 1907年FrederikG Cottrell才制造了世界上第一台的实际应用的静电除尘器用于捕集硫酸酸雾 1922年VandeGraff发现了实用的静电起电机 1923年DetroitEdison公司安装了第一台静电除尘器 静电除尘 静电喷涂 静电分离 静电复印等 利用静电在实际生活中的应用 13 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 我国在石油企业发生了30多起较大的静电事故 其中损失达百万元以上的有数起 14 工业生产中静电危害的形成 工业发展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 使得静电能积蓄到很高的程度 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 工矿企业部门受到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 15 世界静电科研组织 1953年英国物理学会 Inst ofPhys 在伦敦召开了第一次静电学术会议 共有24篇论文 其中8篇有关静电防护 7篇有关静电应用论文 以后每4年召开一次 1970年在维也纳奥地利召开了欧洲静电学会 EFCE 第一次学术交流会 以后每4年开一次 1970年美国静电学会 ESA 成立 以后每年召开一次静电学术年会 1994年开始与日本静电学会 IESJ 联合召开多次会 16 世界静电科研组织 续 1971年IEEE IAS EPC第一次召开静电学术会议1976年日本静电学会 IESJ 成立 增田闪一会长1981年我国成立了中国物理学会静电专业委员 李瑞年主任 以后各省市及行业静电专业委员会成立1982年国际静电放电协会 EOS ESD 成立并每年召开一次大规模的国际静电放电会议 从此 ESD问题越来越受到重视 17 ESD是什么意思 ESD是ElectroStaticDischarge 静电放电 的缩写 在20世纪中期以后 随着工业技术的迅速发展 ESD问题越来越受到人们的重视 18 ESD防护意义 1 减少损失 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 19 ESD的培训人员 领导管理人员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 20 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防静电工作区 21 静电产生的机理 原子结构 原子核 电子摩擦起电1 接触2 分离摩擦起电的实质 接触分离起电 任何不同材质的物质接触后再分离 即可产生静电 22 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 工作中接触到的物体有 桌面 地板 椅子 衣服 电子元件 包装材料 仪器设备 料盒 机器 纸张 流动空气等等 为什么流动空气会产生静电呢 加温室内为何要放水 静电可因多种原因而发生 例如物体间的摩擦 电场感应 介质极化 带电微粒附着等许多物理过程都有可能导致静电 23 感应静电起电 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 A C a 一一一 b B 当一个带静电的人 如经理 领班 工程师 来宾 突然靠近您 会有什么静电危害 24 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 25 不同湿度下各种操作时的人体电位 26 器件所能承受的静电电压 27 器件 人体静电电压 几百到几千伏 几千到几万伏 28 生产产所中的静电危害源 29 静电是如何产生的小结 任何两个不同材质的物体接触后再分离即可产生静电 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百伏至几千伏 而在干燥的环境中人活动所产生的静电电压可达几千伏到几万伏 静电危害的特点 隐蔽性 潜在性 随机性 复杂性 30 二 电子工业中静电问题 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静电对电子产品损害的四种特点哪些过程会产生静电危害 31 电子工业中静电问题的产生 40 50年代晶体三极管和二极管60 70年代MOS器件的出现80 90年代二氧化硅膜的厚度越来越薄 微米 纳米 其承受的静电电压愈来愈低 另一方面 生产和积累静电的材料如塑料 橡胶等大量使用 使得静电积累到很高的程度 32 静电已成为电子工业的隐形杀手 静电是电子工业普遍存在的一种 病毒 33 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 潜在损坏 放电产生电磁场 电磁干扰 34 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 损伤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 掩盖了失效的真正原因 35 电子工业哪些过程会产生静电危害 元件制造过程 切割 连线 检验印刷电路版生产过程 储存 装配设备使用过程 安装 试验设备维修过程 拆卸 检验 从元件的制造 使用到维修的任一环节 静电已成为电子工业的隐形的致命杀手 36 三 静电放电损坏模型 人体模型带电器件模型场增强模型机器模型电容偶合模型 37 人体模型HBM 人体模型的建立 电容为100PF 电阻为1 5K GJB1649 38 人体模型放电电流波形 Tri 10nsTdi 150 20nsIp 10 Ir 15 Ip 100ns 39 EsIp是电流波形检测过程中流过R的峰值电流表 大约为Vs 1500 人体模型放电电压与峰值电流的关系 40 带电器件模型 CDM 器件本身积累静电而迅速放电造成元件 如一个集成电路损坏 管脚上电荷的典型值为3nC 库仑 塑料包装上的电荷小于0 2nC 41 CDM波形图 小于10ns过程太快 以致输入保护电路来不及导通 典型的情况是导致芯片内或氧化区的损坏 CurrentA 几个纳库的电荷能导致器件损坏 上升时间约0 5ns 持续时间小于10ns 42 机器模型 由2000PF电容窜500 电阻和一个500nH电感代替通常串联的电阻构成 机器模型是如带电绝缘的面板 小车 金属盒或任何绝缘的导体等常用静电电源 CurrentA 典型的机器模型放电的峰值电流可达几百安培 持续时间为几百纳秒 上升时间约为5 8ns 周期约80ns 43 人体金属模型 场增强模型 人体通过手握金属体如镊子放电模型 场集中在工具的最尖处 有效放电电阻减小 这模型由电阻为350 500 电容与人体模型相同的电容构成 在电压相同时 其放电电流比人体模型更大 所以人手持金属体如镊起子时的静电放电危害更大 44 国内外典型ESD模型器参数 45 敏感度分类 为定量描述元件的静电敏感程度进行分类大部分敏感度实验都是以人体模型为依据 组见设计应用能为最敏感的元器件提供最低2000V的静电放电设计保护整机设计应能为最敏感的元器件提供最低4000V的设计保护 46 静电放电敏感度实验参考 47 总结 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 工业产生中静电危害的特点主要有 隐蔽性 浅在性 随机性 复杂性 静电也可以利用 48 四 静电防护 一 ESD防护的意义 如前所叙述 1 减少损失 美国一年的损失200多亿美金 其中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 二 静电产生主要有下列几点1 尽量减少静电荷的产生2 对已产生的静电荷尽快予以消除3 最大限度地减少静电危害4 严格静电防护管理 以保证各项措施的有效执行 49 50 51 52 二 静电防护工作的主要特点 1 安全 包刮环境 人身及设备 防护与产品防护有时是并存的 特别是电子产品 2 加工制造过程中对半成品的防护与使用 维护 包装 检测 拆包装 装配 调试过程中对产成品的防护并重 3 防止静电的发生与消除已产生的静电荷 4 静电防护工作中 技术措施与管理措施均不可缺少 他们是相辅相成的 53 三 静电防护工作的主要目的 1 静电防护工作大体分为两个方面 其主要目的有3个 1 两个方面是 安全防护与产品防护 2 3个目的是 保证人员和生产场所的安全 防止火灾与爆炸 提高工艺成品率 确保产成品的工作可靠性 54 四 静电防护技术 提高元器件 组件 线路板 及整机的抗静电能力在操作等过程中控制静电 使其不能达到危害的程度 55 ESD防护工作区 ESD防护工作区是由各种ESD设施 器材及有明确定义的区域界限形成的工作场地 能抑制静电荷的积累和静电压的产生 并能安全 迅速 有效地消除已产生的静电荷 原则上要求区域内产生的静电压小于100V 如 晶体库房 A线 C线等 56 静电材料 指摩擦生电产生超过100V电压 并且将产生的电压保持10秒以上的材料 防静电材料 包括静电导电材料 表面电阻值小于105 静电耗散材料 表面电阻值大于或等于105 但小于1012 绝缘材料 表面电阻值在1012 以上的材料 57 防静电材料电阻值 一 静电地线与线体地线 防雷地线 工频电源中线 地线要分开拉设 其接地电阻值 4 静电保护区内的线体 仪器 设备 工具应接地 其接地电阻值 4 静电手环 防静电台垫 防静电地垫限流电阻值为1M 10M 4 铁头 电锁杆的的漏电压值 0 2VAC 静电胶垫的表面电阻值为106 109 静电元件盒和防静电周转箱的表面电阻值为105 1011 集成电路包装管的表面电阻值为104 1010 58 防静电材料电阻值 二 防静电海绵的表面电阻值为105 1011 防静电鞋的表面电阻值为105 108 防静电手指套表面电阻105 1011 防静电手套表面电阻105 1011 防静电地板的表面电阻值为105 1010 防静电袋的表面电阻值为105 1011 防静电服的表面电阻值为105 1010 59 4 1ESD控制原理 接地 静电导体接地人员的接地 腕带 0 8 1 2 109 防静电 导电胶底鞋对地电阻 0 5 105 1 0 109 设备和工具接地 4 0 GB50174 93 环境 地面 货架 活动设备对地电阻 1 105 1 109 雷电保护接地 4 0 最好在1 以下 60 4 2ESD控制原理 静电非导体离子消电器放射消电器 61 4 3人体ESD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 62 4 4使静电从脚导到大地 使用静电地面 防静电地垫 地毯等 防静电鞋防静电袜防静电胶垫地面对地电阻 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 105 鞋 地面对地电阻 109 63 4 5使静电从手导致大地 配戴防静电手环并接地用手触摸接地金属体 如 球 能暂时释放人体静电 但手离开接地金属后又会产生静电静电手环腕带对地电阻 7 5 105 1 108 无线腕带不能起到防静电作用 64 4 6防静电鞋与腕带使用中人体安全问题 从防静电的角度考虑时 人体总的对地电阻越小越好 安全要求 鞋的最小值不应小于1 105 人体必须具有一定的对地电阻 限制意外流过人体上的电流 65 4 7防静电鞋与腕带的使用问题 1 使用腕带操作时不允许断开 否则会失去接地作用2 在穿用防静电鞋时应有防静电袜 鞋垫 鞋与地面必须都防静电 否则静电不能从人体导向大地 夹在衣服等不导电物体上的接地装置 不能释放人体静电 66 4 8防静电包装袋 容器材料 由基材 金属镀膜层和热封层多层复合而成 通常是半透明防静电和电磁屏蔽双重功能的包装袋 通常是不透明 价格较高 67 4 9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 68 4 10使用静电消除器 高电压离子消电器放射线离子消电器台式离子消电器感应式消电器 可用消电器对一些易起静电的材料进行消电 对低电压的静电不能消除 69 五 静电防护管理 静电防护 包装防护操作一般准则一般操作要求 所有ESDS 静电放电敏感 产品的加工 装联 检测 包装与拆包等操作都必须在EPA内进行 凡进入EPA 静电放电防护工作区 的所有电子元器件都应视为ESDS元器件来对待 在装配未采用防静电包装的零部件时 应在消除静电后才允许进入EPA 70 5 2ESDS产品的包装和标志 凡存储 运输ESDS产品 只能在妥善的防静电包装条件下进行ESDS产品的包装件上 应做出警示标记 静电敏感基本符号 静电敏感设备标记 71 5 3静电防护设施的定期检查 设备工具接地 1 0 人员接地 35 106 或 100伏 腕带 0 8 1 2 106 EPA环境 工作台面 鞋类 地面 货架 活动设备 1 109 200伏 72 5 4静电检测仪器基本配置 静电电压表电阻表 接地电阻表 兆欧表 高阻表 73 六 静电测试 静电电压的测量静电电荷的测试静电电压测试注意事项 74 6 1电阻和电阻率的测量 表面电阻和表面电阻率 系数 GB1410 80ASTM 10体积电阻和体积电阻率的测量 75 七 静电防护领域的常用术语 一 1 地 任何一点的电位按惯例取为零的大地或导电物质2 接地 电气连接到能提供或接受大量电荷的物体上 如大地 船舶 运载工具的金属外壳等 3 静电接地 将金属导体 通过接地极 与大地进行电气上的连接 使金属倒体的电位接近大地电位的措施4 硬接地 直接接地或通过一个低阻抗地相连5 软接地 通过足够的阻抗接地 把电流限制在人身安全的电平 通常为5M 之下 软接地所需要的阻抗取决于靠近接地点的人员可能接触的电压电平 76 七 静电防护领域的常用术语 二 6 直接接地 将金属体与大地进行导电性连接的一种接地方式7 间接接地 为使金属以外的物体进行静电接地 将其表面的全部或局部与接地的金属体紧密相接的一种接地方式8 静电放电接地装置 一个公共装置 在静电放电防护工作区内与该装置连接的元器件被接地9 人体接地 通过使用导电垫 导电地面 导电鞋或其他各种接地用具使人体与大地保持通导状态的措施10 接地 电 极 埋入大地以便与大地良好接触的导体或几个导体的组合 77 七 静电防护领域的常用术语 三 11 对地电压 带电体与大地之间的电位差 令大地电位为零 12 静电连接 将彼此间没有良好导电通路的物体进行导电性连接 使相互间大体上处于相同电位的措施13 泄露电阻 物体在不带电的情况下 从被测点到接地连接系统间的等效电阻14 泄漏电流 指带电物体上的电荷通过各种泄漏途径向大地泄漏的电流15静电泄漏通道 带电区的静电荷通过带电体内部和表面而使之泄漏的途径 78 八 包装防护术语 1 静电放电防护包装利用静电放电防护材料包装 以便对静电放电敏感产品的损坏减至最小2 静电放电防护包装材料包装静电敏感产品以供运输或存储的任何材料 包刮袋 盒 板条箱 包装纸 纸箱 软垫 泡沫材料 填充料等3 防静电周转箱 运转箱 用静电放电保护材料加工成的盒 在运转和存储中 该盒能对装在盒内的静电放电敏感元器件或印制板组件上的静电放电敏感元器件提供等电位保护4 防静电元件盒用静电放电保护材料加工成的盒 该盒用于存放静电放电敏感元器件 能对盒内的静电放电敏感元器件提供等电位保护 79 九 防静电器具 器材术语 1 防静电服为了防止人体和衣物的静电积聚 用防静电织物为衣料而缝制的工作服2 防静电腕带由外绝缘金属线或导电塑料组成的软扣带 该腕带一端戴在操作者手腕上 另一端接在防静电地线上 以便泄放人体积聚的静电荷3 防静电鞋鞋底用电阻变化小的防静电材料制作 不仅具有防止人体静电积聚的性能 而且还能避免因偶然触及工频电 220V以下 而导致人体遭受电击的鞋类 80 5 防静电真空吸锡器由小型真空泵和专用吸锡烙铁组成的装置 该装置能快速拆卸元器件 而不损坏元器件和印制板组装件 6 静电消除器一种能产生消除带电体上的电荷所必要的正负离子的设备或装置7 离子化静电消除器凡利用空气电离以产生为中和带电体上的表面异性电荷所必须的正负离子的各种形式静电消除装置的统称 81 8 防静电工作台垫敷设在防静电安全工作台上的垫子 该垫子用于泄放人体或导体上积聚的静电电荷 提供一个无静电电荷的工作面 9 导静电地板一种地板 它具有足够低的电阻以便当接地或连接到任何较低电位点时快速地泄放电荷 导静电地板以电阻低于1X106欧姆来表征 82 十 静电防护有关标记和符号 1 静电敏感器件警示标记 83 2 防静电工作区出口标记 84 3 防静电工作区边界标记 85 4 静电敏感基本符号 86 5 静电敏感产品包装标记6 静电敏感设备标记 87 7 防静电工作区标记