静电知识及静电防护

静电知识及静电防护 一 静电的产生 两种不同起电序列的材料通过摩擦 碰撞 剥离等方式 在接触又分离之后在一种物体上积聚正电荷 另 一种物体上积聚等量的负电荷 从而产生了静电 导体静电感应 压电效应 电磁辐射感应等也能产生很高的静电电压 随着工业生产和发展 新型合成材 料 绝缘材料的使用越来越普遍 除了生产所需的高分子原材料外 还有如塑料的 涂漆的工作台面 塑料的 水泥的地板或打蜡的木地板 木质的 塑料的 纤维的坐椅 人穿的化纤服装 尼龙袜 塑胶鞋 塑料的 橡 胶的周转箱或包装材料 各种塑料的文件夹 绝缘的办公用品等等 它们在摩擦 分离过程中 不可避免地会 产生静电荷 并且难以导出 聚集起来可达到很高的静电电位 一旦放电产生火花 就会成为引发事故的罪魁 祸 按照静电学上的分类 一般材料可分为三大类 ¾ 静电导体, 电阻率 106 Ω - cm ¾ 静电半导体, 电阻率 106Ω - cm ~ 1010 Ω - cm ¾ 静电绝缘体, 电阻率 1010 Ω - cm 其中电阻率在电阻率 105 Ω - cm ~ 109 Ω - cm 的称为静电泄放体 而绝大部分合成材料的电阻率者大于 1010 Ω - cm 因而是静电绝缘体 对于绝缘体而言 一旦产生静电 其本身几乎无放电的通路 使静电荷长期驻留 积聚 电荷积聚到一定程度后 就可能随机放电造成危害 二 静电源 在工作环境中 主要的静电源有 ¾ 人(移动静电源) 人在活动时产生的静电电压从几千伏到几万伏不等 ¾ 地板 工作台面 鞋 服装 普通塑料包装袋 文件袋 泡沫包装盒 没有静电防护条件下直接插拨印制 电路板 不接地电烙铁 吸锡器 绝缘材料制作的操作工具等 ¾ 打印机 复印机 变压器 发电机等工作时也会产生感应静电 三 人体带电电位与静电电击程度 人体电位 (伏) 电击程度 1000 完全无感觉 发出微弱的放电声 2000 手指外侧有感觉 但不疼 3000 有被针刺的感觉 徽疼 4000 有被针深刺的感觉 手指微疼 见到放电的微光 5000 从手掌到前腕感到疼 指尖延伸出微光 6000 手指感到剧疼 后腕感到沉重 7000 手指和手掌感到剧疼 稍有麻木感觉 8000 从手掌到前腕有麻木的感觉 9000 手腕子感到剧疼 手感到麻木沉重 10000 整个手感到疼 有电流过的感觉 11000 手指剧麻 整个手感到被强烈电击 12000 整个手感到被强烈地打击 四 静电的危害 随着大规模 超大规模集成电路的问世及其应用 人们逐渐发现 器件无缘无故地损坏或早期失效 是由 于静电放电( ElectroStatic Discharge 简称 ESD)造成的 无论是静电电场 还是静电电流 都可能给器件造成致 命的危害或潜在的损伤 人体有感的静电放电 其电压一般约在 3000 伏以上 3000 伏以下的静电 人并无异常不适感觉 而对电 子产品来说 仍具有很大的危害性 静电产生后会在周围形成静电场 会产生力学效应 放电效应及静电感应 效应等几种效应 人员身体携带静电也会对其它物体放电 在这几种效应中 静电的放电效应造成的危害最为严重 此种放电导致元器件的击穿破坏 或对系统造成 破坏 无法正常运行 一般简称为 ESD 损害 ESD 对元器件的损害后果导致 硬击穿 或 软击穿 ” 硬击穿 所谓 硬击穿 是一次性造成芯片内热二次击穿 金属喷键熔融 介质击穿 表面击穿 体积击穿等 使 集成电路彻底损坏 永久性失效 当静电放电能量达到一定值时 足以引起塑劫 集成电路的爆炸 使其芯片 完全烧毁裸露 造成人身伤害 设备故障 耗费增加 硬击穿特征明显 一般来说 可以在器件 组装件或插件板出厂交货之前检查出来 软击穿 软击穿(软失效) 是造成器件的性能劣化或参数指标下降 但还没有完全损坏而形成隐患 在最后质量检 验中很难被发现 在使用时 静电造成的电路潜在损伤会使其参数变化 品质劣化 寿命降低 使设备运行一 段时间后 随温度 时间 电压的变化 出现各种故障 不能正常工作 即 软失效 如果受损的芯片属于一些重要的控制系统 如网络中心控制系统 自动播出控制系统 生产调度控制中心 电子作战指挥系统 自动导航系统 火箭发射控制系统等 其造成的危害有时是难以预料的 这潜在的损伤 实际上具有更大危害 造成的直接和间接损失更为严重 软击穿不易察觉 具有潜在隐蔽的特点 危害更大 另外静电感应和静电放电时产生的电磁脉冲也有一定危害 静电放电一般产生频带为几百 KHz ~ 几十 MHz 电平高达几十毫伏的电磁脉冲干扰 可使静电敏感器件( Static Sensitive Device 简称 SSD) 破坏 在静电危害的几种类型中 ESD 损害尤为突出 其突出特点是随机性和不易察觉性 ¾ 人没有感觉到放电就已造成了静电损伤 ¾ 不易被检测出来 有关资料证明 ESD 引起的器件损伤 90 为潜在性的软击穿损伤 10 为立即失效的损伤类型 静电对 SSD 的危害 由于集成电路的集成度越来越高 体积缩小 光刻线条变细 线间距离窄以及采用大量新型材料(其抗静电 性很低) 至使其抗静电性下降 伏的电位差就能将其击穿破坏 有人认为加有 ESD 保护电路的集成电路板 不怕静电破坏 实际上尽管加有保护电路 确实能够起到一 定的保护作用 当在人体或工作环境中带有上千伏静电时 虽然敏感器件内有保护电路也是无法承受的 仍然 受到很大程度的破坏 所有的集成电路均对静电敏感 其不同之处只在于所能承受的阀电压值不同而已 人体有感的静电放电在 2500 伏以上 因此 减少静电到人无感觉的程度 并没有消除电子设备受静电损坏的危害 当人感觉到静电放电时 可能已经对造成 SSD 损伤了 所以 对静电的防护主要应致力于 防患于未然 进行综合防护 静电对工业部门的危害 静电聚集对工业部门的危害主要表现在以下几个方面 1, 引发燃爆事故 据测量 一个普通男子站在绝缘地板上脱化纤毛衣时 人体静电电位可达 8200 伏 起电量为 0.95 微 库 积累的静电能量为 3.9 毫焦 这个能量比汽油的最小静电点火能 0.21 毫焦 黑火药的最小静电点火能 0.19 毫焦都大许多倍 如果发生静电放电火花 就有引起燃烧爆炸的危险 2, 损伤电子元器件 破坏系统正常工作 在世界已进入电子计算机时代的今天 静电更是电子工业乃至各类电子电器用户的一大隐患 某些大规 模集成电路中的被氧化膜只有十万分之几厘米厚 IC 电路会在数百伏电压下被击穿 M0SFET 甚至受到 十几伏电压作用就会被毁掉 如遇人体静电或其他微弱的静电放电 它们就会像雷电击中一幢大建筑物使 之轰然倒塌一样 遭到毁坏 因而以大规模集成电路为基础的工业产品 如电脑 工业自动化控制器等等 都要防止静电造成的危害 据报道 在静电危害没有得到有效防治之前 美国电子工业部门由于静电原因 使 IC 电路遭到破坏和损伤而造成的损失 每年高达数亿美元 此外 电子计算机 微处理器等会因静电 放电而失去记忆或工作中断 使已有的信息丢失 破坏系统购正常工作 3, 影响产品质量 在电子元器件制造 电影胶片印制过程中 静电放电会使其发生意外故障或疵病而达不到质量 4, 影响正常生产 在纺织 印刷 胶片 造纸等工业生产中 纤维 纸张 胶片等会因静电而粘连一起 给生产带来麻 烦 5, 对人体造成电击不适感 甚至引发次生事故 人体静电放电会使人有电震 电麻感觉 若此人此时处在高位 或接触危险品 就可能引发次生事故 防静电安全技术越来越受到各国的重视! 五 防治静电 对静电的防治 应根据 电子设备制造防静电技术 电子计算机机房设计规范 防止静电事故通用导则 等的有关 针对其产生和造成危害的特点 采取全面 综合 配套的防护措施 这种全面 综合 配套的静电防护应包含两方面的内容 ¾ 利用一些必要的 有效的静电防护手段 选用优质的防护技术产品 ¾ 制定完善的静电防护管理规程 并切实有效地贯彻执行 其基本原则是 ¾ 有效抑制或减少静电荷的产生 严格控制静电源 ¾ 安全可靠及时消除已产生的静电荷 避免静电荷积聚 ¾ 定期对防静电设施进行维护和检验 以当前电子器件技术水平为依据 只要将工作环境的静电起电电压控制在低于 100V 的范围 就可以防治 静电危害 要达到这个目的 就必须使器件制造 分系统装联 组成系统 使用维护的每个环节都处于静电防护之下 才能确保安全 每个环节中又有许多小的环节 以分系统装联为例 它包括 器件人厂检验验收 保管分发 整形插装 焊接 清洗 测试 传递 包装运输等等 哪一个步骤不注意静电防护 都有可能造成产品的质量隐患 六 静电安全操作 静电防护在很大程度上是提高静电防护意识的问题 提高所有接触静电敏感器件人员的静电知识水平 进 行静电安全操作与静电防护技术教育是非常重要的确 这在美国军用标准和我国标准里都有明文规定 包括静 电保护接地 场地环境的静电防护 人员的静电防护 设备的静电防护 静电检测仪表及防护措施的日常维护 等六个方面 1 静电保护接地 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 欧姆 埋设与检测方法应符合 GBJ79 的要求 防静电地线不得接在电源零线上 不得与防雷地线共用 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 地线不得接) 2 场地环境的静电防护 防静电工作区场地的地面 墙壁及天花板 国家标准要求应选用防静电材料 使之具备很好的防静电 性能 禁止使用普通绝缘材料 3 人员的静电防护 人体在日常活动和生产操作中可产生电压为数十伏到数万伏的静电 而放电 过程是极短促的 所以放电 过程中释放出的能量可达几十瓦 足以引起芯片微区烧毁或 SiO2 膜击穿 因此 对进人防静电工作区的人员 要进行静电防护 配备防静电服及防静电鞋 对设备维修维护人员还应配备防静电腕带 4 设备的静电防护 防静电安全工作台是防静电工作区的基本组成部分 它由 作台 防静电桌垫 腕带接头和接大地线 等组成 静电安全工作台上不允许堆放塑料 橡皮 纸板 玻璃等易产生静电的杂物 图纸资料等应装人防静 电文件袋中 座椅垫套等都应是导静电的 并与静电接地相连 必要时 工作台上配备离子风静电消除器 座椅下可以铺设防静电地垫 在电子设备研制生产过程中 一切贮存 周转静电敏感器件( SSD)的容 (元器件袋 转运箱 印刷板架 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 5 静电检测仪表 配备有关静电检测仪表 随时或定期对人员 设备及各种防护措施进行检测 以保证防护的有效性 6 防护措施的日常维护 任何防静电措施都不是 一劳永逸 的 需要在日常的使用中 定期进行正确适当的维护 才能保证 它的确实有效 延长使用寿命 降低费用 七 现代静电防治的新概念 此前的防静电技术大都是遵循以下三项原则 — 抑制 — 疏导 — 中和 因为普遍认为完全不让静电产生是不可能的 只能是抑制静电荷的聚集 如严格限制物流的传送速度 和人员的操作速度 将设备 管道尽量做到光滑平整 避免出现棱角等等 若抑制不了 就设法疏导 即向大地泄放 如将工作 场所的空气增湿 将一切导体接地 在工作台及 地面铺设导静电材料 操作人员穿导静电服装和鞋袜 甚至带导静电手环等 若疏导不了 就设法在原地中和 如采用感应式消电器 高压静电消电器 离子风消电器等 尽管目前采取了一些措施 消除静电取得了一定效果 但并末完全杜绝静电危害 经过对各种防静电手 段的应用及其效果进行多年的研究 人们终于认识到那些方法仍属局部防治 总有防治措施未保护到的区 域可能会产生静电危害 于是人们设想能否找到全方位 全环境的静电防治方法?回答是肯定的 这就是 现代 静电防治的新概念一一全方位 全环境静电防治 与传统的静电防治观念不同的是 全方位 全环境静电防治 所关注的不 再是一个个具体的产生静电 的部位或工作面 而是整个工作区域的全部空间 其核心是致力于消除所有设备 物料 人员在各个环节 所 有工作过程中 由于流动 摩擦而产生静电聚集的可能性 这种全新的概念已成为现代工业以及办公自动化和 家用电子设备防治静电危害的指导原则 根据这种指导原则 要实现 全方位 全环境静电防治 必须开发以下关键技术 ¾ 在相对封闭的生产或工作环境中 对地面 墙壁 天花板采取相应措施 使其具有良好的导静电性能 ¾ 对所有设备 工作台面 坐椅等采取表面处理措施 有效地改变各种材料的表面阻抗 使其受到摩擦作用 时不产生静电或静电荷不能聚集 ¾ 对该环境中的操作或工作人员采取全面的防静电保护 使其人体静电达到最小程度 ¾ 以上所采取的防静电措施应与该环境空气的相对湿度没有关系 或对该环境的空间加以处理 增大其中空 气的导静电系数