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1、1 静电知识简介 教育训练中心 2004年8月 2 一、静电是怎样产生的 静电就是静止的电荷 物质都是由原子组成,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。(如图所示) 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
2、电。 3 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。 固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。为什么气 体也会产生静电呢?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
3、 定程度时就会发生放电。 怎样能产生静电 4 静电的物理现象 静电就是不平衡分布的原子,阳电离子携带正电荷,阴离子 携带负电荷正负电荷有异性相吸,同性相斥的力量,大小可以由 库仑定律计算得出。 + Q1 F Q2 - F Y Fa Q1Q2 Y2 F:力量 Q1Q2:电荷 Y:距离 因为电荷的存在,即在周围空间中形成电场其强度为 Q + + + + + V V=Q/C V:电位 Q:电荷 C:电容 这个电场,其强度可以打穿目前体积电路的绝缘层,破坏绝缘 5 静电与大地间因有电位存在就会产生放电电流(ELECTRO-STATIC DISCHARGE CURRENT)这个放电电流会将电路导体烧融。
4、 其放电电流为: Q V I=V/R I:电流 V:电压 R:电阻 R I 静电的基本物理特性: 1、吸引或排斥的力量 2、与大地间有电位差 3、会产生放电电流 元件吸附灰尘改变线路之间的阻扰, 影响元件的功能和寿命 因为电场或电流破坏元件之绝缘或导 体,使元件不能工作(完全不能工作 ) 因瞬间电场或电流产生的热使元件受 伤,仍能工作但寿命受捐 6 二、电子工业静电问题的产生 4050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; 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 ; 8090年代:一方面,一些电阻率很高的高分子材料如塑料,橡
5、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。 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。 7 它曾造成电子工业年损失达上百亿美元,这还不包括潜在的损失。 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; 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。 案例:1969年底在不到一个月的
6、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。 静电的危害性 8 哪些电子工业过程会产生静电 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: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
7、、装配、品管、出货。 4.设备使用过程:收货、安装、试验、使用及保养。 5.设备维修过程 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。 9 器件类型静电破坏电压(V) 器件类型 静电破坏电压(V) VMoS 301800 OP-AMP 1902500 M0SFET 100200 JEFT 140100
8、0 GaAsFET 100300 SCL 6801000 PROM 100 STTL 3002500 CMoS 2502000 DTL 3807000 HMOS 50500 肖特基二极管 3003000 E DMOS 2001000 双极型晶体管 3807000 ECL 3002500 石英压电晶体 10000 电子器件所能承受静电破坏的静电电压 10 电子元件的损坏形式有两种 完全的失去功能 部件不能操作 约占受静电破坏元件的百分之十 间歇性失去功能 器件可以操作但性能不稳定,维修次数因而增加 约占受静电破坏元件的百分之九十 在电子生产上进行静电防护,可免: 增加成本 减低质量 引致客户不满
9、而影响公司信誉 11 静电对电子产品损害有哪些形式 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
10、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。 12 静电对电子产品损害有哪些特点 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23 KV。 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。 3. 随机性:从一个电子元件产生以后,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性,其损坏也具有随机性。 4.复杂性:静电放电损伤的失效分析工作,因电子产品
11、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。 13 物体不接触也能起电 除物体接触后分离能起电外,当带电物体接近不带 电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出负电和正 电,如下图1所示。当物体与发生放电时会造成 与之间放电,如下图2所示。若与之间不发生放 电,则会带上剩余的电荷,如下图3所示。 图1图3图2 14 导体产生引燃的界限 当
12、带电导体积蓄的静电能量大于可燃性物质的最小 引燃能量W时,便可产生引燃。所以产生引燃的电位为 CV2/2为导体的静电电容量。国家标准防止静电事故 通用导则中5.1.2条指出当导体电压低于1.5KV时,不会 因静电引燃最小引燃能量大于0.25的可燃性气体。 国外一些标准规定导体的静电安全电压约1KV至几百伏 。人体带电电位约为3KV时便会遭到电击。 15 16 静电复印; 静电除尘:空气净化器; 静电喷雾:能大大提高效率和降低农药的使用,既经济又环境; 静电处理的种子抗病能力强,减小病害发生,而且发芽率高,产 量得到提高; 静电放电产生的臭氧是强化剂,有很强的杀菌作用; 静电可用来处理水,既能杀
13、菌又不易起水垢; 带有静电的驻极体膜还能治疗各种软组织损伤,它有活血化瘀、 消炎消肿的作用。 静电还可用于喷涂,用静电喷涂家用电器等。 静电有很多危害,静电也能给人类造福 17 人身体上能带多高电压的静电 我们试验过人体带静电5万伏时没有不适 的感觉,带上8万伏高压静电时依然面带微笑 ,10万伏(最高试验过12万伏)时也没有生 命危险! 18 19 人体身上的静电有多高 在干燥的季节若穿上化纤衣服和绝缘鞋在绝缘的地面行走等活动,人 体身上的静电可达几千伏甚至几万伏。 下表是在两种不同湿度条件下人体活动产生的静电电位。在干燥的季节 ,人体静电可达几千伏甚至几万伏。 人体活动 静电电位(KV) R
14、H(1020) RH(6590)% 人在地毯上走动 35 15 人在乙烯树脂地板上行走 12 025 人在工作台上操作 6 01 包工作说明书的乙烯树脂封皮 7 06 从工作台上拿起普通聚乙烯袋 20 12 从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起 18 15 20 ESD (Electro Static Discharge)即静电放电。定义为,给或 者从原先已经有静电(固定的)的电荷(电子不足或过剩)放电 (电子流)。电荷在两种条件下是稳定的: 1、当它“陷入”导电性的但是电气绝缘的物体上,如,有塑料柄 的金属的螺丝起子。 2、当它居留在绝缘表面(如塑料),不能在上面流动时。 可是,如果带有足够高
15、电荷的电气绝缘的导体(螺丝起子)靠近 有相反电势的集成电路(IC)时,电荷“跨接”引起静电放电( ESD)。 ESD典型的来源包括人员、处理设备和一些普通塑料。ESD敏 感元件(可能容易被ESD损坏的零件)包括:半导体元件、厚与薄 的薄膜电阻、片状元件、混合电路器件和晶体。 ESD简介 21 印刷电路装配(PCA, printed circuit assembly)或单个元件 可能有几种方式被ESD所损坏: 手直接接触到元件引脚。 非直接接触,如手接触连接器或金手指(gold finger)。ESD“ 攻击”沿PCA的迹线运行直到找到一个脆弱的IC,将它摧毁。 PCA或单个的元件放在一个充电表面,通过感应“拾取”类似静 电充电。这样,当放在一个金属表面,迅速放电(慢放电是安 全的)。 PCA或单个的元件暴露在很强的外部电场,诱发过大的内部电 流 ESD损坏方式 22 1、健康的。这个元件通过适当的ESD技术处理,将成功运行几年时 间。 2、死亡的。这个元件由于不适当的元件处理而遭到严重的ESD损害