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静电的产生和防护

 新用户0118F7lQ 2023-12-27 发布于山东

在电子行业,静电是造成元器件损伤的主要原因。通过良好的静电防护措施,可以有效的减少静电带来的损害,提升生产研发效率,降低生产成本。

一、什么是静电?

静电是一种电能,它存在于物体表面,是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称,如摩擦起电就是一种静电放电现象。

二、静电的产生原因

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A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)。
A、接触分离起电
任何两个不同物材质的物体接触后再分离即可产生静电,当两个不同物体相互接触时就会产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。而另一个物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。
B、摩擦起电
实质上摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平衡的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此摩擦起电实质上是接触分离起电,而产生静电的最普通方法,就是摩擦生电。材料的绝缘性越好,越容易使用摩擦起电。
摩擦起电是一个机械过程,依靠相对表面移动传送电量。传送的电量取决于接触的次数。表面粗糙度湿度,接触压力,摩擦特性以及相对运动速度。一个人或一辆车所能带来的电量的电压值大程度上由它们的电容决定。
C、感应起电
针对导体材料而言,因电子能在它的表面自由流动,如将其置于一电场中,由于同性相斥,异性相吸,正负离子就会转移。
D、传导起电
针对导电材料而言,因电子能在它的表面移动,如带电物体接触,将会发生电荷转移。

三、什么是ESD(静电放电)

静电放电是两个具有不同静电电位的物体,由于直接触或静电感应引起两物体间的静电电荷的转移。静电电场的能量达到一定程后,击穿其间介质而进行放电的现象就是静电放电。ESD在一个对地短接的物体暴露在静电场中时发生。两个物体之间的电位差将引起放电电流,传送足够的电量以抵消电位差。这个高速电量的传送过程即为ESD。在这个过程中将产生潜在的破坏电压。电流以及电磁场。ESD将产生强大的尖峰脉冲电流,这种脉冲电流中包含丰富的高频成份,其上限频率可超过1GHz,取决于电平、相对漫湿度、靠近速度和放电物体的形状。在这个频率典型的设备电缆甚至印制板上的走线会变成非常有效的接收天线。因而对于典型的模拟或数字电子设备,ESD倾向于感应出高电平的噪声,它会导致电子设备严重受损或操作失常。当ESD位置距离较近时,无论是电流还是磁场都是很强的。因此在ESD位置附近的电路一般会受到影响。

四、静电产生的危害

静电害可分两类:由静电引力引起的浮游尘埃的吸附和由静电放电引起的介质击穿。

集成电路元器件的线路缩小,耐压降低,线路面积减小,使得器件耐静电冲击能力的减弱,静电电场(Static Electric Field)和静电电流(ESDcurrent)成为这些高密度元器件的致命杀手。同时大量的塑料制品等高绝缘材料的普遍应用,导致产生静电的机会大增。日常生活中如走动,空气流动,搬运等都能产生静电。人们一般认为只有CMOS类的晶片才对静电敏感,实际上,集成度高的元器件电路都很敏感。
A.静电对电子元件的影响
A) 静电吸附灰尘,改变线路间的阻抗,影响产品的功能与寿命。
B) 因电场或电流破坏元件的绝缘或导体,使元件不能工作(完全破坏)。
C) 因瞬间的电场或电流产生的热,元件受伤,仍能工作,寿命受损。
B、静电损伤的特点:
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。
2.潜伏性有些电子元器件受到静电损伤后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,而且增加了器件对静电的敏感性。已产生的问题并无任何方法可治愈。
3.随机性电子元件什么情况下会遭受到静电破坏呢?可以这么说,从一个元件生产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。由于静电的产生和放电都是瞬间发生的,难预测和防护。
4.复杂性静电放电损伤分板工作,因电子产品的精细,微小的结构特点而费时、费事、费钱,要求较复杂的技术往往需要使用扫描电镜等精密仪器,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它失效,这是对静电放电损害未充分认识之前,常常归咎于早期失效或情况不明的失效 ,从而不自觉的掩盖了失效的真正原因。

五、静电防护

(1)静电防护的基本知识:
① 对有可能产生静电的地方要防止静电荷的聚集。即采取一定的措施避免或减少静电放电的产生。可采用边产生边泄露的办法达到消除电荷聚集的目的。 
 ② 对已存在的电荷积聚,应迅速地消除掉。当绝缘物体带电时,电荷不能流动,无法进行泄漏,可利用静电消除器产生异性离子来中和静电荷。当带电的物体是导体时,则采用简单的接地泄露办法,使其所带电荷完全消除。要构成一个完整的静电安全工作区,至少应包括有效的静电台垫、专用地线和防静电腕带等。

(2)静电的基本控制方法

静电的控制技术是在静电电荷积聚不可避免的情况下,采取综合措施将静电危害控制在允许的范围内。

① 工艺控制法:在生产过程中尽量少地产生静电荷。对工艺流程中材料的选择、设备安装和操作管理等过程应采取预防措施,控制静电的产生和电荷的聚集,抑制静电电位和放电能量,使危害降到最小程度。
 ② 泄露法:使静电荷通过泄露达到消除。一般采用静电接地使电荷向大地泄露,通常利用增大物体电导的方法使静电泄露。
 ③ 静电屏蔽法:采用接地屏蔽罩把带电体与其它物体隔离开,这样带电体的电场将不影响周围其它物体,这种屏蔽方法叫内场屏蔽。有时也用接地的屏蔽罩把被隔离物体包围起来使被隔离物免受外界电场的影响,这种屏蔽方法叫外场屏蔽。
 ④ 复合中和法及其它:通过复合中和法来达到静电荷的消除。通常用静电消除器产生的异性离子来中和带电体的电荷,并有可能使带电物体表面光滑以及周围环境更加清洁,从而减少尖端放电的可能性。
(3)静电接地技术
静电接地技术是静电泄露工艺中的主要环节,系统接地的质量将直接影响电荷的释放能力。
① 地线:地线是指能够接受或提供大量电荷的物质,如大地、设备底座、机壳等。理想地应该是优良导体,即电流流过地线时不产生电位差,地线上各点电位相同。防静电接地是厂房基建工程中重要的指标之一。在防静电工程中常把地线称为地线母线,在作业区内陆线母线专供静电工程中的器具和人体泄露静电荷之用。 
接地电阻:是接地体与大地之间的接触电阻,它是接地质量好坏的标准,一般工业生产中静电起电电流I的最大值为10-4A。安全电压为U=100V,故接地电阻 R≤U/ I = 106 Ω。 
③ 地线埋设原则:地线埋设点的土壤电阻系数要越小越好,接地体与土壤接触面积越大越好,接触密度越高越好。


(4)人体防静电系统
 人体防静电系统主要由防静电腕带、防静电工作服、鞋袜等组成。必要时还需要辅以防静电工作帽、手套、脚套等物品。这种整体的防静电系统兼备静电泄露、中和和屏蔽的作用。
防静电腕带
它的制作使用静电导电材料,通过与皮肤直接接触,把人体静电直接导走。所以腕带使用时必须与皮肤接触良好,使皮肤上的瞬时静电电压小于100V。


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防静电鞋、袜

防静电鞋和袜都是用电阻变化小的静电导电材料制作。鞋的制作中,其鞋底的材料很关键,即要把人体的静电通过鞋底泄露掉。防静电鞋的体积电阻应满足要求,一般取值为 Rv=0.5×105~1.0×109Ω。

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③ 防静电服

服装静电的产生与危害 人在从事各种劳动活动时,人体与衣服、衣服与衣服、以及衣服与周围物体间的摩擦可造成电荷的大量产生与积聚,因此当衣服为绝缘物质时,静电电荷将无法泄露而存在于人体上,随时可能造成放电危害。 防静电工作服是由静电导电织物为面料缝制而成。其消静电机理:a. 经由导电纤维形成电荷通道向大地泄放静电荷;b. 由纤维的电晕放电中和静电荷。
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④防静电椅
防静电工作椅、桌垫、地垫 防静电工作椅的材料使用静电导电织物为面料, 其表面电阻应界于105~1.0×109Ω之间,以导走或中和静电荷。而防静电桌垫和地垫放置在工作岗位处的桌面和地板上,以泄露人体静电荷为目的。它的上表面为使用面,下层为低电阻导电层,其电阻一般应在105~1.0×108Ω的范围内。
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⑤防静电手套
由防静电布或防静电针织物制成。用于需用手套操作的防静电环境。面电荷密度:<7μ/cm2

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(5)防静电操作系统
①防静电盒、箱
表面电阻率:ρS≤106~108Ω/cm
摩擦起电电压:<100V;
表面电阻:<108(Ω)
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防静电桌台垫
台垫表面电阻一般为:105~108Ω,体积电阻一般为:106~108Ω。台垫的制作材料是静电导电和静电耗散材料构成的橡胶、塑料、织物、金属丝编织物及其添加物等,其结构有多层和单层之分。
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防静电包装袋
由基材、金属镀膜层和热封层多层复合而成。具有自身“不起”静电和能屏蔽外界静电的双重功能。

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④防静电海绵

防静电海绵:它是在塑料中加入适量的导电物质加工制成。硬型用于插集成电路块,软型用于防静电包装。

 主要指标:摩擦起电电压<100V;表面电阻<107Ω。

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(6)防静电设备连接
防静电手环、防静电桌垫、防静电地垫和仪器设备的接地等都应与地线良好连接,保证产生的静电能通过地线泄露。

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(7)温度湿度控制
防静电工作区域应将温度控制在24±4℃,湿度控制在45%-70%RH,湿度在30%以下时禁止进行作业。

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