静电理论与技术--绪论.ppt

2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page1,静电理论与技术- 绪论 主讲教师：常天海,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page2,1.1 静电学的起源和发展,1.1.1 古代人类对静电的认识,1.1.2 经典静电学理论的建立,1.2.1 静电危害,1.2.2 EMC与静电防护,1.2 静电防护与电磁兼容性,1.1.3 经典静电学的发展,第一章 绪论,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page3,静电学是电学中最古老的学科，现在静电应用技术和静电防护技术已越来越受到人们的重视。而对经典静电学作一个较为详细的回顾也是很有意义的。 2500年前左右，古希腊哲学家塔勒斯(Thales,640-546 B.C.)在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀(Amber)之后也有类似于磁石能吸引轻小物体的性质。所以，塔勒斯成为有历史记载的第一个静电实验者。电(electricity)这个词起源于希腊语(琥珀“埃莱克特里卡”)。 公元三世纪，晋朝张华的博物志中也有记载：“今人梳头，解著衣，有随梳解结，有光者，亦有咤声”这里记载头发因摩擦起电发出的闪光和噼啪之声。,1.1.1 古代人类对静电的认识,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page4,直到16世纪，除了偶尔发现埃尔摩(Elmo)火外，对静电别无其它记载。埃尔摩火是发生在船桅杆上或其附近的发光现象。在航行于地中海上的水手中间长久流传着一个“神火”的故事，他们在暴雨将来临的危急时刻，多次地发现在桅杆尖上有一种不祥的火光，开始时水手们把它看作末日的来临。但当他们多次平安脱险后，这火光反而变成了安慰的源泉。水手们把它命名为圣.埃尔摩火，用来象征他们所信仰的圣徒埃尔摩的保护。,1.1.1 古代人类对静电的认识,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page5,1.1.2 经典静电学理论的建立,电学之父： Willian Glbert 第一个摩擦起电机： Otto Von Guericke 风筝实验： 富兰克林 静电感应起电盘： 伏特 平方反比定律： 库仑 法拉第桶实验： 法拉第 电流的磁效应： 奥斯特 分子电流假说： 安培 麦克斯韦方程组： 麦克斯韦,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page6,电学之父Willian Glbert(英国人，1540-1603)重复了塔勒斯的实验。他想为什么琥珀这个用于装饰用的东西摩擦之后会有吸引轻小物体的性质，是否其它的珠宝也有类似的性质呢？他用其它的珠宝作实验，结果发现钻石、蛋白石和蓝宝石摩擦之后也有像琥珀那样吸引其它轻小物体的性质。他后来还发现其它物体也有类似的性质，如紫晶、玻璃、黑色大理石、硫磺、腊等。他注意到这些物质经摩擦之后虽然能吸引东面，但不像磁石样具有指南北方向的性质，他把这些用摩擦能带电的物质叫为“摩擦起电物体（Electrics）”。而把摩擦不能带电的物体叫“非摩擦起电物体（no-electrics）”。 为了进一步研究这些物体的吸引能力，Gilbert还发明了第一个验电器(versorium)用来检验带电物体。这是一个中心可以转动的很轻的木材或金属做成的细针，当摩擦过的琥珀靠近时，细针可以转动。,1.1.2 经典静电学理论的建立,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page7,不久，Otto Von Guericke (1602-1686, 德国人)发现电的排斥现象。如果把带电棒接近金属屑时，它们开始吸引，然后排斥。 1678年Guericke制造了第一个摩擦静电起电机。他把硫磺粉碎熔化后灌入一个直径为六英寸的空玻璃球内, 在其中间插入一条木棒作为轴, 硫磺冷却后，把玻璃球破碎,做成一个硫磺球。当球迅速转动并用布或直接用手摩擦硫磺球时能产生很大的火花。,第一个摩擦静电起电机,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page8,富兰克林做了许多实验后认为有两种电荷存在, 即正电荷和负电荷。 1747年,他认为摩擦后的玻璃棒带正电, 而树脂带的电为负电。 提出单流体说；提出电荷守恒原理；做了著名的费城风筝实验，统一了天电和地电；发明了避雷针。,富兰克林（Benjamin Franklin ，1706-1790）,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page9,1775年伏特发明了静电感应起电盘，他利用静电感应起电盘能使导体产生很高电压的静电。,伏特（Alessandro Volta，1745-1827，意大利物理学家）,1799年，伏特偶然发现了摩擦起电和两种不同金属接触，都会使青蛙抽搐的现象，进行了仔细研究之后，他认为电流产生的先决条件是两种不同的金属，插在一定溶液中构成回路。于是，他在1800年，用锌板和铜板插入一瓶稀硫酸溶液中，做成了人类的第一个电池，后来被人们叫做伏特电池。 电压的单位伏特就是以他的名字命名的。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page10,1777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 库仑定律： 12 = -21 = q1 q2 /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=1.602189210-19C,库仑（Charle Augustine de Coulomb,1736-1806）法国物理学家,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page11,法拉第（Michael Faraday,1791-1867, 英国人）是位伟大的实验科学家之一。他的研究覆盖了许多领域如化学、物理和电学。他引入了带电体周围电力线的概念。 他的一个很有趣的实验是法拉第笼实验。他坐在金属笼内, 当笼外发生强大的静电放电时,他并未感到任何电击并且验电器也无任何显示。 他的另一个重要实验是法拉第桶实验，当一带电体接触金属桶的内壁时, 电荷会转移到桶的外表面,这种现象的发生与桶外是否存在电荷无关。 电容量的单位就是以他的名字命名。,法拉弟（Michael Faraday）,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page12,1820年，安培和奥斯特发现了电流的磁效应。1831年，法拉第发现了电磁感应定律。1865年，麦克斯韦在全面总结前人研究成果的基础上，揭示了宏观电磁现象的基本规律，形成了人们今天熟习的麦克斯韦方程组：,19世纪 研究静电现象转向研究电流现象,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page13,进入20世纪后，随着工业技术的发展，人们开始研究静电技术的应用。 与此同时，静电造成了人们难以预料的各种障碍和事故。特别是近半个世纪，随着科学技术的发展，高分子材料、微电子技术和电爆装置的广泛应用，静电造成的危害已受到世界各发达国家的普遍重视。 古老的静电学生长出了新的边缘学科，并且逐渐由经典的静电学发展成为静电工程学和静电防护工程学。 静电防护工程学主要研究内容：静电起电原理、静电放电模型、静电作用机理、静电危害及其防护、静电测试技术,1.1.3 经典静电学的发展,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page14,1907年Frederik G.Cottrell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Van de Graff发现了实用的静电起电机。 1923年Detroit Edison 公司安装了第一台静电除尘器。,二十世纪初，静电学从实验和科学阶段走向实际应用阶段,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page15,静电技术应用,是利用各种塑料不同的静电性能来进行分选的方法。利用静电进行分选，对于多种混杂在一起的废旧塑料需通过多次分选。静电分选法特别适用于带极性的聚氯乙烯，分离纯度可达99%。 物料经馈料系统均匀散布在接地转动电极光滑表面上，荷电的物料与接地转辊电极交换，两种不同静电性能不同的物料有差异。然后荷电的物料进入分选区，在静电力、重力、离心力 等的合力下落。完成两种不同电性物料的分离。,1、静电分选,利用静电将要吸付的纸张、薄膜等带上静电平展牢固吸在金属板材上，如不锈钢、铝板、木板等。也可将纸张用静电吸附平展用于照相或其它处理。,2、静电吸附,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page16,静电技术应用,大家了解得最多的是静电复印, 现在得到广泛使用。可以迅速、方便地把图书、资料、文件复印下来静电复印机的中心部件是一个可以旋转的接地的铝质圆柱体，表面镀一层半导体硒，叫做硒鼓半导体硒有特殊的光电性质：没有光照射时是很好的绝缘体，能保持电荷；受到光的照射立即变成导体，将所带的电荷导走。复印每一页材料都要经过充电、曝光、显影、转印等几个步骤这几个步骤是在硒鼓转动一周的过程中依次完成的。,3、静电复印,具有效率高的优点，现在很多空气净化器就是用静电能吸除空气中的很小的尘埃，使空气净化，静电在环境保护中能发挥重要作用。,4、静电除尘,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page17,静电技术应用,在农业中，利用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。 静电还有很多应用。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，静电来处理水呢，经过静电处理的水，既能杀菌又不易起水垢。,5、静电喷雾,设法使油漆微粒带电，油漆微粒在电场力的作用下向着作为电极的工件运动，并沉积在工件的表面，完成喷漆的工作这就是静电喷涂用静电喷涂家用电器如洗衣机、电冰箱的外壳非常均匀。,6、静电喷涂,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page18,世界静电科研组织,1953英国物理学会（Inst. of Phys）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）年成立，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）联合召开多次会议。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page19,世界静电科研组织（续）,1971年IEEE-IAS-EPC第一次召开静电会议。 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。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page20,电子行业静电防护标准,对于电子设备等产品的防静电规范，世界上许多国家和地区都制定了相对应的标准，要求产品必须具有一定的抗静电放电影响的能力。目前比较通用的有国际电工委员会：IEC 61000-4-2、美国国家标准：ESD S20.20。我国近些年在这些标准的基础上也制定了一系列等效的标准，以下简单介绍：,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page21,国外的防静电标准,主要有： 国际电工委员会：IEC 61000-4-2， 欧盟标准：EN 61000-4-2 美国国家标准：ESD S20.20 欧盟标准：EN 100015、EN61340-5-1 南美洲：ANSI/ESD 20:20 (工业制造业应遵循的标准) ESD STM5.1/ESD STM5.2 (IC 制造中通用的标准) 美国军标：MIL-STD-883 Method3015 美国军标：MILPRF-38535、ESD DS5.3.1 等。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page22,国内的主要静电防护标准,GJB/Z 105-1998 电子产品防静电控制手册； GJB 3007-1997防静电工作区技术要求； GB 6833.3-1987电子测量仪器电磁兼容性试验规范 静电放电敏感度试验； QJ 1693-1989电子元器件防静电要求； QJ 1875-1990静电测试方法； QJ 1875A-1998静电测试方法； QJ 1950-1990防静电操作系统技术要求； QJ 2177-1991防静电安全工作台技术要求； QJ 2245-1992电子仪器和设备防静电要求等。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page23,1.2 静电防护与电磁兼容性,1.静电的三种危害方式,ESD危害是静电源产生的电能作用到或过于接近ESDS（静电敏感元器件）元件（或整机设备）所导致的结果。使电子器件性能退化或功能失效。,（1）吸附尘埃,静电放电,静电感应,吸附尘埃,静电吸附尘埃对微电子生产业影响很大，在现代大规模集成电路(LSI)生产中，芯片的线宽已达到0.1m，如果其产生静电则对几几十微米的尘埃吸附作用明显。,1.2.1 静电危害,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page24,纤维屑与灰尘,指痕,磁头,磁盘,IC特征尺寸 1m,微粒 56 m,尘埃粒度与IC芯片间距比较示意图,一颗直径几微米尘埃吸附在芯片上，即可造成十几根芯线之间的绝缘强度降低，造成短路使芯片损坏。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page25,（2）静电放电（ESD是Electro Static Discharge“静电放电”的缩写),电介质被击穿后，静电电荷会很快得到平衡，这种电荷的快速中和就称为静电放电。由于在很小的电阻上快速泄放电压，泄放电流会很大，可能超过20安培，如果这种放电通过集成电路或其他静电敏感元件进行，这么大的电流将对设计为仅导通微安或毫安级电流的电路造成严重损害。,静电放电的破坏,ESD,半导体破坏率的分配：,59%都是由静电引致的,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page26,（3）静电感应,当导体和电介质置于静电场中，在其上感应出+或-的静电荷。静电感应电位可达数千伏以上。,其危害不仅有静电放电的危害性，而其感应放电产生的宽频带脉冲干扰可对计算机和低电平数字电路发生翻转效应或导致仪器（仪表）运行失常。,目前，半导体内有PN结，它的介电层 SiO2，膜厚度0.0070.15m，再考虑工艺偏差，能承受的耐压值很低。,目前，半导体器件安全阀门限电压100V。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page27,美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起。 1967年7月29日，美国Forrestal航空母舰上发生严重事故，一架A4飞机上的导弹突然点火，造成了7200万美元的损失，并损伤了134人，调查结果是导弹屏蔽接头不合格，静电引起了点火。 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。,二十世纪中后期静电危害震惊世界,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page28,EMC基础知识 电磁兼容（EMC）： Electromagnetic Compatibility 设备在规定的电磁环境中正常工作而不对该环境或其它设备造成不允许的扰动的能力。 电磁干扰（EMI）： Electromagnetic Interference 使其他电器设备或电子装置性能下降，工作不正常或发生故障的电磁扰动。 电磁敏感性（EMS）： Electromagnetic Susceptibility 设备在电磁环境中耐受干扰的能力。,1.2.2 EMC与静电防护,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page29,电磁干扰示意图,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page30,EMC 三要素,干扰源 敏感设备 传播途径,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page31,快速，高压，高场强：当人带电5KV与金属接地体（6cm长8cm直径的金属棒）接触，放电时间0.7ms，当电弧长度为0.8mm，距电弧0.1m处，电场强度为12KV/m，磁场强度为30A/m，在同样的放电电压下，放电电流的大小随电弧距离的缩短急剧上升，电流上升的速度从3A/ms到600A/ms，放电瞬间足于将ESDS器件内部引线烧毁。,一、 静电放电产生电磁场危害,瞬态大电流,高电位、强电场,宽带电磁干扰,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page32,一、 静电放电产生电磁场危害,瞬态大电流,高电位、强电场,宽带电磁干扰,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page33,一、 静电放电产生电磁场危害,瞬态大电流,高电位、强电场,宽带电磁干扰,静电放电的物理过程非常复杂，在放电前是静电场，一旦放电，电场能量就主要转化为脉冲磁场能量，形成极强的电磁能量向外辐射，且距离相当远。,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page34,热效应,电磁辐射和浪涌效应,强电场效应,磁效应,空气中发生的静电放电，可以在瞬间使空气电离、击穿、通过数安培的大电流，并伴随着发光、发热过程，形成局部的高温热源。 在微电子技术领域，形成破坏性的“热电击穿”，导致电路损坏失效。,二、 静电危害的作用机理,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page35,热效应,电磁辐射和浪涌效应,强电场效应,磁效应,静电放电引起的射频干扰，对信息化设备造成电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或功能失效。强电磁脉冲及其浪涌效应对电子设备可以造成硬损伤或软损伤，既可以造成器件或电路的性能参数劣化或完全失效，也可以形成累积效应，埋下潜在的危害，使电路或设备的可靠性降低。,二、 静电危害的作用机理,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page36,热效应,电磁辐射和浪涌效应,强电场效应,磁效应,静电危害源形成的强电场不仅可以使MOS场效应器件的栅氧化层击穿或金属化线间介质击穿，造成电路失效，而且对许多测试仪器和敏感器件的工作可靠性造成影响，对电磁屏蔽提出了更高的要求。,二、 静电危害的作用机理,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page37,热效应,电磁辐射和浪涌效应,强电场效应,磁效应,静电放电引起的强电流可产生强磁场，干扰电子设备的正常工作。因此对信息化设备的设计和磁屏蔽材料的选择都提出了苛刻的要求。,二、 静电危害的作用机理,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page38,控制静电起电率防止危险静电源的形成 增大电荷消散速率防止电荷积聚 采用抗ESD设计和防护加固技术提高电路抗电磁干扰能力 加强静电安全管理,静电防护对策,2019/8/8,静电理论与技术 Electrostatic theory and technology,Chapter 1 Page39,应将静电的产生减至最少 为导电物提供一条受控的放电通路 防止产生静电的物体引起危害-屏蔽,静电控制的三条基本原则,2019/8/8,静