安全生产_静电知识及其防护技术讲义

静电知识及其防护技术讲义 前言 静电防护技术即ESD培训内容 ESD是什么意思 ESD是代表英文ElectroStaticDischarge即 静电放电 的意思 是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减 静电放电模型 静电放电效应如电流热 火花 效应 如静电引起的着火与爆炸 及和电磁效应 如电磁干扰 等的学科 近年来随着科学技术的飞速发展 微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂 对静电放电的电磁场效应如电磁干扰 及电磁兼容性 问题越来越重视 ESD培训是顺利实施静电防护的前提和基础 它对于静电的防护起着相当重要的作用 是防静电防护的软件 对人员进行周期性的ESD培训是静电防护的重要组成部分 国内外大多数防静电控制大纲标准都对 培训有一定的要求 周期性的ESD培训包括两个方面的内容 即初始的基础培训和为强化大纲要求所需要的继续培训 并且适用于各职能部门和要素 培训要求的调整依赖于所学习的课程 新发展的概念和新的标准 以及新的防护措施和测量仪器设备等 培训内容的要求是不断发展 静电培训的重要性 培训的对象管理部门 相关职能单位 流水线管理人员 工人 技术员等都应该受到培训 最新的美国国家标准和国际静电放电协会标准 ANSI ESDS20 20 1999 把静电培训计划和培训要求及认证专门列出一节 静电培训的重点在领导管理人员 流水线管理人员和工程技术三种人 但内容和要求各不相同 对于领导和管理人员 除要求懂得静电安全管理要求外 对静电基本知识 防静电工作区的要求 静电敏感标记等也应有所了解 而对设计师 现场工程师 维修技术人员等对静电就要有全面的了解 目前 我国各类院校除少数专业有静电专业研究生课程外 中专 大专及本科均没有开设静电专业课程 仅是物理的电学中介绍了有关静电基本原理一些知识 但是只要有了这个基础 您就能学好静电防护基本知识 ESD防护工作的意义近半年世纪以来ESD在工业部门所造成了着火 爆炸等事故 仅美国电子工业每年因静电造成的损失达几百亿美圆 因此 防护对于减少损失 提高产品质量与生产效率具有非常重要意义 70前代以前 很多静电问题都是由于人们没有ESD意识而造成的 即使现在也有很多人怀疑ESD会对电子产品造成损坏 这是因为大多数 损害发生在人的感觉以下 因为人体对静电放电的感知电压约为3 而许多电子组件在几百伏甚至几十伏时就会损坏 通常电子器件被 损坏后没有明显的界限 把组件安装在PCB上以后再检测 结果出现很多问题 分析也相当困难 特别是潜在损坏 即使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化 所以很都电子工程师和设计人员都怀疑ESD 近年但实验证实 这种潜在损坏在一定时间以后 电子产品的可靠性明显下降 为什么要提高ESD防护意识 a 静电学基础知识b 静电控制的基本原理与途径c 静电安全管理与技术要求d 静电防护操作技能e 静电防护设施器材 设备仪器的基本性能与使用知识f 静电测量的基本原理g 静电防护标准的内容要求对不同行业的 如电子行业 石油化工及火炸药行业应增加相关专业的内容如对于电子行业应增加电子元器件静电防护设计技术静电敏感电子产品的分类与静电放电敏感度测量方法静电防护包装知识静电损伤失效分析技术防静电工作区的设置与要求静电敏感标记与符号的识别等 培训内容 你知道吗 你身上和你周围就带有很高的静电电压 几百伏 几千伏甚至几万伏 特别是在干燥的季节当你脱衣服或用手去触摸金属体时会产生电击感 此时你带静电达几千伏至几万伏以上 静电学是十八世纪以前以库仑定律为基础建立起的以研究静止电荷及场作用规律的学科 是物理学中电磁学的一个重要组成部分 静电工程学系指从十九世纪初到现在形成的以静电学为基础而研究静电危害及其防护和静电应用技术的专门科学 其主要研究内容有静电应用技术如静电除尘 静电复印 静电生物效应等以及静电防护技术如电子工业 石油工业 兵器工业 纺织工业 橡胶工业以及航天与军事领域等防静电危害问题 静电放电 ElectroStaticDischarge 问题是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减 静电放电模型 静电放电效应如电流热 火花 效应和电磁效应等的学科 近年来随着科学技术的飞速发展 微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂 对静电放电的电磁场效应如电磁干扰 及电磁兼容性 问题越来越重视 静电简介 继上页 在二十世纪中期 随着工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用 一方面 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 它曾使得它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 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 二次世界大战后许多任务业发达国家都建立了静电研究机构 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 离开原来的原子核而侵入其他的原子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 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 即可产生静电 转下页 静电的产生 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 当静电积累到一定程度时就会发生放电 接上页 影响静电产生的因素 1 物体的特性指相互摩擦或互相接触和分离的两物体的特性 通常两物体在静电序列 指相互接触和分离的两物体产生静电电荷的极性排列序列 中排位越近 其相互摩擦或接触 分离后产生的静电量越小 反之越大 此外 当物体含有杂质时 有增加静电产生量的倾向 2 物体的表面狀態表面光滑的物体产生的静电量较小 而被油 水污染或氧化形成粗糙表面的物体 有增加静电量的倾向 3 物体曾带电的履歷物体在最初接触和分离时产生的静电量较大 反复接触和分离则静电量有减小的趋向 4 接触面积和接触壓力接触面积和接触压力越大 产生的静电量一般也越大 5 分离速度分离速度直接影响分离过程中电荷的中和程度 因而也影响静电的产生 分离速度快 给予电荷分离的能量就大 因而静电的产生量也大 静电的特点 1 静电电量小而电压高 2 高压静电可能放电 3 绝缘体上的静电消失很慢 4 静电感应 5 静电屏蔽 答 能 除物体除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 物体不接触也能起电吗 图1 图2 图3 人体为什么会带电 在干燥的冬季 人们用手开关水龙头时 常有电击的感觉 见面互相握手 有时感到手上有电流流过 在黑夜间用手摸未接电源的日光灯 灯管会短时发亮 这些现象表明 有时人体会带电 人体为什么会带电呢 1 两种紧密靠近的物体快速分离 两种绝缘物质互相摩擦都会带电 2 人在强电场中活动 如在电视机或静电复印机旁活动 人体会因静电感应起电而带电 如果人们工作的场所空气中存在带电离子微尘 人体可以经过吸附峦得带电 由于人体对静电来说是导体 导体是等电位体 因此 人体一部分带电即可造成全身带电 人体带的电荷可通过脚接触地面而泄入大地 但是 如果穿的是高绝缘强度的塑料底鞋等 即人体成为带电的孤立导体 人与大地之间构成一个电容器 影响人体带电电压的因素 人体带电的电压和人体聚集电荷的多少成正比 和人体电容成反比 人体产生电荷的多少与穿着衣服的材料有关 人产穿着的外衣和内衣如果是两种材料制成的 这两种材料在静电序列中的位置相距越远 产生的静电荷就越多 人体的静电电压就越高 人们活动量越大 操作速度越快 产生的静电荷就多 人体带静电电压就越高 地面电阻 鞋底电阻和衣服电阻对人体静电影响也很大 上述电阻越大 人体聚集的电荷不易泄漏 易保持比较高的电压 人体的电容与站立的姿势 活动的状态 人体的体重有关 双脚对地电容占有主要地位 人体站立时 如果一脚离地 电容将明显峦小 由于在电荷不峦的情况下 电压和电容成反比 所以电容峦小 人体电压将明显提高 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 相对湿度RH 10 20 RH 65 90 人在地毯上走动3515人在乙烯树脂地板上行走120 25人在工作台上操作60 1包工作说明书的乙烯树脂封皮70 6从工作台上拿起普通乙烯袋201 2从垫有聚氨基甲酸泡沫工作椅上站起181 5 静电是时时刻刻到处存在的 但是在二十世纪40 50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 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 到70年代静电问题越来越来严重 80 90年代 随着集成电路的密度越来越大 一方面其二氧化硅膜的厚度越来越薄 微米 纳米 其承受的静电电压越来越低 另一方面 产生和积累静电的材料如塑料 橡胶等大量使用 使得静电越来越普遍存在 仅美国电子工业每年因静电造成的损失达几百亿美圆 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 电子工业的静电问题是如何的产生的 静电的危害 1 爆炸和火灾 爆炸和火灾是静电最大的危害 在可燃液体 气体的输送和贮存面粉 锯末 煤粉 纺织等作业的场所都有静电产生 而这些场所空气中常有气体 蒸气爆炸混合物或有粉尘 纤维爆炸混合物 静电火花有可能导致火灾甚至爆炸 2 电击 生产工艺过程中产生的静电能量很小 电击不致使人致命 但人体可能因电击引起坠落 摔倒等二次事故 电击还可能使工作人员精神紧张而引起操作事故 3 妨碍生产 静电除造成不安全因素外 还可能直接影响生产 降低产品质量 例如 静电使粉体吸附于设备 影响粉体的过滤和输送 在纺织行业 静电使纤维缠织 吸附尘土 降低纺织吕质量 在印刷行业 静电使纸张不齐 不能分开 影响印刷速度和降低印刷质量 静电还可能引起电力 电子组件误动作等等 静电对人体的危害 导体产生引燃的界限当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 静电对电子产品的危害 1 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组件的三种影响 1 静电吸附灰尘 降低组件绝缘电阻 缩短寿命 2 静电放电破坏 使组件受损不能工作 完全破坏 3 静电放电电场或电流产生的热 使组件受伤 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 如果组件全部破坏 必能在生产及品管中被察觉而排除 影响较小 如果组件轻微受损 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 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2 3KV 所以静电具有隐蔽性 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 因此静电对器件的损伤具有潜在性 3 随机性电子组件甚么情况下会遭受静电破坏呢 可以这么说 从一个组件产生以后 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动性性 其损坏也具有随机动性性 4 复杂性静电放电损伤的失效分析工作 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 所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性 2 静电对电子产品损害有哪些特点 3 静电对计算器的危害 根据目前维修计算器系统的统计表明 设备的损坏50 左右是由静电直接或间接造成的 在某些特定环境下 由静电造成设备的损坏率高达80 这主要是因為 1 瞬时流经机框的静电电流会引起信号线和电流线的感应噪声 这会影响CPU的性能 使自理能力峦得呆滞起来 出现数据不精确 甚至出现逻辑錯誤 2 静电放电所产生的瞬时干扰脉冲以及接触部分产生的电磁波会以辐射噪声形式干扰信号线 即使一次微弱的静电放电也会引起误码 甚至使存贮器的信息丟失 静电是MOS等半导体器件的主要破坏者 当静电放电离终端或CPU在3M以内距离时 其所产生的电磁场通过空气以及电缆 终端电源线等物体 传送到计算器上 就会引起计算器損壞 3 静电易吸附灰尘 尤其当灰尘吸附在磁盘 磁带的读 写磁头上时 轻者发生数据错误 重则损坏磁头 引起划盘 组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 组件制造过程在这个过程 包含制造 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 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 组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组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 所以 从组件的制造 使用到维修的任一环节都有可能发生静电损害 静电对电子产品的损害特点与癌症对人类的损害类似 所说以静电已成为电子工业的隐形的致命杀手一点也不过分 哪些电子工业过程会产生静电危害 从前面的分析可知静电是由于物体接触分离 甚至没有接触的感应等方式产生的 就连我们周围的空气也是由原子组成的 当这些空气流动时也会产生静电 可以说 在任何时间 任何地点都可能产生静电 要完全消除静电几乎不可能的 但可以采取一些措施控制静电在不危害的程度之内 如何控制ESD 随着现代高科技的发展 静电早已闯入了工业生产的许多部门和国民的生活之中并制造了种种事端 给人类经济和财产带来了巨人损失 有时甚至酿成社会灾难 例如 在电子行业中 静电不仅可损坏 或损伤 电子器件 而且还可导致电子设备误动作 在火箭发射中 静电放电可使制导计算机误动作 导致发射失败 在易燃易爆场所 静电放电将引起燃烧或爆炸事件等 所以 在现代电子 通讯 宇航 军工 石化等行业及许多科技领域中 控制静电已是不容忽视的重要问题 也是科技和生产高速发展的需要 控制静电的基本方法是 泄漏 中和 和 屏蔽 为了使静电能及时 泄漏 走 必须为静电提供泄漏通路 为了能 中和 掉静电 必须提供相反符号的带电粒子 为了能 屏蔽 静电 必须提供具有屏蔽功能的环境 为实现上述要求 可选用功能不同的防静电产品并用它们组合成完整的防静电系统 对静电敏感度不同的产品和场所 静电控制的要求也有差异 控制方案须视具体情况选择合适的静电防护用品静电检测仪器静电控制方案的科学性是静电控制有效性的保征 静电控制 一 接地和泄漏 接地是消除导电体上的静电的最简单的办法 只要接地电阻不大于1000欧 静电的积聚就不会产生 试验证明 导电体与绝缘体接触时 导电体接地以后 绝缘体上的静电变化不大 实际中多采取增湿措施和采用抗静电添加剂来促使静电从绝缘体上自行消散 增湿就是提高空气的湿度 在允许增湿的工作场所普遍采用这种方法消除静电的危害 它的主要作用在于降低静电绝缘体的表面电阻率 增强其表面导电性 提高泄漏的速度 在产生静电的绝缘材料中添加少量的抗静电添加剂 可以增加材料的吸湿性或离子性 加速静电荷的泄漏 防止静电危害的措施 二 静电中和法 这是消除静电的重要措施 静电中和法是在静电电荷密集的地方没法产生带电离子 将该处静电电荷中和掉 静电中和法可以用来消除绝缘体上的静电 静电中和法依其产生相反电荷或带电离子方式的不同 主要有以下几种类型 1 感应中和器 2 高压中和器 3 放射线中和器 4 离子流中和器 三 防止静电放电和人体带电 静电放电是由于两个电极间电场强度超过了其间电介质 一般是空气 的击穿强度而发生的 放电有电晕放电 刷形放电 火花放电 以火花放电危险性最大 在日常工作和生产场所 为防止静电危害 在易燃环境中最好不要穿化纤织物 在有爆炸粉尘混合物 氢气和乙炔等工作场所 应穿用导电纤维制成的防静电工作服 工作鞋 在装卸运送燃油料工作时要控制流动速度 同时还要根据实际情况迁用绝缘性工具或导电性工具 四 静电屏蔽 静电屏蔽就是用接地的金属线和金属网等将带电的物体包覆 对带电物体进行屏蔽的主要目的 是限制它结周围环境产生电气作用 消除因非导体带电而引起的力学现象和放电现象 必需指出 屏蔽不能将静电荷泄漏 消灭或消除 因此 在需要严格防止静电的场所 还应采取其他防静电措施 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 所以可以对人体采取接地的措施1 使用防静电地面 防静电鞋 袜 静电从脚导到大地 人员穿上防静电鞋袜通过脚至防静电性地面 地垫 地毯 形成组合接地 2 佩戴防静电腕带并接地 静电从手导到大地 通过手用以泄放人体的静电 它由防静电松紧带 活动按扣 弹簧软线 保护电阻及插头或夹头组成 松紧带的内层用防静电纱线编织 外层用普通纱线编织 上述两项措施都是实用而有效的 应视不同的场合选择使用 如何控制人体静电 人体静电防护 静电对计算器危害的预防对策 静电产生的方式有很多 主要有摩擦生电 电容性感应电荷积累 射线辐射造成电荷积累 干燥的空气中带电粒子等都可能产生静电 它的产生与环境条件有密切的关系 没有良好的环境湿度 温度 洁凈度以及计算器系统接地装置 静电对计算器的危害就会成倍增加 为了尽可能地减小静电对计算器的损害 可能采取以下几种方法来消除和抑制静电 1 确保计算器设备良好接地 如果楼层较高 一定要有好的房屋接地 机房地线一定用绝缘电阻表测定 最好小于1欧 有条件的使小于0 4欧 继上页 2 在安装和维修计算器时应避免穿橡胶绝缘底鞋 一定要带防静电腕带 在安装 维修计算器设备前 对静电敏感的模块保存在保护包装里 如果需要从系统中卸下对静电敏感的模块 应事先准备好防静电包装品 这样 一旦卸下模块后 就可方便地保存和运输 不要触摸电器组件或模块的引线 连接插口及其他连接点 用手拿线路板和模块时要拿其边缘 不要去碰插脚和线路板边缘的连接插口 在切除静电敏感部件或模块的包装物前 先用一只手拿住其包装物 另一只手去碰一下系统金属底座 但不要碰连接插口 然后迅速切除包装并立即安装 此时尽量不要移动身体 继上页 3 机房内最好不要用易摩擦起电的地毯 工作台最好用防静电工作台 不穿易产生静电的人造纤维服装 在机房内不要频繁走动 4 机房中应设置空调 如没有条件 可经常以机房内洒水 保持机房内的湿度不低于50 5 用防静电中和器来定时消除关键设备的静电 以上方法 对静电有良好的消除和抑制作用 对确保计算器可靠地运行 减少计算器硬件损坏具有重要意义 静电防护用品及其使用 它是用防静电涤卡等布料制成的服装 其导电机理是布料纱线含一定比例的导电纱 导电纱又是由一定比例的不锈钢纤维或其它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服装上的静电 由于不锈钢纤维属金属类纤维 所以 由它织成的防静电布料的导电性能稳定 不随服装的洗涤次数而变化 一 防静电套装 防静电大褂 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 因此 要消除人体静电最简单的办法是对人体采取接地的措施 穿防静电鞋并使用防静电地面 防静电地垫 地毯等 和防静电袜防静电鞋垫等 能使静电从人体导向大地 从而消除人体静电 因此 要形成人体与大地导通静电的通路 鞋 地面 袜 鞋垫等必须全是防静电的 才能使消除静电的措施有效 防静电鞋 它用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 防静电指套 防静电手套 用以泄放人体的静电 它由防静电松紧带 活动按扣 弹簧软线 保护电阻及插头或夹头组成 松紧带的内层用防静电纱线编织 外层用普通纱线编织 主要指标是 弹簧软线最大长度250cm 泄漏电阻106 107 保护电阻106 静电电位衰