企业培训_静电防护方面理论知识培训

静电防护方面理论知识培训 一 静电概念的初步认识 1 概述 静电作为一种自然现象 由于它本身的特性会对一些事物造成危害 从传统的观点来看 它是火工 化工 石油 粉碎加工等行业引起火灾 爆炸等事故的主要诱发因素之一 也是亚麻 化纤等纺织行业加工过程中的质量及安全事故隐患之一 还是造成人体电击危害的主要原因之一 尤其静电放电对电子产品造成的危害 据日本80年代中期的一项统计资料表明 在失效的半导体器件中 有45 是因静电危害造成的 电子消费类产品的生产厂家 产品质量优劣关系着公司的营利情况关系着公司的前程 为了向用户提供优质满意的产品 从加强制造过程质量控制角度出发 静电防护是一项非常重要的工作 而为了让操作者掌握防静电方面的知识 能够结合实际生产 进一步规范操作要求 从而降低生产中的不良品损耗 对公司的员工进行静电防护方面的知识培训也是整个静电防护工作的重要一项 2 静电 静电现象 自然界中的一切物质是由分子构成 分子又是由原子组成的 原子是构成一切化学元素的最小粒子 它由带正电的原子核和带负电的围绕着原子核旋转的电子组成 在自然状态下 原子的这种正 负电荷是相等的 物质处于电平衡状态 即对外界表现为不带电 当某种条件下 物质原子中的电平衡状态被打破时 丢失或获得电子 物质就变为带电状态 这种呈现带电的现象称为带电现象 另外按照物质所带电荷的存在与变化状态可分为动电 流电 现象和静电现象 日常现象 经过摩擦起电 冬天干燥气候脱毛衣起火花 有被电击的经过 电排斥力和电吸引力 电视屏幕吸附灰尘 不同类型的电荷 正电荷 和负电荷 法则 同性电荷相排斥 异性电荷相吸引 电荷的本质 原子和物质的结构电荷的平衡 电子数目 质子数目电中性 电子数目 质子数目带正电荷 电子数目 质子数目带负电荷 电子数目 质子数目只需改变电子数目就可以起电单位 库仑 C 一颗电子带有1 6X10 19C的电荷绝缘体 如塑胶 不轻易让电子通过或逃逸导电体 如金属 容许电子自由通过或逃逸摩擦起电感应起电 概括地说静电是一种处于相对稳定状态的电荷 它所引起的磁场效应较之电场效应可以忽略不计 静电可由物体间的接触与分离 电场感应 介质极化 带电微粒附着等许多物理过程而产生 静电现象是由于带电体的静电场作用而引起的静电放电 静电感应 介质极化以及静电力作用等物理现象的统称 静电现象广泛存在于自然界 工业生产和人们的日常生活中 例如 大气闪电是最具代表性的自然界静电现象之一 它是两块带不同性质电荷的云层间发生静电放电的结果 在气候干燥的冬季 脱衣服时常常听到服装间 服装与人体间放电的响声 并伴以在暗处可见的火花 再如电视机的显示屏易吸收 附着灰尘 这也是由于空气灰尘受静电吸引所出现的静电现象 3 物体是如何产生静电的 固体的带电方式有 固体接触带电固体分离带电物体摩擦带电 是由接触和分离带电的合成 固体感应带电固体其他带电方式 断裂 剥离 压电 热电 电解 驻极体带电等 4 人体静电 人是一个特殊的导体 人与各种物体之间的接触 分离和人体自身的活动 都会导致静电的发生 并蕴藏着大量的不定因素 例如接触面积 压力 表面状况 着装和鞋子状况等 人的导体性质表现为人体对于通过的电流具有一定的阻值范围 另外人可以因与地面接触情况的差异 表现为不同的人体对地电容值 根据实验表明 人在地毯上行走 在短短的30秒内 人体身上带的静电电压可以从0V增加到20000V 此时 若手接触金属门把手时 由于静电放电会有触电的感觉 严重的会引起昏厥现象 如果此时接触或靠近集成块等静电敏感器件 足以击穿该器件 一 人体带电方式 摩擦起电 人活动时身上所穿的衣服 鞋子 手套相互摩擦 或鞋子与地面 其他物体发生摩擦 人脱衣服 拿放物品等都会使人体带电 感应起电 当不带电的人体与带电的物体靠近而进入带电体的静电场时 由于静电感应原理使人体感应起电 此时 如果人体与地之间绝缘 则成为静电场中的孤立带电体 传导起电 人体直接接触带电体时 或者与带电体接近发生静电放电时 都可使带电体上的电荷发生转移而达于人体 并使人体和所穿衣物带电 或是人在带有静电的微粒粉体和雾状液粒空间活动和工作时 带电的粉尘 雾 灰尘或离子等吸附于人体上 也可能使人体及所穿衣物产生附着带电 目前世界上只做到12万伏静电的实验 二 人体静电的危害 人体电击 带了电的人体接近接地体时 会由于静电放电产生的瞬间冲击电流流过人体的某一部位而引起电击 同样 原来不带电的人体当接近一个带电物体时 也会由于静电放电发生人体电击事件 电击的严重程度与静电能量 电压和带电体的电容量有关 如表 电容为470pf的带静电体发生人体电击时人体的生理效应 引发爆炸和火灾 人体的电容一般为100pf 人体电阻一般为1 5k 左右 故人体充电 放电 时间常数RC 0 5微秒 假设人体电位为2KV 则人体存储的静电能量W 1 2CU2 0 2mj 这样的能量在0 5微秒的极短时间内泄放 瞬间脉冲高 平均功率达到千瓦以上 足以引发部分混合气体的燃烧的爆炸 对静电敏感电子产品的工作造成损害 人体静电位可高达数百 数千甚至上万伏特 足以使敏感电子元件发生电击穿 包括硬击穿 造成突然永久失效 和软击穿 一般表现为暂时失效 5 静电所形成的伤害 损失 静电造成的安全危害和产品危害 可能是通过以下几种模式表现出来 其中 尤以静电放电作用危害最严重 最普遍 静电库仑力 电场力 作用危害静电放电危害静电感应危害 静电库仑力 电场力 作用危害 积聚于物体上的静电荷 将在其周围空间产生电场 电场中的物体将会受到静电库仑力的作用 库仑定律 表示两个静止点电荷间相互作用力的定律 其值与两点间的电荷量的乘积成正比 而与它们的距离的平方成反比 同性电荷相斥 异性电荷相吸 力的方向沿着两个电荷点的连线 库仑力是电场力 由于带电体的静电场作用 使其附近的带电体受到电场的作用力 当置于电场中的物体是一个非带电体时 如果它是导体 则将在其上产生静电感应 如果它是绝缘体 则将在其上产生极化 无论是哪种情况 都会使物体受到力的作用 并在该力的作用下使物体转动 使其长度方向与电场方向趋向一致 如果电场是均匀的 作用于感应电荷或极化电荷上的库仑力都不会使物体发生位置移动 但是 如果电场是非均匀的 作用于感应电荷或极化电荷上的库仑力都将使物体朝向电场强的方向移动 这就是说 在非均匀电场中即使物体不带电 也会被带电体所吸引 这是因为带电体附近电场强度大 电场的非均匀性越高 这种吸引力越大 一般情况下 物体所产生的静电 其静电力在每平方米几牛顿的水平上 这虽然只是磁铁作用力的万分之一 但它对于轻细的毛发 纸屑 尘埃 纤维等足以产生明显的吸附作用 正是这种库仑力的吸附 对不同行业和不同生产环境与条件以及不同产品 构成了各式各样的危害 在半导体 例如硅片 和器件制造过程中 IC的生产制造工艺已经可以做到0 1 1微米级 而且广泛使用石英及高分子物质制作的器具和材料 由于它们具有高绝缘性 在生产过程中可积聚大量电荷而产生强的静电 这样高的静电其力学效应会使车间空中的尘埃吸附在半导体芯片上 可能导致极间短路而使成品率下降 静电放电危害 静电荷在物体上的积聚 从能量的角度表现为静电能的存储 并在周围产生电场 当带电体所具电位和附近某一物体具有的较低电位之间呈现的电场强度超出二者之间介质的击穿强度时 便会产生静电放电以泄漏电能 瞬间出现很高的电流强度 并伴有声 光 热和电磁辐射等 当垂直带电的物体表面的静电压高于2500V时 可向空气放电 对于人体静电放电 通过实验可知 瞬间的放电电流可达1A以上 这样高的电流足以造成仅能通过微安电流的某些CMOS器件芯片电路的损坏 较高能量的静电放电可产生频带几百千赫兹 几十兆赫兹 电平高达毫伏的干扰场强 能使计算机和低电平数字电路发生翻转效应 导致误动作 因此 静电放电是静电危害的主要模式 典型的静电放电危害包括以下方面 引发火灾和爆炸事故造成人体电击造成产品损害造成对电子设备正常运行的工作干扰 静电感应危害 在静电带电体周围 在其电场力线作用所及的范围内 将使处在此区域中的孤立 与地绝缘 导体或半导体表面上产生感应电荷 其中与带电体接近的表面带上与带电体符号相反的电荷 另一端则带上与带电体符号相同的电荷 由于整个物体与地绝缘 电荷不泄漏 故其所带正负电荷由于带电体电场的作用而维持平衡状态 但总电量为零 但是 物体表面正负电荷完全分离的这种存在状态 使其充分具有静电带电的本性 显然 其电位的幅值取决于原带电体所形成的电场强度 静电感应是使物体带电的一种方式 因此 感应带电体既可产生库仑力吸附 又可产生其他相邻近的物体发生静电放电 并造成这两种模式的各种危害 例如 电子元件在加工制造过程中 因各种原因产生的静电源可能在器件引线 加工工具 包装容器上感应出较高的静电电压 并由此引起半成品和产品的静电损害 电子产品生产 加工制造中的静电源 工作表面 封腊 涂漆或浸漆表面 普通乙烯树脂或塑料 地板 打腊抛光木板 普通乙烯树脂基砖或薄板 工作服 普通洁净室工作服 普通合成料服装 非导电工作鞋 椅子 普通油漆木椅 乙烯基或玻璃纤维椅 包装和操作 普通塑料口袋 罩 封皮 胶带 普通塑料存储器具 组装 清洗 测试和维修区仪器设备 二 静电危害的防护 静电的产生几乎是难以避免的 但可以通过各种行之有效的措施加以防护 以使其降低到可以接受的程度 并尽可能地减少危害 工程中实用的静电防护措施尽管五花八门 但其基本思路总是紧密围绕下列几点 尽量减少静电荷的产生 对已产生的静电荷尽快予以消除 包括加速其泄漏 中和及降低它的强度 最大限度地减少静电危害 严格静电防护管理 以保证各项措施的有效执行 1 防止静电的形成 控制环境的湿度和温度控制和改换材料防护人体 设备带电控制生产工艺 控制环境的湿度和温度 湿度对于降低静电危害具有重大的影响 这是因为物体 尤其是某些具有吸湿性能的绝缘体 在高湿条件下 其表面因吸附水份而形成一层薄的导电层 会让物体表面的静电荷迅速泄漏和把静电荷散逸到整个材料的表面 因而降低了它的强度 从静电防护的角度出发 湿度应尽可能的大 因为湿度越大静电发生的程度越低 对静电的防护越有利 但从生产工艺和测量的角度出发时 电子产品生产环境的湿度要求不宜过大 通常要求将相对湿度RH控制在45 60 范围内 除了这些环境之外 为防止静电的发生 环境湿度要尽可能地大 还应尽量降低环境温度 控制和改换材料 了解易于产生静电的部位和零件材料 将其中之一改换为与之在静电序列中位置较近的材料 使相互对外层电子的能力差不多 这样产生静电较少或将其中之一改为静电导体 这样静电不易产生 塑料 尼龙 有机玻璃 人造纤维等为绝缘体 易磨擦产生静电 且不易耗散 人手兔毛正 玻璃云母人发尼龙羊毛毛皮铅丝绸铝纸棉布钢木板琥珀封蜡硬橡胶镍 铜黄铜 银金 铂硫磺醋酸人造纤维聚脂明胶奥纶聚氨脂聚乙烯聚丙烯负 聚氯乙烯聚三氟氯化乙烯聚合体硅聚四氟乙烯 2 消除已产生的静电 消除静电主要用泄漏法和中和法 前者适用于静电导体 后者适用于静电非导体 1 泄漏静电的方法有三种 接地提高周围环境湿度增加材料的电导率 2 中和静电的方法 接地 靜電危害防制方法中 接地是最有效且經濟的方法 蓄積在導體上的電荷 會在一次放電中將能量完全釋放 是常見靜電危害產生的原因 防制的方法 就是將所有導體連接在一起 然後接地 並保持低的接地電阻 使導體上的電荷迅速向大地散逸 不致引起靜電放電的危害 導電性設備對地電阻小於106 时 及操作人員對地電阻小於108 时 就已達到接地的效果 在工業生產過程中 因為摩擦等所能產生的最大靜電電流為10 4A 若是人為的操作 最大速度約為1m s 所所產生的最大靜電電流約為10 6A 因此估計 上述兩項電流分別流過106 與108 時 在電阻 導電性設備 上所得到電壓為100V 所以選擇100V為界限 因為低於100V時不致引燃易燃性環境 導電性設備實施靜電接地外 通常亦實施電機設備接地 如 電力系統接地 避雷系統接地等 故為實際工程需要 可採行通行用於許多情況下的接地電阻值為10 導電性設備實施接地 在實行上會遇到許多困難 因為有許多金屬桶實施接地等 又有大量的絕緣材料被使用於設備中 造成導電性設備或元件絕緣 因疏忽未被發現 因此實施靜電接地須注意下述事項 人員教育訓練 導電性設備實施接地 定期檢查及維護 增加材料的电导率 物質蓄積靜電荷的高低與靜電散逸速度之快慢有關 通常電阻值愈低的物質 其靜電散逸速度愈快 不易累積靜電 反之 電阻值愈高的物質 其靜電散逸速度愈慢 容易累積很高的靜電 在一般環境下 靜電材料的表面或體積電阻係數 在1011 square或1010 m以下即可 若在易爆性環境中 則抗靜電材料的表面或體積電阻係數 須在108 square或106 m以下 使物質具有抗靜電能力的方法有下列三種 1 物質本身具有抗靜電能力 如 棉 木材 紙及土壤等 但這些物質的抗靜電能力 會受到溫度及相對濕度的影響 而成為絕緣性的物質 2 在絕緣性物質的表面塗佈抗靜電物質 如 碳粉 抗靜電劑等 可使絕緣性物質表面形成導電層 大多數的商用抗靜電劑塗佈於物質表面 藉由外側之親水基 吸附空氣中水份 提高物質表面的導電度 因此環境中相對濕度的高低 會影響物質表面導電層的效果 一般在相對濕度40 50 以下時 其效果會降低 3 在絕緣材料製造過程中加入碳粉 抗靜電液或金屬纖維等 使物質成為抗靜電材料或導電性材料 在橡膠 塑膠或液體製造過程中 加入碳粉或金屬粉 可提高其導電性 成為導電性材料 而且其效果不受相對濕度的影響 但卻會改變材本身的持性 在化工製程中經常遇到靜電荷累積在絕緣的產品或設備上 若能採用抗靜電的產品或設備 並實施接地 則靜電荷能很容易地向大地散逸 中和静电的方法 中和静电也是消除静电的一种方法 在某些场合中不便使用ESD防护材料时 或必须将某些高绝缘易产生静电的用品存放在工作台或工艺线上时 为了保证产品质量就必须对操作环境采取静电中和措施 静电中和是借助离子静电消除器或感应式静电刷来实现 静电中和的原理 将正负离子与静电源上的正负静电荷中和 从而消除静电源上积聚的静电荷 静电消除器按工作原理不同 可分为感应式静电消除器 交流型静电消除器 稳态直流型静电消除器 脉冲直流型静电消除器和同位素静电消除器 3 人体防静电系统 该系统主要由防静电腕带 工作服 鞋袜等组成 必要时还需增加防静电帽 手套 指套等 电子产品操作人员为何要佩戴防静电腕带