静电基础知识ppt课件.ppt

1 武占成 教授 博士 博士生导师单位 军械工程学院静电研究室地址 石家庄市和平西路97号电话 0311 87994357Email 2 静电基本概念基础知识 第一讲 3 一静电 二静电放电 三静电发展简史 主要内容 四静电危害 五静电防护技术的发展 4 一静电 1 1静电的概念及其产生机理一种处于相对稳定状态的电荷 静电是物体表面正负电荷发生分离的一种物理现象 原因 摩擦 剥离 破裂 电解 感应 吸附 喷电 机理 物质因失去或得到电子而带电 5 物体紧密接触时 共享表面电子 6 物体紧密接触时 共享表面电子 7 物体紧密接触时 共享表面电子 8 由于两种物质的原子核吸引电子的能力不同 一种物质得到电子 另一种物质失去电子 物体紧密接触时 共享表面电子 9 Itispossibleforelectronstobe stolen fromonematerialbynucleiintheothermaterial becausetheyhaveastrongerforce 但此时 总体上保持平衡 不显电性 物体紧密接触时 共享表面电子 10 相互紧密接触的物体分离时 11 分离时 得到电子的物体带负电 失去电子的物体带正电 相互紧密接触的物体分离时 12 所有接触 分离的物体间均会发生静电起电过程 对于绝缘体 电荷保持在原处 对于导体 电荷转移到整个物体 对于接地导体 电荷泄漏到大地 相互紧密接触的物体分离时 13 感应起电 14 1 2影响静电起电的因素 材料本身的起电性能接触的紧密程度 压力摩擦的速度环境温度环境湿度 15 1 2影响静电起电的因素 材料本身的起电性能接触的紧密程度 压力摩擦的速度环境温度环境湿度 物质的微观结构和性质是决定决定静电带电序列的主要因素 直接影响静电起电的带电符号和带电量的大小 16 1 2影响静电起电的因素 材料本身的起电性能接触的紧密程度 压力摩擦的速度环境温度环境湿度 1 物质内部的化学组成 2 物质表面的化学组成 污染 氧化 吸附 3 分子结构 取向性 拉伸改变分子取向可使带电状态发生变化 结晶性 4 物体形状 大小 空间位置 决定物体带电电量的极限值 17 1 2影响静电起电的因素 材料本身的起电性能接触的紧密程度 压力摩擦的速度环境温度环境湿度 摩擦 压力等因素不是静电起电的必要条件 单纯的接触 分离会使物体带电 但摩擦等因素可以增强起电的效应 18 1 2影响静电起电的因素 材料本身的起电性能接触的紧密程度 压力摩擦的速度环境温度环境湿度 环境温湿度的变化会引起物体表面及其周围介质电导率的变化 从而使物体上所带电荷通过物体表面和周围介质泄漏的快慢程度发生变化 影响物体静电带电的电量 相对湿度80 以上时 任何物体所带静电电量都很小 而低于30 且温度较低时 物体因静电起电的电量可以很大 19 根据不同物质功函数的数值大小 由小到大排成一个序列 构成摩擦带电的静电序列 当两种材料接触分离后 物体所带电荷的符号和大小可由静电序列确定 静电序列中任意两种固体相接触时 排在前面的固体带正电 排在后面的带负电 摩擦带电的静电序列表显示了不同材料电荷产生的情况 在实际起电过程中 相接触的两种固体表面很容易受实验条件和周围环境因素的影响 静电序列略有差异 静电序列 20 静电带电序列 21 静电带电序列 IEEEStd C62 47 22 静电序列 在静电防护工程设计 施工和有关静电敏感产品的设计 包装材料的选择和使用过程中 应尽量避免使紧密接触的材料在静电带电的序列中相差过远 接触分离后所带的电量越大 应尽量使用同种材料或在静电带电序列中较近的材料 23 同一种材料接触也可能带电 例如 温度不同的冰晶碰撞 温度低的冰晶带正电 同一种材料摩擦也可能带电 其原因是非对称摩擦使得两物体接触面处温度不同 应当指出上述序列表只能作为一般的参考 因为还存在许多不可重复的因素 静电序列 应用静电序列还应注意 24 静电领域材料的分类 静电导体 表面电阻率小于1 105 sq或体电阻率小于1 104 cm的材料 静电屏蔽材料 表面电阻率小于1 104 sq或体电阻率小于1 103 cm的材料 静电耗散材料 表面电阻率大于或等于1 105 sq而小于1 1012 sq或体电阻率大于或等于1 104 cm而小于1 1011 cm的材料 绝缘材料 指表面电阻率至少为1 1012 sq或体电阻率至少为1 1011 cm的材料 25 常见静电产生源 地板 尤其是塑料地板或地毯椅子 木质 塑料 或化学材质衣服 尼龙及一般布料工作台面 磨光 油漆及上蜡其它 塑料垫 文件夹等任何可能产生磨擦的地方 物体相对运动 摩擦或接触分离 产生静电 26 可能产生静电的电位 27 二 静电放电 ESD 静电场引起的静电荷的快速瞬态转移过程 两个具有不同静电电位的物体 由于直接接触或静电场感应引起的两物体间的静电电荷的转移 常条件下 具有不同静电电位的物体接近时 强静电场使物体间空气或介质击穿 形成放电火花 28 29 30 闪电也是一种静电放电现象 31 一块雷雨云里 正电荷和负电荷分开的两部分相互吸引 像磁铁一样 而阻止兩者的绝缘体是空气 如左图所示 当雷雨云里和地上的电荷变得足够強时 兩部分的电流会冲破空气的阻碍 正电荷和负电荷相接触的火光就是 闪电 而如此也让电荷相互平衡了 32 冬天时 因为走动和地板摩擦 使身体带上静电 所以 这时如果空气中弥漫着汽油蒸气 可能会引发爆炸 日常生活中的静电放电现象 33 LikeGerms ESDIsTheHiddenEnemy ControlGerms Weareawareofsterilizationinmedicine WeshoulddevelopthesameattitudeaboutESD ControlESD 34 35 康熙字典 阴阳激耀 从雨从申 西周青铜器上的电字 三 静电发展简史 36 中国古代对静电现象的观测记载 汉代 王允 论衡 中有 顿牟掇芥 南朝 陶弘景 惟以手心摩热拾芥为真 炮炙论 中有 琥珀如血色 以布拭热 吸得芥子者真也 以此作为识别真假琥珀的标准 西晋 张华 博物志 今人梳头 脱着衣时 有随梳 解结有光者 亦有咤声 唐代 段成式 猫黑者 暗中逆循其毛 即若火星 宋代 张邦基 墨庄漫录 记载 皇宫中每幸诸阁 掷龙脑以辟 避 秽 过则以翠羽扫之 皆聚 无有遗者 摩擦起电 37 古代兵器多为长矛 剑 戟 而矛 戟锋刃尖利 常常可导致尖端放电发生 因这一现象多有记述 如 汉书西域记 中就有 元始中 公元3年 矛端生火 晋代 搜神记 中也有相同记述 戟锋皆有火光 遥望如悬烛 电晕放电 中国古代对静电现象的观测记载 38 气球为什么会粘在墙上 静电感应起电 39 王充在 论衡 雷虚篇 中写道 蛟龙见而云雨至 云雨至则雷电击 明确地提出云与雷电之间的关系 淮南子 坠形训 认为 阴阳相薄为雷 激扬为电 即雷电是阴阳两气对立的产物 中国古代对电本质的认识 明代刘基 1311 1375 说得更为明确 雷者 天气之郁激而发也 阳气困于阴 必迫 迫极而迸 迸而声为雷 光为电 犹火之出炮也 而物之当之者 柔为穿 刚皆碎 可见 当时己有人认识到雷电是同一自然现象的不同表现 40 西方对静电的认识过程 公元前600年左右 古希腊哲学家Thales 塔勒斯 发现用丝绸摩擦琥珀之后有类似于磁石能吸引轻小物体的性质 Thales成为有历史记载的第一个静电实验者 古希腊语hlector 发音为elector 起初指太阳 后用于描述琥珀 因其如阳光般的色彩 现代英语中的电 electricity 即源于该词 Electricity 41 但直到16世紀 除了偶尔发现埃尔摩 Elmo 火外 对静电別无其他记载 埃尔摩火是发生在船桅杆上或其附近的发光現象 在航行于地中海上的水手中間长久流传着一个 神火 的故事 他们在暴雨将来临的危急时刻 多次地发現在桅杆尖上有一种不祥的火光 开始时水手们把它看做末日的来临 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 42 WilliamGilbert 电学之父 1540 1603 英女王伊丽莎白一世的御医 首次明确指出地球是有磁性的 首次区分了电与磁 论磁石 发明了验电器 43 十七 十八世纪的摩擦起电实验 1660年德国人Guericke 格里凯 发现了同性相斥的现象 发明了摩擦静电起电机 1678年 能在实验室中产生火花放电 1720年英国人StephenGray 格雷 发现丝绸 干木材 毛发经摩擦也能起电 44 1733年DuFay 杜菲 发现两类不同性质的电 一种称为玻璃电 发生在玻璃 水晶 宝石 动物毛发等 另一种称为琥珀电 发生在琥珀 树脂 丝 线 纸等 Musschenbroek 马森布罗克 于1745年发明Leydenjar 莱顿瓶 1775年 意大利物理学家AlessandroVolta 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电压很高的静电 莱顿瓶 原始电容器 45 富兰克林BenjaminFranklin 1706 1790 美國科學家 發明家 政治家和社會慈善家首先定义电荷的正负极性改进了莱顿瓶 获得强烈火花放电提出了单流体学说提出电荷守恒原理首先用风筝将天电引到地面1752年发明了避雷针 46 47 法拉第 MichaelFaraday 1791 1867 是一位伟大的实验科学家 他的研究覆盖了许多领域如化学 物理和电磁 引入了带电体周围电力线的概念 他的一个很有意义的实验是法拉第笼实验 英国人普利斯特利 Priestley 1737 1804 最早提出电荷之间的作用力与它们之间的距离的平方成反比 1772年英国物理学家卡文迪许 Cavendish 1731 1810 遵循普利斯特利的思想以实验验证了电力平方反比定律 48 富兰克林避雷针构造 49 CharlesAugustindeCoulomb 库仑 1736 1806 试验证明 两电荷之间的作用力与它们的电量乘积成正比 与距离的平方成反比 使电学研究进入定量研究阶段 50 电子的发现 为解释物质带电的机理 19世纪的一些科学家坚信一定存在某些带电的基本单元 1890爱尔兰物理学家GeorgeStoney把这种物质称为电子 51 Thomson试验证实阴极射线是由带负电的粒子组成的 而粒子远小于原子 他认为所有的原子都含有这种粒子 这就是电子 电子质量 9 11 10 31kg电子电量 1 60 10 19C 52 四 静电危害 静电作为一种近场自然危害源 给人类社会已经造成了重大损失和危害 1969年底在不到一个月的时间里 由于静电放电 ESD 引发荷兰 挪威 英国三艘20万吨超级油轮洗舱时相继发生爆炸 静电放电曾使国际通讯卫星II F1 IV F8及美国的阿尼克 欧洲航天局的航海通讯卫星等数十颗卫星发生故障 不能正常飞行 第一个阿波罗载人宇宙飞船也是由于静电放电导致火灾 爆炸 使三名宇航员丧生 53 工业发展的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用 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 使得静电能积蓄到很高的程度 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 工矿企业部门受到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 四 静电危害 54 我国在上个世纪中后期 石化企业曾发生30多起较大的静电事故 如上海某石化公司的2000m3甲苯罐 山东齐鲁某公司的胶渣罐 抚顺某石化公司的航煤罐以及天津某公司的北仓二罐站等都因静电造成了严重的火灾爆炸事故 据报道 日本国曾统计 不合格的电子器件中有45 是静电放电危害造成 在电子工业领域 全球每年因静电造成的损失高达百亿美元 四 静电危害 55 工业生产中的静电障害 由于静电力学效应的影响 妨碍生产或降低产品质量 纺织 印刷 IC生产 粉体加工行业 在粉体生产 加工过程中 静电还会带来火灾和爆炸危险 在感光胶片行业 由于胶片与辊轴的高速摩擦 胶片的静电电压可高达数千伏甚至上万伏 一旦发生静电放电 即使是能量较小的电晕放电 也会使胶片感光而报废 此外 带电的胶片会引静电引力吸附灰尘降低胶片质量 56 电子行业的静电危害 带电表面能够吸引污染物 造成集成电路不可预料的缺陷并影响其产品质量 静电放电可以改变半导体器件的电性能 使它降级或损坏 静电放电也会扰乱电子设备的正常运行 引起设备故障或损坏 ESD对电子工业造成的损失每年高达数十亿美元 57 a 普遍性和随机性只要电子元器件接触或靠近超过其静电敏感电压阈值的带电体 就有可能发生静电放电损伤 由于静电可以在任何两种接触分离的物体之间产生 故电子元器件的静电放电损伤可能发生在从加工制造到使用维护的任一环节 任一步骤 具有很大的普遍性和随机性 1 电子产品静电危害的特点 58 b 隐蔽性一般情况下 人体操作过程常常会带上静电 其静电电位很容易达到1 2kV 发生静电放电时 人体一般并无感觉 而电子元器件却在人们不知不觉中受到损伤 1 电子产品静电危害的特点 59 2 电子器件静电损伤的失效类型 突发性失效 电子器件暴露在ESD环境中 导致电路参数发生明显变化或功能丧失的现象 这类失效一般可以检测出来或在使用过程中暴露出来 如 ESD可能引起IC金属连线熔化 造成断路 短路或者绝缘层击穿等 使器件的电路遭到永久性破坏 60 2 电子器件静电损伤的失效类型 潜在性失效 静电放电引起器件性能的部分退化 但不影响它发挥应有功能的现象 器件的生命周期大大缩短 这种失效事先难以检测 也不可能进行应力筛选 如果产品中使用了这类器件 则可能提前报废 对这种失效的修复花费昂贵 导致潜在性失效是因为静电损伤具有累加性 61 3 造成器件静电危害的基本ESD事件 静电放电敏感器件 ESDS 对静电放电的敏感程度由器件对放电能量的消散能力和对电压的耐受能力衡量 这叫做器件的ESD敏感度 1 带电人体 金属工具 器具直接对器件的静电放电 2 静电敏感器件对其它导体的静电放电 大规模使用自动装配线似乎可以解决HBMESD的危害问题 然而 器件在自动化装配过程中更易遭到器件本身带电的损伤 3 电场感应放电 62 1 热二次击穿静电放电导致局部结温接近材料的熔融温度 由于热点扩大 熔融而短路 又称雪崩击穿 2 金属导电层熔化静电放电瞬变过程使元器件的温度增大到足以熔化金属化层或使键合引线烧熔时 引起失效 3 介质击穿加在绝缘区两端的电压超过介质固有的击穿电场强度时 就要发生介质击穿 根据脉冲能量的大小 可以导致元器件全面退化或有限的性能降低 4 电子器件静电放电损伤机理 63 4 气体电弧放电如果元器件中未被钝化的薄层电极之间间距很小 气体电弧放电能使元器件的电性能降低 也会引起金属汽化并常常使金属离开电极 5 表面击穿在热效应没有发生而电压超过表面击穿电压阈值时 通常会发生表面击穿 6 体击穿由于局部高温会使金属层熔化或杂质扩散 导致结参数发生很大变化 通常的结果是形成与结并联的电阻通路 这种效应通常发生在热二次击穿之后 4 电子器件静电放电损伤机理 由此可见 热二次击穿 金属导电层熔融和体击穿主要决定于放电能量 电流或功率 介质击穿 气体电弧放电和表面击穿主要决定于放电电压 64 静电放电对电子设备的影响 65 静电放电对电子器件的损伤 66 吸尘 缩短寿命 放电破坏 完全破坏 放电产生热 潜在损坏 放电产生电磁场 电磁干扰 静电对电子产品损害的四种形式 67 静电对电子产品损害的四个特点 隐蔽性 人体感知的静电放电电压2 3KV 潜在性 损伤后性能没有明显的下降 随机性 从一个元件产生以后 一直到它损坏以前的所有过程 复杂性 分析困难 掩盖了失效的真正原因 68 电子工业产生静电危害工序 元件制造过程 切割 连线 检验印刷电路版生产过程 储存 装配设备使用过程 安装 试验设备维修过程 拆卸 检验 从元件的制造 使用到维修的任一环节 静电已成为电子工业的隐形的致命杀手 69 近几年 随着微纳米器件和微细加工的发展 对静电防护问题提出了更高的要求 为此 世界各工业发达国家都十分重视静电危害及其防护研究 静电放电形成的宽频带电磁辐射会对各种电子系统造成电磁干扰 所以 在各种电子产品的电磁兼容性设计中都要考虑静电防护这一要求 静电放电的防护问题已不是过去单纯研究静电引起灾害事故和生产障碍的安全性问题 而是包括静电放电形成电磁干扰的系统及系统间的电磁兼容性问题 70 实验表明 在一定条件下决定人体对静电放电感知阈值的静电参量主要是放电的电量 对于50 的概率 人体对ESD电击的感知电量阈值为0 37 C 对于小电容放电 疼痛阈值亦主要决定于放电电量 约为3 C 静电电击危害 71 带电人体静电放电时的反应 72 防静电的目的 控制静电放电 ESD 防有害静电场防静电的概念最早出现在石油化工行业 静电放电 ESD 只是防静电的目的之一 防有害静电场和控制静电放电称为防静电 静电场能造成元器件性能下降 防静电 静电防护 防有害静电场 控制静电放电 73 ESD控制的意义 1 减少损失 美国一年的损失达200多亿美金 仅电子工业的损失超过100多亿美金 2 提高产品质量和可靠性 3 提高生产效率 4 静电防护回报达1 95以上 74 在静电防护工作中值得注意的几个问题 关于静电泄放棒 球 接地线 有两个缺点 1 如果人体带较高的静电电位 触摸泄放球时会产生火花放电 造成静电危害 2 即使在门口通过泄放球泄放掉人体所带的电 当人走动过程中仍会产生静电 75 关于无线防静电腕带 实验证明 现在市场上销售的无线防静电腕带均无防静电效果 76 静电如水 静电 水 静电电位 水位 绝缘材料 水坝 山 静电放电 冲毁水坝 器件失效 庄稼被淹 静电泄漏 溪流灌溉 77 五静电防护技术的发展 对静电危害的研究首先是从军事领域开始的 1980年5月发布了美军标MIL STD 1686 电气 电子零件 组件和设备的静电放电控制大纲 提出以低成本的静电放电控制方法保护电子器件和设备 将静电防护系统化 规范化 美国于1982年成立了专门的静电放电学会 78 五静电防护技术的发展 1984年 国际电工委员会发布了IEC801 2 工业过程测