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静电防护基础 ESDBASICS 内容 1静电的概念2静电感应和静电量级3静电危害 案例1 2等 和应用 静电复印案例 4静电防护简介 1 1静电的概念 一静电的本质物质由分子和原子组成 原子由原子核和电子组成 原子核带正电 电子带负电 自然条件下 正负电荷平衡 物体不带电 这类物体叫电中性物体 在某种条件下 正负电荷的平衡被打破 则物体带电 这种现象叫物体带电 物体带电分动电和静电所谓静电指对观察者而言 电荷静止不动或运动非常缓慢 动电则有电荷的快速运动和变化 1 1静电的概念 二静电起电与放电现象静电可有很多种方式产生 如物体间的摩擦 电场感应 介质极化 带电颗粒附着等等摩擦起电 当两个物体产生摩擦时 摩擦表面的电子会从一种物体跑到另一个物体上 分离后 两个物体的正负电荷失去平衡 得到电子的带负电 失去电子的带正电 感应起电 当有强电场 大的带电体 存在时 附近的物体被感应 局部或整体产生电荷 这类带电称为感应带电 当带电的物体与一些导体等接触时或靠的很近时 电荷会找到一个途径突然释放掉 这种现象叫静电放电 静电放电的条件是 首先有静电存在 其次要有一定的途径 静电放电的原因和条件多种多样 控制静电放电是在人们生活和工作中的各个方面所追求的 1 1静电的概念 三静电现象静电现象举例1握手或手接触时常被电击一下 是由于人身带了静电 接触时突然放电所致2自然界中的放电例子很多 如大气中带有很强的电荷 在80KM处 对地电位有200KV 3云相互摩擦而带大量的电荷 相互放电形成能量巨大的雷电 对地放电则可能形成雷击 4工业中 如印刷中 纸离开滚筒时静电电压高达20KV 5我们生产线中 人体带电 摩擦带电 和感应带电等随时存在 不加控制 可造成危害 静电现象 大地与云带电 大地为带大量的负电荷的带电体 静电现象 雷电 分离 摩擦 静电产生举例 分离 摩擦等起电的过程 图1 1 1摩擦起电的形成过程物体接触后表面电位差 产生接触电荷转移 形成偶电层 物体快速分离 产生静电核 摩擦起电静电序列 人手图毛玻璃云母人头发尼龙羊毛毛皮铅丝绸 铝纸棉花钢木材琥珀封蜡硬橡胶镍 铜 黄铜 银金 白金硫磺 醋酸酯纤维素聚酯赛璐珞奥纶聚氨酯聚乙烯聚丙烯聚氯乙烯硅聚四氟乙烯硅橡胶 离的越近静电越轻前面的带正电 后面的带负电 人体带电 人体带电方式摩擦起电 操作中的动作和肢体运动 由衣服 鞋子与其他物体 地面摩擦 使衣服和鞋子带电 再通过传导和感应 使人体各部分带电 人体可以看作一个导体 脱衣帽手套等使物体与人体间或物体与物体间剥离起电 通过传导和感应使人体带电感应起电当不带电的人体进入带电体的电场 静电感应而起电 传导起电人体直接接触带电体 或与带电体发生静电放电人在由静电的微尘粉体和雾状液粒空间活动 使带电微粒附着在人体及衣服上产生静电 人体活动带电图 放电 静电放电 导体 可以为地 电荷积聚 静电积聚起来 1 2静电感应和静电量级 静电的定量描述1物体带电量的多少用电量来描述 带正电荷的物体带电量为正 带负电荷的带电量为负 电量的单位为库仑 1个电子的带电量为e 1 6021892X10 19库仑2电荷密度 电荷聚集程度的标志 单位面积带电量叫面电荷密度单位体积的电荷密度 叫体电荷密度线状体的单位长度的带电叫线电荷密度如 导体带电的静电荷分布在导体表面 由大量粉尘和颗粒组成的带电分布在每个颗粒上 整体宏观来看体内带电 1 2静电感应和静电量级 面电荷密度 体电荷密度 线电荷密度 1 2静电感应和静电量级 电压 电荷间的作用力叫库仑力 由库仑定律来描述 带电体周围产生电场 电场是电荷间相互作用的载体 电场的大小用电场强度表示 E 表征带电体在电场中的能量大小叫电势 也叫电位 电压表征电场间两点的电势差 用V表示 电压单位为伏特 电压好比水压 水压使水流动 对水壁产生压力 电压使电荷流动 电压通过电场使物资内部的粒子产生电压力 1 2静电感应和静电量级 电流与电阻 如果物体的两点间有电压 则会使物体内的电子等粒子流动 电荷的流动叫电流 用安培为单位 同样的电压 不同的物资 电流不同 表征物体中电荷流动性质的一个物理量叫电阻 电阻用欧姆为单位 电压电阻和电流的关系由欧姆定律表示 零电位指计算电位的参考点 电位规定为零 1 2静电感应和静电量级 导体 半导体和绝缘体 导体 具有可移动的电子或价电子 在外电场的作用下 电子可以在内部自由流动 导体的电阻很小 如金属则为良导体 其中金的导电性最好 绝缘体 没有可移动的电荷存在 电阻率很大 绝缘体也叫电介质 如玻璃 普通纸等 半导体 介于导体和绝缘体之间的一类特别物资 如硅等 1 2静电感应和静电量级 电容 导体的带电量为Q 导体就产生了电位U 想象水位 表征带电物体产生电位能力的量叫电容 用C表示 单位法拉 微法 10 6法拉 皮法 10 12法 电容把电量和电位联系起来C Q U 电容器是在两个相互电绝缘隔离的导体之间存储电荷能力的器件 两个导体带等量的极性相反的电荷 任何两个隔离的导体 广义讲物体 均有电容C存在 导体之间有电势差 电压V 电容的大小主要由导体间的相对位置以及绝缘材料的性质决定 与电容相关的绝缘材料的重要特性是介电常数 C Q V 典型静电电压 我们在经受3000伏的静电电压 人体电容静电模型 人体的静电并行电容模型 充电的导体1 电介质 充电导体1 地板 脚 鞋 人体带电和环境的关系 人体电容典型值 人体的典型静电电压 典型静电电压 ESD造成的代价 30V可能就把器件给 毙 了 静电起电 放电描述图 带电物体如 人体充电器件 物体2如大地 接地线 工件 电子元器件等等 摩擦 介质如空气 起电的原因和条件如摩擦起电 不同物体间摩擦起电性质和容易程度不同 静电序列 直接连接线 耗散 放电 1物体带电量用Q库仑 由产生的电量耗散的电量引导走的电量等决定2带电体对周围物体的影响是通过电场决定的3表征电场能量的量为电位 4电容表征物体带电量产生多强的电位的特征物理量 电压 物体静电产生 电量Q 摩擦 分离 感应 离子附着 热 压 驻极体 电场 电场强度E对电荷作用力 电场电荷的移动作功电势能 电位U 两点间电位差 电压V U1 U2 电场内的物体中自由电荷受电场力作用会流动 电流I 不同物体 在同样电压下电流不同取决于物体的电阻特性 欧姆定律I V R 面电阻率 体电阻率 线电阻率 不同的物体 材料 形状 环境 同样电量电位不同 极板间 物体的电容C 储存电量和电压 电位 的关系C Q V 储存电荷 就有能量储存 物体电荷的消亡 取决于接触的物体和周的环境 由导电导体把电荷流掉通过耗散体逐渐耗散掉通过放电等突然放掉被电荷相反的离子中和掉等等 物体分类导电性物体电耗散性物体抗静电性物体绝缘性物体 电荷产生的多少和快慢 人体的放电过程 器件 电容 电阻 静电的衰减和积累 实际过程中 静电一边产生一边衰减静电的衰减符合指数规律 为时间常数 表明衰减的程度 0 Q t t 导体上静电荷的衰减规律 带电导体 大地 R C U t 电容越大 电阻越大 时间越长 衰减越慢 带电和放电综合过程 带电导体 大地 R C U t 达到稳定时 Qs恒定 称稳态电量 充电速率I 充电波形 t Q t Q0 t 0 732Qs 充放电时间常数举例 人体的对地电容为200pF 若站到绝缘电阻为1012 的普通橡胶垫上 充电速率为I0时间常数为稳定电量为Qs I0RC 200I0若站到电阻为R 105 的导电橡胶上 时间常数为稳定电量为Qs I0RC 20 10 6I0 1 3静电危害和利用 案例一 某大电信公司单板损害案维修部门发现某批次以后生产的交换机用户板 在打雷时特别容易损坏 但以前生产的同类用户板抗雷能力要强的多 大量的用户板返修 维护成本 赔偿成本 形象成本损失巨大 电信局长直接找老板问罪 老板下达必须尽快查找原因 并暂停该单板的生产 分析从设计到生产过程的可能原因单板升级一次 改动一个电阻110种物料20种换过一个批次 其中包含一个CMOS专用集成电路 生产过程基本未变 但换过一个测试针床 增加一个测试单元 单板的前面板在新升级板上 增加了一个测试口 经过从设计到生产 包装运输入库 各个环境的努力 近一个月的攻关 大量的分析 终于发现 是上述CMOS电路软损伤造成 原因 新板单板的升级时 设计人员为减少成本 物料选用把抗ESD指标降格 同时设计时增加的测试口 刚好占用了以前的保护地的一小点 使面板与保护地接触不良 致使 塑料面板上的静电荷不能与板地电位持平 测试时增加的针床 刚好造成一种约800V的放电 使器件造成软损伤 这次静电损害使公司损失近5000万 为此每个开发人员 减少1万元奖金 1 3静电危害和利用 案例二 某公司生产的可切换逆变电源 因是老板高价聘请的某大电信公司的设计人员设计 样机整机性能指标均上佳 老板攻关有一套 设计人员准备采用 请物料认证部门进行考擦 发现其生产不规范 工人无ESD基本知识 也无相应的ESD防范程序 而其产品必须达到电信标准 可靠性受到怀疑 物料经理不敢批准 因此设计部门只能选其他厂家 该老板一下子损失每年近2000万的定单 1 4静电防护简介 静电是有产生原因的 消除静电产生的根源静电产生无处不在 静电产生防不胜防 减少静电的强度 采用静电衰减 减少静电的积累静电产生 但要发生危害 必须是一定条件的放电才能产生危害 对要保护的器件进行抗静电设计 并设计抗静电生产过程 静电的危害产生多由物体的不规则运动产生 必须对各个环节的运动进行规范和控制 对于人这个高度能动性的动物的活动 必须从人的主观和意识上进行静电防止 为此要建立完整的ESD培训和控制程序 由于静电危害贯穿到产品从生产到维护的各个时期 为了企业间的生产协调和一致性 还建立了各种防静电标准 执行这些标准 是业界的基本要求 各项防护措施综合表 一防止静电的产生 二减少和消除静电 三减少静电危害 四严格防静电管理 主要内容 具体措施 一防止静电的产生 控制静电的生成环境 防止人体带电 材料选用要求 工艺控制措施 1湿度控制 在不导致器材或产品腐蚀生锈或其他危害前提下 尽量加大湿度 2温度控制 在可能条件下尽量降低温度 包括环境温度和物体接触温度 3尘埃控制 此为防止附着 吸附 带电的重要措施 4地板 桌椅面料和工作台等应由防静电材料制成 并正确接地 5静电敏感产品的运送传递和存储及包装与拆包装应采取静电防护措施 6喷射 流动 运送 缠绕和分离速度应予控制 在液体 扭体等材料的输送管道中使用级和器 一防止静电的产生 控制静电的生成环境 防止人体带电 材料选用要求 工艺控制措施 1佩戴防静电腕带 2穿戴防静电服装 衣 帼 3穿武防静电鞋袜 脚链 4佩戴防静电手套 指套 5严格禁止与工作无关的人体活动 例如做操 打闹 梳头发 吃东西等 6进行离子风浴 一防止静电的产生 控制静电的生成环境 防止人体带电 材料选用要求 工艺控制措施 1凡必须或有可能发生接触分离的材料应考虑使其在静电序列表上的位次尽量靠近 2应使材料的表面光滑 平整 洁净无污 3使用静电导体材料和低电阻耗散材料 一防止静电的产生 控制静电的生成环境 防止人体带电 材料选用要求 工艺控制措施 1制定并实施防静电操作程序 2使用防静电周转 运输盘 盒 箱及其他容器 小车 3使用防静电工具 烙铁 吸银器等 4采用防静电包装 5对有静电燃烧 爆炸可能性的液体材料设置必要的静止时间 6尽量减少物体间的接触压力 时间 面积 例如布匹 纸张 线材 薄膜材料胶带等的运送 传递辊简 卷筒 线轴和产品之间 并限制运行速度不可过快 二减少和消除静电 接地 增湿 中和 掺杂 1地板和工作桌 椅 台面 台垫正确接地 2人体接地 3工具 烙铁 吸银器 台架 运输小车等 接地 4设备 仪器接地 5管路 运输传送设施 装罐设备 存储设施 设备 接地 二减少和消除静电 接地 增湿 中和 掺杂 1使用各种适宜的加湿器 喷雾装置 2采用湿拖布拖擦地面或通过洒水等方法以提高带电体附近或环境的湿度 3在允许的情况下尽量选用吸湿性材料 二减少和消除静电 接地 增湿 中和 掺杂 什对场所和带电物体的形状 特点 选用适宜类型的静电消除器 以消除具 器材 产品 场所 设备和人体上的静电 二减少和消除静电 接地 增湿 中和 掺杂 1在非导体材料 器具的表面通过喷 涂 镀 敷 印 贴等方式附加上一层物质以增加表面电导率 加速电荷的泄漏与释放 2在塑料 橡胶 防腐涂料等非导电材料中村加金同粉末 导电纤维 炭黑粉等物质 以增加其体电导 3在布匹 地毯等织物中 混人导电性合成纤维或金属丝 以改善织物的抗静电性能 4在易于产生静电的液体 如汽油 航空煤油等 中加人化学药品作为抗静电添加剂 以改善液体材料的电导率 三减少静电危害 控制静电的生成提高产品自身抗静电能力 采用静电屏蔽和接地设计 确保设备 设施和作业场所的静电安全要求 1对CMOS等静电敏感染集成电路采用输入 输出保护电路设计 2对于静电敏感电子组件和电子设备 采用抗静电防护设计 设置输出 输入保护电路和网络 使用隔离电阻器 设置边界保护环 尽量选用非敏感元器件等 3对敏感元器件进行静电防护设计 设置串联限流电阻器 设置钳位放电间隙 降低瞬态能量密度 避免引线交迭和寄生MOS电容的形成等 三减少静电危害 控制静电的生成提高产品自身抗静电能力 采用静电屏蔽和接地设计 确保设备 设施和作业场所的静电安全要求 1对敏感部位和敏感元器件采用加防护盖 罩 片等静电屏蔽措 以减少电的力学 感应和放电危害 2应尽量避免孤立导体的存在 3在液体储油罐等设施中设立具有屏蔽作用的检测井 以保证采样和检测 三减少静电危害 控制静电的生成提高产品自身抗静电能力 采用静电屏蔽和接地设计 确保设备 设施和作业场所的静电安全要求 1控制易燃 易出的液体或粉体使爆炸性化合物浓度在燃烧 爆炸的极限度之下 2保持作业场所各种接地设施和系统 雷电保护 故障保护 信号参考 大地电极 防静电操作等 正确和有效接地 3控制作业区内各点静电电位在标准允许的范围之内 4安装局部放电器 放电刷等 以通过电晕放电不断释放低电能量使其积聚的能量在安全范围之内 5严格静电安全作业操作规范 四严格防静电管理 建立健全责任制和规章制度