静电知识简介教学案例

1,静电知识简介,教育训练中心 2004年8月,2,一、静电是怎样产生的,静电就是静止的电荷,物质都是由原子组成，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。,3,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。,怎样能产生静电,5,静电与大地间因有电位存在就会产生放电电流（ELECTRO-STATIC DISCHARGE CURRENT)这个放电电流会将电路导体烧融。 其放电电流为：,静电的基本物理特性： 1、吸引或排斥的力量 2、与大地间有电位差 3、会产生放电电流,元件吸附灰尘改变线路之间的阻扰，影响元件的功能和寿命 因为电场或电流破坏元件之绝缘或导体，使元件不能工作（完全不能工作） 因瞬间电场或电流产生的热使元件受伤，仍能工作但寿命受捐,6,二、电子工业静电问题的产生,4050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； 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； 8090年代：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。 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。,7,它曾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。 案例：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。,静电的危害性,8,哪些电子工业过程会产生静电,元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.元件制造过程：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，元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元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。,9,电子器件所能承受静电破坏的静电电压,10,电子元件的损坏形式有两种,完全的失去功能 部件不能操作 约占受静电破坏元件的百分之十 间歇性失去功能 器件可以操作但性能不稳定，维修次数因而增加 约占受静电破坏元件的百分之九十 在电子生产上进行静电防护，可免： 增加成本 减低质量 引致客户不满而影响公司信誉,11,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元件的三种影响： 1静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。 2静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。 3静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤（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） 如果元件全部破坏，必能在生产及品管中被察觉而排除，影响较小，如果元件轻微受损，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。,12,静电对电子产品损害有哪些特点,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23 KV。 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。 3. 随机性：从一个电子元件产生以后，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性，其损坏也具有随机性。 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。,13,物体不接触也能起电,除物体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。,14,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。,15,16,静电复印； 静电除尘：空气净化器； 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； 静电可用来处理水，既能杀菌又不易起水垢； 带有静电的驻极体膜还能治疗各种软组织损伤，它有活血化瘀、 消炎消肿的作用。 静电还可用于喷涂，用静电喷涂家用电器等。,静电有很多危害，静电也能给人类造福,17,人身体上能带多高电压的静电,我们试验过人体带静电5万伏时没有不适的感觉，带上8万伏高压静电时依然面带微笑，10万伏（最高试验过12万伏）时也没有生命危险！,18,19,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。,20,ESD （Electro Static Discharge）即静电放电。定义为，给或者从原先已经有静电（固定的）的电荷（电子不足或过剩）放电（电子流）。电荷在两种条件下是稳定的： 1、当它“陷入”导电性的但是电气绝缘的物体上，如，有塑料柄的金属的螺丝起子。 2、当它居留在绝缘表面（如塑料），不能在上面流动时。 可是，如果带有足够高电荷的电气绝缘的导体（螺丝起子）靠近有相反电势的集成电路（IC）时，电荷“跨接”引起静电放电（ESD）。 ESD典型的来源包括人员、处理设备和一些普通塑料。ESD敏感元件(可能容易被ESD损坏的零件)包括：半导体元件、厚与薄的薄膜电阻、片状元件、混合电路器件和晶体。,ESD简介,21,印刷电路装配(PCA, printed circuit assembly)或单个元件可能有几种方式被ESD所损坏： 手直接接触到元件引脚。 非直接接触，如手接触连接器或金手指(gold finger)。ESD“攻击”沿PCA的迹线运行直到找到一个脆弱的IC，将它摧毁。 PCA或单个的元件放在一个充电表面，通过感应“拾取”类似静电充电。这样，当放在一个金属表面，迅速放电(慢放电是安全的)。 PCA或单个的元件暴露在很强的外部电场，诱发过大的内部电流,ESD损坏方式,22,1、健康的。这个元件通过适当的ESD技术处理，将成功运行几年时间。2、死亡的。这个元件由于不适当的元件处理而遭到严重的ESD损害，不能运行。3、受伤的。这种元件遭受部分ESD损坏，含有潜在的缺陷。虽然信号可以在最终测试时成功地通过，但是正常使用的压力将引起过早的和不希望的现场失效。这种情况不能正常地发觉 - 预防是最好的保护。 有些类型的元件危险性极高，但把注意力和预防只局限在有限的部分零件是不明智的。最好是保持良好的习惯，对所有电子产品都有ESD意识。,PCA或单个的元件可能存在三个基本情况：,23,绝缘体是诸如塑料、橡胶、羊毛、衣物和纸张之类的材料。当任何这类材料一起摩擦时，它们就变成静电充电发生器。如果这充电可找到对地通路，即变成ESD。 导体是诸如铜、铝、银、金、钢和碳之类的材料。当与地连接时，它们提供静电的快速排放通道。如果PCA或单个元件变成这个快速通道的一部分，则可能造成对电子元件的损坏。 耗散材料(dissipative materials)是属于导体类的，但当连接到地时，它们提供静电的缓慢放电通道。如果PCA或单个元件变成这个缓慢通道的一部分，则任何PCA上的现存充电将安全地通往地下。 在绝缘体上建立充电之后(如，抹布擦过塑料台面之后)，它不能“排放掉”。消除它的唯一方法是通过离子器，它结合了额外的正与负离子源，通过风扇来分散。当离子遇上绝缘体表面的静电时，它们结合在一起，并中性化，消除了潜在的问题。(表一),绝缘体、导体及其中间物,24,25,对静电敏感的电子元件,26,PCA或单个元件只应该放在适当装备有ESD认可的装配线或工作台上，或在完全密封的ESD认可容器内。普通运载材料/物品包括： 1、防静电(antistatic)。这种类型包括传统的粉红色特殊配方的塑料袋和不透明IC装运管。当零件在内面移动时，这些具有事实上不产生任何新静电的特性。但是重要的是注意，它们不是屏蔽容器，不能阻挡强电场(例如，在高度放电的泡沫托盘内的IC装运管会把零件暴露给ESD)。 2、屏蔽(shielding)。这一类型包括传统的金属化装运袋和碳质线纸板盒。金属化袋开始是聚酯薄膜(Mylar)，然后喷涂连续的铝层。这种袋为其包装的内容形成法拉第筒(faraday cage)，可有效地阻