3.静电的击穿与放电 (1)静电放电静电放电与外加稳定电源产生的放电虽然同为电荷积聚所致,但又有着明 显的区别。首先,在静电放电的情况下,起放电电源是空间电荷,因而它所储存的能量是有 限的,不像外加电源那样具有持续放电的能力,故它仅能提供短暂发生的局部击穿能量。虽 然静电放电的能量较小, 但其放电波形很复杂,控制起来也比较麻烦。半导体器件的软击穿 就与它有关。 (2)静电击穿由静电击穿引起的元器件击穿损坏是电子工业中,特别是电子产品制造中 最普遍、最严重的危害。 静电放电可能造成器件硬击穿或软击穿。硬击穿是一次性造成器件的永久性失效,如器 件的输出与输入开路或短路。软击穿则可使器件的性能劣化,并使其指标参数降低而造成故 障隐患。由于软击穿可使电路时好时坏(指标参数降低所致),且不易被发现,给整机运行 和查找故障造成很大麻烦。软击穿时设备仍能带"病"工作,性能未发生根本变化,很可能通 过出厂检验,但随时可能造成再次失效。多次软击穿就能造成硬击穿,使设备运行不正常, 既给用户造成损失,也影响厂家声誉和产品的销售。 4.人体静电 在工业生产中,引起元器件损坏和对电子设备的正常运行产生干扰的一个主要原因是人 体静电放电。人体静电放电既可能造成人体遭电击而降低工作效率,又可能引发二次事故(即 器件损坏),因此人体静电应引起足够重视。人体形成静电的原因是人体在日常工作中,把 人体所消耗的机械能在活动中转换为电能。人体是一个静电导体,当与大地绝缘时(如穿的 鞋底为绝缘物质),人体与大地就形成一个电容,使电荷储存起来,其充电电压一般 50kV。 当电荷储积到一定程度时,一旦条件成熟会放电形成火花,瞬时放电电压可达数千千伏,放 电功率可达几千千瓦。 (1)人体静电的起电方式 起步电流当人行走在绝缘地板上时,抬起的一只脚由于鞋底电阻的存在可产生一个充电电流I1,而另一只脚也由于鞋底电阻的存在,落地时有一个泄露电流I2 。这种电流一般 小于10-8A,其大小和步行方式与地板材料有关。 摩擦带电及其它带电 人体在日常工作中, 会与所穿的衣服、鞋帽、手套产生摩擦, 并且衣服与周围物体之间、鞋子与地板之间、手与工件之间等都可产生摩擦。此外,当人体 靠近带电物体时,也会感应出大小相等、符号相反的电荷以及带电颗粒的吸附,所有这些都 是人体产生静电电荷的诱因,进而通过传导和静电感应, 最终使人体呈带电状态。 (2)影响人体带电的因素 起电电流操作者的起电电流一般为I0=10-8~10-6,IMAX=10-4。当人体对地电阻一定 时,起电电流I越大,人体带电量q就越大,电位就越高。I0一定时,人体对地电阻R越大, 电压就越高,人体带电荷q就越多。即: 人体对地电阻人体电阻分两种:表面电阻和体积电阻。由公式U C可见,对地电阻R越大,其带电量q也越高。表面电阻的大小与皮肤的干燥程度和空气的湿度有关。 干燥时一般为100~600kΩ,潮湿状态为11kΩ,人体手到脚的体积电阻一般为500Ω~800Ω。 人体电容 一般指人体对地的电容和人体对周围物体的电容。由公式q UC可见:电量一定时,电压U随电容C的减小而增大。由公式W=q2/2C可见:人体所储存的静电可随人体 电容的减小而增大。 人体放电电击感度人体带电放电时,人体会有不同程度的反映,这种反映称为电击感度。当人体受到静电电击时,虽不会发生重大生理障碍,但可能影响人的工作效率,或 造成精神紧张和二次破坏等。人体静电电位和静电感度的关系见表 1.0无感觉 2.0 手指外侧有感觉 发出微弱的放电声 2.5 有针刺的感觉,但不疼 4.0 有针深刺的感觉,手指微疼 见到放电微光 6.0 手指感到剧疼,手腕感到沉重 10.0 手腕感到剧疼,手感到麻木 12.0 手指剧麻,整个手感到被强烈电击 三、静电防护目的和途径 电子工业中静电防护的根本目的是在电子元器件、组件和设备的制造过程中,通过一定 的途径,防止静电的力学效应和放电效应而产生或可能产生的障害,或把障害限制到最小程 度,确保产品的设计性能和使用性能不因静电作用而受到损害。 防静电主要是防止静电放电。控制静电放电要从控制静电的产生和控制静电的消除两方 面入手。控制静电的产生主要是控制工艺过程和工艺过程中材料的选择;控制静电的消除主 要是加速静电的泄露和中和。这两点共同作用才能使静电电压不超过安全阈值,以达到静电 防护的目的。 消除静电的途径静电能对静电敏感器件造成障害,但它是可控的,可消除的。为此要讨论生产过程中静 电防护系统的安全工作原理,以及静电的消除和静电的防护方法。 (1)静电的消除特性要消除静电首先要明确对静电防护的基本思想: 对有可能产生静电的地方要防止静电荷的聚集。即采取一定的措施避免或减少静电放电的产生。可采用边产生边泄露的办法达到消除电荷聚集的目的。 对已存在的电荷积聚,应迅速地消除掉。当绝缘物体带电时,电荷不能流动,无法进行泄漏,可利用静电消除器产生异性离子来中和静电荷。当带电的物体是导体时,则采用 简单的接地泄露办法,使其所带电荷完全消除。要构成一个完整的静电安全工作区,至少应 包括有效的静电台垫、专用地线和防静电腕带等。 (2)静电的基本防护途径静电的控制技术是在静电电荷积聚不可避免的情况下,采取综合 措施将静电危害控制在允许的范围内。 工艺控制法目的是在生产过程中尽量少地产生静电荷。对工艺流程中材料的选择、 设备安装和操作管理等过程应采取预防措施,控制静电的产生和电荷的聚集,抑制静电电位 和放电能量,使危害降到最小程度。 泄露法目的是使静电荷通过泄露达到消除。一般采用静电接地使电荷向大地泄露, 通常利用增大物体电导的方法使静电泄露。 静电屏蔽法采用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔离开,这样带电体的电场将 不影响周围其它物体,这种屏蔽方法叫内场屏蔽。有时也用接地的屏蔽罩把被隔离物体包围 起来使被隔离物免受外界电场的影响,这种屏蔽方法叫外场屏蔽。 复合中和法及其它通过复合中和法来达到静电荷的消除。通常用静电消除器产生 的异性离子来中和带电体的电荷,并有可能使带电物体表面光滑以及周围环境更加清洁,从 而减少尖端放电的可能性。 2.静电安全工作区基本条件的选择 (1)安全电阻值的确定与计算 对静电安全区的工作人员, 提供防电击的条件,依据人 体受电击时有可能脱离险境的极限电流为10mA~16mA的要求, 我们取安全电流为5mA。由 公式 V=200~380V,I=5mA)得出:R=4.4104~7.6104Ω 防静电系统的泄露条件分析与最大允许接地电阻的计算在电子产品的生产作业现场必须设有严格的防静电系统。要进入这个作业现场的人必须在入口处放去人体静电,并穿 戴好防静电衣和防静电鞋等方可入内。必要时还要在现场带防静电腕带作业。对于临时离开 再返回工作岗位的人员或外来人员也要经过严格的静电释放,否则对工作现场的器件、组件 及设备都有可能造成损坏的危害,并且这种损坏往往是在很短的时间内发生,大约为1秒钟。 就静电泄露系统而言,应计算最大通地电阻值,使放电电压在1秒钟内降到100V之内。 物体放电时,除需考虑通过的接地电阻值外,还要考虑放电物体电容的大小,因为它可能影 响放电时间,一般取值为200PF。通常,国际上取放电电压初始值为5000V,因此所计算的 接地电阻应能将静电放电在1秒钟内把5000V的静电电压降到100V以下,其计算公式为: U0e-t/RC s(放电电压释放到100V以下所需时间);C =200 PF=20010-12 F(人体对地或物体间电容的统计平均值)。 将数据代入公式(1)计算得: 100 =5000e-1/20010-12R ln50=1/20010-12R R=1/3.920010-12=1.28109(Ω) 可见,只要系统电阻值小于1.28109,就可保证在1秒钟内使放电电压降到安全值,防 止静电危害。 腕带接地电阻的选择腕带的使用要保证操作者在任何情况下人体静电电压都必须限定在100V以下,腕带的接地电阻必须在要求的范围内(见表3)。 电阻(MΩ)人体活动时产生的峰值电压(V) 0.5 10085 1000 240 断开腕带 440 可见要保证静电系统安全,腕带对地电阻应小于100MΩ。 静电接地技术静电接地技术是静电泄露工艺中的主要环节,系统接地的质量将直接影响电荷的释放能 有关概念(1)地线地线是指能够接受或提供大量电荷的物质,如大地、设备底座、机壳等。理想 的地应该是一个优良的导体,即电流流过地线时不产生电位降,地线上各点电位相同。防静 电接地是厂房基建工程中重要的指标之一。在防静电工程中常把地线称为地线母线,在作业 区内地线母线专供静电工程中的器具和人体泄露静电荷之用。 (2)接地电阻是接地体与大地之间的接触电阻。它是接地质量好坏的标准,一般工业生 产中静电起电电流I的最大值为10-4A。安全电压为U=100V,故接地电阻 (3)地线的埋设埋设地线的原则为:地线埋设点的土壤电阻系数要越小越好,接地体与土壤接触面积越大越好,接触密度越高越好。 静电工作区静电地的铺设(1)地线的引入在工作区的静电地应设为静电专用地,不得与其它地线共用。