防静电培训教材.doc

家电产品生产静电防护培训教材
一． 什么是静电
静电就是指物体上所带的相对静止不动的电荷。

二． 与静电相关的几个物理量
1． 电荷和电量
电荷是指带电的质点，电荷及其相互的作用是一切电磁现象产生和存在的基础。电荷的数量称为电量，其单位是C（库仑）
静电现象的形成在于物体上静电荷的积累，静电荷积聚的越多，物体所带的电量越大。
2． 库仑定律和库仑力
处于无限大均匀电介质中的两个电荷，若其电荷量分别为q1和q2，它们之间的相互作用力（即库仑力，同性电荷相斥，异性电荷相吸）的大小与q1、q2的乘积成正比，与两者间的距离r的平方成反比，与所在介质的介电常数成反比。即：
F=K×q1×q2÷(r2×ε) 其中：F：电荷间的静电作用力
K：比例常数，K=9×109,m/F
ε：介质的相对介电常数
3. 电压
也称电位差，是电场内a、b两点之间的电位差，在数值上等于单位正电荷从a点移动到b点时，电场力所作的功。
4. 电场强度
是用来定量描述电荷周围空间中各点电场强弱的的物理量。电场中任意一点的电场强度，其数值上等于单位电荷在该点所受的作用力`。即：E=F/q
5. 电容
电容是导体储存电荷的能力的一种表征，如使空间中某一个被绝缘的导体带上电荷，该导体就具有电位，该导体的电荷和电位之间存在某种固定的关系。即：C=Q/U
由于种种原因，一旦存在与地绝缘的金属导体，因为它与地之间的静电电容相对来说数量很小，所以即使只有少量的静电电荷积聚，也会出现很高的静电电压。
6. 逸出功
又称功函数，定义为使一个电子克服原子核的吸引力和物体表面境像力(所有离开表面的电子在表面感应正电荷而形成的另一种引力)从材料的表面进入无场空间所需要的最小能量。
它的大小取决于物质本身的内部结构特性和其表面的状况，尤其是当其表面受到杂质污染时，会对其逸出功的大小产生很大影响。
7. 导体中的电传导
当一个不带电的导体与另一个带电的导体接触时，由于导体中存在大量的自由电子，所以必将发生带电导体上的电荷向原来不带电的导体中的传导，使这些电荷为两种物体所共有，并可视为具有相同电位。这种传导受限于导体的导电率，平衡于导体电容所允许的程度。
8. 导体上电荷的衰减规律

当导体的对地电容为C，与地之间的绝缘电阻为R，导体上的起始带电量为Q0，电荷的衰减受到C和R的制约。在任意时刻t，导体表面的电荷为：

三. 静电的产生
1． 接触起电：几乎常见的金属和非金属之间相互接触均会产生静电，它是最常见的静电产生的原因之一。其静电能量除了取决于物质本身，还与材料表面的清洁程度、接触压力、光洁程度、表面大小以及环境条件等有关。
① .金属与金属的接触起电：当两种不同的金属相接触，两者之间的接触距离d达到或小于25×10-8cm时，由于两种金属的逸出功的不同，具有较小逸出功的金属中的电子会向具有较大逸出功的金属扩散，所以在接触面的两边形成带等量异号电荷，称为偶电层，其间的电位差为：U=（φ1-φ2）÷e 其中：φ1、φ2分别为两种金属的逸出功，e为电子电荷e=1.6×10-19库仑。
② .无机半导体材料与金属（以及绝缘体）接触起电：无机半导体材料，如锗、硅等，其表面往往存在由于切割、研磨等加工引起的晶格缺陷，或在腐蚀加工时吸附了残留的化学药品或空气中的其它污染物，而形成与表面原子密度同数量级的表面态密度，这种表面态密度的存在是它们于其它材料接触形成接触电位差的重要原因。
③ .金属与绝缘体接触起电：晶体型绝缘体在能级图上其能带宽度较大，并且这种能带模型具有普遍性，金属与这种绝缘体接触时，与金属和无机半导体接触起电的原理相同。
2． 分离起电：
两个相互接触的物体，其间的电荷迁移将因接触偶电层的出现而逐渐达到动态平衡时，从外部看是没有电的，如果使两者突然分离，它们将会分别带上电量相等符号相反的电荷。
3．摩擦起电：是接触与分离两种带电方式的合成。
4．运动起电：物体高速运动，其表面会与空气产生摩擦而带电，其静电能量与运动速度、空气中的粉尘颗粒浓度等有关。

5．静电序列：任意两种固体接触并时其突然分离或相互摩擦，均可使其各自带上大小相等符号相反的电荷，这种正负符号和电量的大小由材料的种类所决定并有一定的规律性，下表列举出了近几年来有关标准和资料中给出的研究成果（静电序列表）。它反映了下列特性。
①. 序列中任意两种物质摩擦后，位居前面的带正电，位居后面的带负电。
②. 两种物质在静电序列表中的位置相距越远，摩擦后产生的电位差越大。
静电序列表
IEC/15D/48/CD
(1995)
MIL-HDBK-263A
(1991)
AT&T静电放电
计划管理 (1992)
IEEE Std.C62.47
(1992)
人手
玻璃
云母
聚酰胺
毛皮
羊毛
丝绸
铝
纸
棉花
钢
木材
硬橡胶
聚酯
聚乙烯
聚氯乙烯
聚四氟乙烯
人手
兔毛
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
铜
银
金\白金
硫磺
醋酸酯纤维素
聚酯
赛璐璐
奥纶
聚氨酯
聚乙烯
聚丙烯
聚氯乙烯
聚三氟氯乙烯聚合物
聚四氟乙烯
石棉
醋酸酯
玻璃
人头发
尼龙
羊毛
毛皮
铅
丝绸
铝
纸
聚氨酯
棉花
木材
钢
封蜡
硬橡胶
醋酸酯纤维
聚直薄膜
环氧玻璃
铜\银
紫外保护膜
黄铜\不锈钢
合成橡胶
聚丙烯树脂
聚苯乙烯塑料
聚乙烯\聚丙烯
聚氯乙烯
聚四氟乙烯
硅橡胶
石棉
醋酸酯
玻璃
人头发
尼龙
羊毛
毛皮
铅
丝绸
铝
纸
聚氨酯
棉花
木材
钢
封蜡
硬橡胶
聚直薄膜
环氧玻璃
铜\银
黄铜\不锈钢
合成橡胶
聚丙烯树脂
聚苯乙烯塑料
聚乙烯\聚丙烯
聚氯乙烯
聚四氟乙烯
硅橡胶

6．感应起电：
当带电体附近存在有绝缘的导体时，该导体的表面会出现感应电荷，受感应的物体与带电体带有等量的电荷，此时该导体与地相连时也会产生静电放电现象。这一点常常容易被人们所忽视。
7．静电的衰减和积累
任何物体以任何方式发生静电起电后，若起电过程不再继续，则经过足够长的时间之后，物体上的静电会逐步自行消失，这种现象称为静电的衰减或流散。静电衰减的主要途径有二，一为中和，二为泄漏。
静电的衰减过程总是伴随着静电荷产生的过程同时发生，因此物体上的静电荷积累实际就是这两种相反过程动态平衡的结果。

四. 静电放电
物体积聚静电后，其电位很高，常能达到数千伏以上，当电场的强度超过附近电介质的抗电强度时，电场力就会使介质中的约束电子脱离原子核的束缚而成为自由电子，于是介质变成了导体，并产生了放电现象，称为静电放电。
1． 安全泄放
一般情况下，在泄放电流小于5毫安时，就不会对元器件产生伤害，所以通过选择合适的泄放电阻（I=U/R）将泄放电流控制在5毫安以下是安全的。但对于一些对静电特别敏感的器件(并且在设计时为加保护电路的),如一些低成本的DVD机芯光头等,即使很小的电流也会使其损伤。
2． 电晕放电
电晕放电是再不均匀电场中以局部击穿形式表现出来的一种气体放电现象。

五. 静电的损害
1. 静电吸附：
由于物体上积聚了大量的静电电荷，会比较容易吸附空气中的带电微粒，导致半导体介面的击穿、失效。
2. 静电击穿和软击穿
由于静电放电的瞬间会产生很大的电流，会使电子元件的性能退化或功能失效，也就是说静电放电对电子元器件的损伤可能是显性的（如功能失效），也可能是隐性的（如性能退化）。而后者经常会通过工厂的测试，使劣化的产品流向市场，引起市场投诉和品牌形象损失。
静电对电子元器件的损伤机理大致有两种：因静电电压造成的损伤，主要有介质击穿、表面击穿和气弧放电；因静电功率造成的损伤主要有热二次击穿、体击穿和金属镀层融熔。

六. 静电敏感器件SSD
各种元器件能承受静电的能力与器件的材料、尺寸和结构有关。器件能承受而不损坏的静电的最大电压值有时称为静电敏感度。静电敏感度介于0—1999V的元件为1级，介于2000—3999的元件为2级，介于4000—15999V的为3级，16000V及以上的可认为是非静电敏感器件（产品）。
部分SSD的静电敏感度
器件类型
静电敏感度(V)
器件类型
静电敏感度(V)
VMOS
30～1800
OP-AMP
190～2500
M0SFET
100～200
JEFT
140～1000
GQASFET
100～300
SCL
680～1000
PROM
100
STTL
300～2500
CMOS/NMOS/PMOS
250～2000
DTL
380～7000
HMOS
50～500
肖特基二极管
300～3000
E／DMOS
200～1000
双极型晶体管
380～7000
ECL
300～2500
石英压电晶体
＜10000

七. 静电的测量。
1． 静电电压：指带电体表面某点的静电位和某一指定参考点（通常是地）电位之间的差值。
测量方法：
a. 接触式：
通过测量探头与带电体接触带电，在电极与地线极之间形成电场，电场中的金属片因静电感应而带电，并受电场力的作用发生偏转，从而带动悬丝及其上的小镜一起偏转，偏转力矩与被测电压的平方成正比。常用于人体静电位的测量。
b. 非接触式：分为旋转叶片式、震动电容式、直感式和集电式
直感式测量原理：假如U0是带电体上的静电电压，C0是带电体和探头间的电容,C和R是仪表的输入电容和输入电阻。由于C0的存在，将会在探头上感应出静电电压，感应电荷的一部分会经过R对地泄漏，于是所测得的探头上的电压为

当仪表与被测带电体位置相对固定，则C和C0就可视为常数，就可以通过探头上感应的电压求出带电体上的电压。
2． 静电电量：可以通过接触式静电电压表先测出静电电压，再根据Q=CU计算出带电量。
3． 表面电阻率：沿试样表面电流方向的直流电场强度与单位长度的表面电流密度的比值。它表征固体介质表面的导电能力。
测量方法：取边长为1cm的正方形介质试样，测试其两条相对边之间的电阻。
4． 体积电阻率：沿试样体积电流方向的直流电场强度与该处电流密度的比值。它表征固体介质内部的导电能力。
测量方法：取边长为1 cm的正方体介质试样，测试其两个相对面之间的电阻。

八. 生产过程静电损伤的预防
静电损害的预防原理：
1. 抑制静电电荷的积累和静电电压的产生；即采取措施减少高压静电放电带来的危害，使之边产生边泻放，以消除静电的积累，并控制在安全范围之内。
2. 安全、迅速、有效地消除已经产生地静电电荷；
3. 防静电工作区应按电子元器件的静电放电灵敏度来确立保护程度，一般要求产生静电电压小于200V。

静电损害的预防措施：
1. 接地
a. 防静电工作区必须有安全可靠的防静电接地装置，防静电地线不能和设备地线直接相连，也不能和防雷地线共用。
b. 静电地线的主要作用是安全、可靠地泻放人体和物体上所带的静电电荷，可以单独铺设地线，也可以利用建筑物中的钢筋框架作为静电地线（因为建筑物的钢筋框架一般均通过地基同大地相连） 。
c. 为保证静电安全泻放（泻放电流小于5mA）,一般情况下工作台面、工装夹具和其它导静电的防护措施均应通过限流电阻接地（一般取1MΩ）。
2. 人体
a． 防静电腕带：接地电阻一般采用1MΩ；注意在使用时要使其与皮肤接触良好，并防止皮肤的干躁加大接触电阻。
b． 防静电鞋束：适用于流动性较大，腕带使用不方便的场合。
c． 防静电工作服：在纺织时等间隔或均匀地混入导电纤维交织而成；能使织物上的静电因电晕放电被中和，并经过导电纤维向大地泻放。适用于一些重点防静电的工位。
d． 防静电工作鞋（鞋底材料的表面导电率为1—10MΩ）。

3. 湿度
当相对湿度小于50%时，可以适当使用加湿器提高湿度（也可以使用湿地拖拖地的方法），通过潮湿的空气流防止静电的积累。但同时要注意控制湿度不可太高（一般情况下不要超过90%），否则会使元器件容易氧化而产生其它质量问题。
相对湿度与人体运动带电的关系
运动形式
静电电压（V）
环境相对湿度
65—90%
环境相对湿度
10—20%
在乙烯地板上行走
250
12,000
在合成地毯上行走
1,500
35,000
在铺有地毯的工作台上滑动塑胶盒
1,500
18,000
坐在发泡胶椅垫上工作
1,500
18,000
坐在普通木椅上工作
100
6,000
拿起塑料袋
600
7,000
用塑胶薄膜包装PCB
3,000
16,000
从PCB上撕下胶带
1,500
12,000
4．电离器（离子风机）
对一些不能有效泄放静电的场合（如一些塑胶工装板或皮带线体）可以采用电离器通过电离空气产生的电荷来中和物体上的电荷积累。一般要求电离器对静电电压消除能力要大于250V/S。
5．防静电地板、地垫、地毯和防静电地板漆。
使用静电耗散材料, 并使其有效接地。允许使用加有金属网格的水磨石地面。
6．防静电工作台垫
使用静电耗散材料，并通过1MΩ电阻可靠接地。
7. 防静电工具
一般要求烙铁头和电热丝间的绝缘电阻在107Ω以上（焊接MOS集成电路时要达到108Ω以上），建议选用低压供电操作（24/36V），烙铁头应可靠接地（接地电阻小于5Ω）。
8. 防静电料盒、防静电包装袋、防静电运输车
使用静电耗散材料。
9. 材料的选用：
凡在生产现场必须或有可能发生接触、分离、摩擦的材料，应尽量选用在静电序列表中位次靠近的材料。

九. 防静电材料
1． 表面电阻率在1×105Ω以下或体积电阻率在1×104Ω•cm以下的材料为导静电材料。
2． 表面电阻率在1×105—1×1012Ω或体积电阻率在1×104—1×1011Ω•cm的材料为静电耗散材料。

十. 静电防护的标志
1. 防静电工作区标志为黄黑相间或黄白相间的斜条纹，线条宽度为5—10cm。如图1

图1
图2

2. 防静电容器（防静电周转箱、元件盒等）、元件架、运输车等器材上的防静电标志，如图2，标志应置于明显且不易受到磨损的地方。
3. 静电敏感设备标志，如图3。
4. 经防静电剂（液）处理的物品，其标志见图4。

图4

图3