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电气安全技术第三章静电及其防护王玉洁你知道吗，你身上和你周围就带有很高的静电电压，几百伏、几千伏甚至几万伏。特别是在干燥的季节当你脱衣服或用手去触摸金属体时会产生电击感，此时你带静电达几千伏至几万伏以上。静电学是十八世纪以前以库仑定律为基础建立起的以研究静止电荷及场作用规律的学科，是物理学中电磁学的一个重要组成部分。第三章静电及其防护第一节静电及危害第二节静电防范大约在公元前600年的时候，希腊哲学家泰利斯就曾经叙述过用毛织物摩擦过的琥珀具有一种能吸引轻小物体的能力，也就是我们现在常说的静电起电现象。到了1600年，一位名叫威廉.吉尔伯特的英国学者对上述现象在深入研究后指出，用丝绸摩擦玻璃或许多其它物质同样也会观察到类似现象。为了区别直流电、交流电，人们通常把相对于观察者宏观上不发生定向流动的电荷称为静电。第一节静电及危害一、静电及其特点1、静电静电放电（ＥＳＤ--ElectroStaticDischarge）问题是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减、静电放电效应和电磁效应等的学科。当两种不同性质的物体相互摩擦或紧密接触后迅速剥离时，由于它们对电子的吸引力大小各不相同，就会发生电子转移。一物失去部分电子而带正电，另一物获得部分电子而带负电。如果该物体与大地绝缘，则电荷无法泄漏，停留在物体的内部或表面呈相对静止状态，这种电荷就称静电。一、静电及其特点日常生活中,特别是在冬天,我们常常会碰到这种现象:晚上脱衣服睡觉时,黑暗中常听到噼噼啪啪的声响,而且伴有蓝光;见面握手,手指刚一接触到对方的手,会突然感到指尖刺痛,令人大惊;早上起来梳头时,头发会经常“飘”起来,越理越乱;拉门把手、开水龙头时都会“触电”,时常发出啪啪的声响,这就是发生在人体的静电。人体静电的存在影响着我们的生活、生产、工作等方方面面,所以我们深入探讨人体静电的知识,以防止人体静电带来的损害,有着重要的现实意义。因为大多数ＥＳＤ损害发生在人的感觉以下,因为人体对静电放电的感知电压约为3ＫＶ，而许多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏，通常电子器件被ＥＳＤ损坏后没有明显的界限，把元件安装在PCB上以后再检测，结果出现很多问题，分析也相当困难。特别是潜在损坏，即使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化，所以很都电子工程师和设计人员都怀疑ESD，近年但实验证实，这种潜在损坏在一定时间以后，电子产品的可靠性明显下降。2、静电的特点设备或人体上的静电最高可达数万伏为至数十万伏,要正常操作条件下也常达数百至数千伏,人体由於自身的动作及与其它物体的接触—分离、磨擦或感应等因素,可以带上几千伏甚至上万伏的静电.静电是正、负电荷在局部范围内失去平衡的结果.它是一种电能,留存在物体表现。1.高电位：可达数万至数十万伏，操作时常达数百和数千伏（人通常对3.5KV以下静电不易感觉到）2.低电量：静电流多为微安级（尖端放电例外）3.绝缘体上的静电消失很慢.4.作用时间短：微秒5.受环境影响大：特别是湿度，湿度上升则静电积累减少，静电压下降，如下表。表一:人体运动产生的静电人体运动方式静电电压(V)相对湿度10%--20%相对湿度65%--90%在地毯上行走35,0001,500在乙烯地板上行走12,000250在工作台上工作6,000100乙烯基包装产品7,000600从工作台上检起聚乙烯20,0001,200坐在带有垫子的操作台上18,0001,500从上面的表格可以看出:在不同的相对湿度下,相同的运动方式产生的静电电压相差一个数量级随着微电子工业制造技术的飞速发展，集成电路的集成度不断提高，采用0.15~0.25mm制造工艺的CMOS和GaAs（砷化镓）器件被广泛使用，其耐击穿电压下限通常只有50V~100V。有着更高集成度的超高速、高频IC器件，采用了特殊的制造工艺，如薄膜技术、浅PN结、GaAs材料、微小封装等，其对ESD、电浪涌、机械应力、热应力等更为敏感，有的VMOS器件耐压只有30V。这就给含有上述静电敏感器件产品的生产制造过程提出了更严格的静电防护要求。二、静电的产生静电的产生物质都是由分子组成，分子是由原子组成，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，离开原来的原子核而侵入其他的原子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。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。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。静电的产生方式摩擦、接触（传导）、分离、感应、冲流、辐射、压电、温差、电解等都可能产生静电固体、液体、粉末流体都可能产生静电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。静电产生的基本过程可归纳为：接触→电荷→转移→偶电层形成→电荷分离摩擦静电序列＋（正极）:空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发→尼龙→羊毛→铅→丝绸→铝→纸→棉花→钢铁→木→琥珀→蜡→硬橡胶→镍、铜→黄铜、银→金、铂→硫黄→人造丝→聚酯→赛璐珞→奥轮→聚氨酯→聚乙稀→聚丙稀→聚氯乙稀(PVC)→二氧化硅→聚四氟乙稀:－（负极）上述任意两种介质摩擦后前者带正电，后者带负电，且相距较远的两种介质通常比相距较近的两种介质所产生的摩擦电量大。但也不是绝对的，与材料表面清洁程度、环境条件、接触压力、光洁程度、表面大小、分离速度等有关。当液体流动时，流动层的带电粒子随液体流动形成流动电流，异性带电粒子留在管道中，如管道接地则流入大地，流动的电荷形成电流。稳态时，带电粒子不断被流动液体所带走，固定层电荷经接地管道而被中和，此现象有点像电解。不同的亲和力，扩散与液体流动的综合作用取代了电解中的电场作用。影响电量大小与极性的因素有：1、液体种类及特性；2、管道材料及表面光滑度；3、流速、温度、含水量和空气、混合物及杂质微粒。静电产生的方式1.摩擦生电:如阳离子失去电子而带负电,阴离子获得电子而带正电.2.剥离生电:剥离前电性呈阳性的物质剥离后带正电,剥离前电性呈阴性的物质剥离后带负电.3.感应带电:接近带电物体时,接近正极带电的物体,金属表面负极会被感应.也就容易产生高电位参低电位接触放电的过程.同时也告诉我们要消除这种现象的方法就是实现零电位差.人体是最主要的静电源之一人体的活动使部分机械能转换为电能，每日耗热量：4.18×107J＝10KWh，瞬间放电功率达90KW。人体对地电阻主要由鞋、袜、地面决定人体等效电容：100PF（电容有充放电效应）人体等效电阻：1KW(~1.5KW)安全静电电压：100V（国标SJ/T10630－95）。静电的可利用之处：力学效应——异性相吸，同性相斥静电吸附特性已被广泛用于静电成像、复印、喷涂、植绒、除尘等实践中。三、静电的危害1、静电火花引起燃烧爆炸如果在接地良好的导体上产生静电后，静电会很快泄漏到大地中，但如果是绝缘体上产生静电，则电荷会越聚越多，形成很高的电位。当带电体与不带电体或静电电位很低的物体接近时，如电位差达到300V以上，就会发生放电现象，并产生火花。静电放电的火花能量达到或大于周围可燃物的最小点火能量，而且可燃物在空气中的浓度或含量也已在爆炸极限范围以内时，就能立即引起燃烧或爆炸。实践证明由橡胶带、皮革或合成材料制成的传动皮带与皮带轮或导向轮间发生摩擦和接触分离时，不论皮带轮或导向轮是用非金属材料制成的还是金属材料制成的，都会在皮带和轮子上产生等量异号的静电电荷。在橡胶、塑料、造纸、纤维等行业生产中的静电有时可高达几万伏甚至十几万伏，如不采取适当消除措施，则很容易导致电击和火灾。2、电击人在活动过程中，由于衣着等固体物质的接触和分离及人体接近带电体产生静电感应，均可产生静电。当人体与其它物体之间发生放电时，人即遭到电击。因为这种电击是通过放电造成的，所以电击时人的感觉与放电能量有关，也就是说静电电击严重程度决定于人体电容的大小和人体电压的高低。由于静电能量较小，所以生产过程中产生的静电所引起的电击不会对人体产生直接危害，但人体可能因电击坠落或摔倒而造成所谓的二次事故。电击还可能使工作人员精神紧张，妨碍工作。3、妨碍生产在某些生产过程中，如不消除静电，将会妨碍生产或降低产品质量。随着涤纶、腈纶和锦纶等合成纤维的应用，静电问题变得十分突出。例如，在抽丝过程中，每根丝都要从直径百分之几毫米的小孔挤出，产生较多静电，由于静电电场力的作用，使丝飘动、粘合、纠结等，妨碍工作。在粉体加工行业，生产过程中产生的静电除带来火灾爆炸危险外，还会降低生产效率，影响产品质量。例如，粉体筛分时，由于静电电场力的作用而吸附细微的粉末，使筛目变小，降低生产效率。在塑料和橡胶行业，由于制品和辊轴的摩擦及制品的挤压和拉伸，会产生较多静电，如果不能迅速消散会吸附大量灰尘。4、对电子设备的危害现在各类数码产品的功能越来越强大，而电路板却越来越小，集成度越来越高。并都或多或少的装有部分接口用于人机交互，这样就存在着人体静电放电的ESD问题。一般数码产品中产生ESD的部位有：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天线接口、VGA接口、DVI接口、按键电路、SIM卡、耳机及其他各类数据传输接口。ESD可能会造成产品工作异常、死机，甚至损坏并引发其他的安全问题。所以在产品上市之前，国内或国外检测部门都要求进行ESD和其它浪涌冲击的测试。其中接触放电需要达到±8kV，空气放电需要达到±15kV，这就对ESD的设计提出了较高的要求。静电对电子设备损伤的两种失效形式(1)硬损伤：又称“突发性完全失效”、“一次性损坏”，约占10%表现为器件电参数突然劣化，失去原有功能。主要原因是静电放电造成过压使得介质被击穿，或过流使得内部电路金属导线熔断、硅片局部融化等。硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现，相对软失效而言危害要小得多。它曾使得电子工业年损失达上百亿美元，这还不包括潜在的损失。(2)软损伤：又称“潜在性缓慢失效”、“多次损伤累积后失效”，约占90%。日本IC生产中的不合格器件有45%是由静电造成的。受到软损伤的器件，虽然当时各类电参数仍合格，然而其使用寿命却大大缩短了。含有这些器件的产品或系统，可靠性变差，可能会在后续过程中（直至最终用户）继续遭受ESD软损伤或其它过应力损伤积累而过早地失效。由于软损伤是潜在的，运用目前的技术还很难证明或检测出来，特别是器件被装入整机产品之后，因此具有更大的危害性。这些产品流入市场后的维护成本和造成的其它损失，将比在生产中发生的直接损失要放大几十甚至上百倍！5、静电对航天业的危害在航天工业，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。第一艘阿波罗载人宇宙飞船，由于静电放电(ESD)导致火灾和爆炸，三名宇航名全部丧生。6、静电对经济造成的损失工业领域的有关专家曾作过估计，由于静电所造成的平均产品损失大约在8~33%之间在石化工业，美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起。88年美国因ESD影响损失50亿美元。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