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防静电知识

 
一、概述
    在人们的日常生活和工作中, 经常会遇到静电现象。那么, 静电到底是什么, 它的产生机理以及它有哪些危害, 如何预防和消除这些危害, 这是我们必须考虑和解决的问题。

    1. 什么是静电?
    静电是一种电能,它存在于物体表面,是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电现象是指电荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称,如摩擦起电就是一种静电现象。

    2. 为什么要防静电?
    由于电子行业的迅速发展,体积小、集成度高的器件得到大规模生产,从而导致导线间距越来越小,绝缘膜越来越薄,致使耐击穿电压也愈来愈低。而电子产品在生产、运输、储存和转运等过程中所产生的静电电压却远远超过其击穿电压阈值,这就可能造成器件的击穿或失效,影响产品的技术指标,降低其可靠性。由此可见,静电是电子行业发展中的一大障碍。所以预防静电必须提到议事日程上来,以确保产品的质量。

 
    为使电子器件及产品在购买、入库、发料、检验、储存、调测和安装等过程中免受静电危害,了解静电产生的机理和一些防止静电产生危害的相关知识是非常必要和重要的。

    二、电子行业中静电障害的形成
    电子行业中静电障害可分为两类:一是由静电引力引起的浮游尘埃的吸附;二是由静电放电引起的介质击穿;

    1. 静电吸附

    在半导体元器件的生产制造过程中, 由于大量使用了石英及高分子物质制成的器具和材料,其绝缘度很高,在使用过程中一些不可避免的摩擦可造成其表面电荷不断积聚, 且电位愈来愈高。由于静电的力学效应,在这种情况下, 很容易使工作场所的浮游尘埃吸附于芯片表面,而很小的尘埃吸附都有可能影响半导体器件的良好性能。所以电子产品的生产必须在清洁环境中操作,并且操作人员、器具及环境必须采取一系列的防静电措施,以防止和降低静电危害的形成。

    2.介质击穿的分类

    由静电引起元器件的击穿是电子工业中静电危害的主要方式。在强电场中,随着电场强的增强,电荷不断积累,当达到一定程度时,电介质会失去极化特征而成为导体,最后产生介质的热损坏现象,这种现象称为电介质的击穿。介质击穿分热击穿、化学击穿和电击穿三种形式。

    (1)热击穿 介质工作时,当损耗产生的热量大于介质向周围散发的热量时,介质的温度迅速升高,导电随之增加,直至介质的热损坏。可见热击穿的核心问题是散热问题。所以热设计是产品设计的重要环节之一。

    (2)化学击穿 在高压下,强电场会在介质表面或内部的缺陷小孔附近产生局部空气碰撞电离,引起介质电辉,生成化学物质--臭氧和二氧化碳,使绝缘性能降低,致使介质损坏。

    (3)电击穿 电击穿是介质在强电场作用下, 被击发出自由电子而引起的。自由电子随电场强度的增加而急剧增加,从而破坏介质的绝缘性能。可见电击穿的本质是电荷积聚所致, 因而防止电荷积聚就可防止电击穿。一般把击穿的临界电压称为击穿电压, 临界场强称为击穿场强。例如: E空气 = 3 kV/m, MOS管结构的E栅氧化摸 = 1.0×106kV/m。

    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

    ① 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。

    ②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
    ①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:
    U↑=I↑R↑ q↑=U↑C

    ②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 = I R和 q =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。

    ③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。

    ( 3) 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。
 

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