第6章静电防护

1、1控制室的静电防护控制室的静电防护Technique for protection against electrostatic discharge of control room 徐义亨徐义亨20122012年年5 5月月2前言前言-历史的回顾历史的回顾 1)1)人类对人类对电磁现象电磁现象的认识是从研究的认识是从研究静电静电现象开始的。早在几千现象开始的。早在几千年前古希腊人就发现了琥珀经摩擦后会吸附轻小物体年前古希腊人就发现了琥珀经摩擦后会吸附轻小物体。 2 2）17851785年库仑发现了静电学的基本定律年库仑发现了静电学的基本定律库仑定律库仑定律，对静，对静电的研究才电的研究才真正走上

2、科学真正走上科学的道路，成为经典的静电学。的道路，成为经典的静电学。 3 3）19071907年卡特尔研制成功世界上第一个可实际应用的年卡特尔研制成功世界上第一个可实际应用的静电除尘静电除尘器器（捕集硫酸酸雾）后，静电除尘、静电喷涂、静电净化、静电复（捕集硫酸酸雾）后，静电除尘、静电喷涂、静电净化、静电复印等一系列印等一系列静电应用技术静电应用技术有了很大的发展，创建了有了很大的发展，创建了静电工程学静电工程学。 3 4 4）由于在静电的放电过程中有集中的瞬间大电流通过，导致易）由于在静电的放电过程中有集中的瞬间大电流通过，导致易燃易爆物质的燃易爆物质的燃烧和爆炸燃烧和爆炸，所以，所以2020

3、世纪以后世纪以后在发展静电工程学的同在发展静电工程学的同时，也开始发展和建立时，也开始发展和建立静电防护工程学静电防护工程学。 5 5）自）自19841984年年M.HondaM.Honda首先指出间接静电放电（首先指出间接静电放电（ESDESD）会形成强电）会形成强电磁脉冲，产生频谱很宽的电磁辐射场，对微电子设备造成严重的电磁脉冲，产生频谱很宽的电磁辐射场，对微电子设备造成严重的电磁干扰和浪涌效应，是一种新的电磁干扰源，静电的防护研究的重磁干扰和浪涌效应，是一种新的电磁干扰源，静电的防护研究的重点开始从引起燃烧、爆炸灾害事故的防护转向点开始从引起燃烧、爆炸灾害事故的防护转向研究静电放电辐射场

4、研究静电放电辐射场引发的电磁干扰及相关危害。引发的电磁干扰及相关危害。 4 6 6）从上个世纪的九十年代开始，国内外许多标准均将静电放电）从上个世纪的九十年代开始，国内外许多标准均将静电放电作为重要的电磁环境因素之一，和雷电等按作为重要的电磁环境因素之一，和雷电等按电磁兼容性（电磁兼容性（EMCEMC）研究研究内容统一考虑。内容统一考虑。 7 7）19891989年年5 5月月3 3日日欧共体欧共体颁布了颁布了关于协调成员国有关电磁兼容关于协调成员国有关电磁兼容法律法律的理事会指令的理事会指令，将电磁兼容性（，将电磁兼容性（EMCEMC）作为防护目标。这一指）作为防护目标。这一指令于令于199

5、21992年年1111月月9 9日被转成日被转成德国法律德国法律设备电磁兼容法设备电磁兼容法。19951995年年8 8月月3030日修订了该法律，违反了电磁兼容法将被视为犯罪。日修订了该法律，违反了电磁兼容法将被视为犯罪。19911991年，年，在在美国政府工作报告美国政府工作报告（AD-A243367AD-A243367）中已把静电放电和十多种电磁）中已把静电放电和十多种电磁危害源综合考虑为危害源综合考虑为电磁环境效应电磁环境效应（ElectromagneticElectromagneticEnvironment Effect),Environment Effect),简称简称E E3 3

6、问题。问题。5静电放电的特点静电放电的特点 人体人体上带不同的静电电压时，静电放电的电流波形：上带不同的静电电压时，静电放电的电流波形：t(ns)I(A)I(A)50A50A100ns100nsU U0 0=40kV=40kV6 由图可知，由图可知，静电放电的特点静电放电的特点： 1 1）虽然静电放电的时间是）虽然静电放电的时间是nsns级的，但峰值电流可达数级的，但峰值电流可达数十安培，所以说十安培，所以说瞬间的功率十分巨大，瞬间的功率十分巨大，其能量足以使电子其能量足以使电子部件中敏感元件损坏。部件中敏感元件损坏。 2 2）由于电流波形的上升时间很短，即）由于电流波形的上升时间很短，即di

7、/dtdi/dt很大，所很大，所以可以感应出几百伏乃至上千伏的以可以感应出几百伏乃至上千伏的高电位，高电位，从而产生出从而产生出强强电场电场。 静电电磁干扰属于静电电磁干扰属于宽带干扰，宽带干扰，从低频一直到几个从低频一直到几个GHzGHz（10109 9）以上。它是属于）以上。它是属于近场（近场（/2/2）的电磁干扰源）的电磁干扰源。7电子器件对静电的敏感电子器件对静电的敏感 通常，通常，人体人体不会感受到不会感受到3,500V3,500V以下的电压所产生的放电。在以下的电压所产生的放电。在静电放电电压达到静电放电电压达到25kV25kV, ,人体将会感觉到疼痛。人体将会感觉到疼痛。 由于大

8、多数由于大多数电子器件电子器件对对数百伏电压数百伏电压产生的放电都会非常敏感，产生的放电都会非常敏感，所以元器件的损坏可能来自人们所不能感受到的、听得见的或看所以元器件的损坏可能来自人们所不能感受到的、听得见的或看得到的放电。得到的放电。 特别在随着特别在随着微电子技术微电子技术的发展，产生的大规模集成电路的的发展，产生的大规模集成电路的绝绝缘层越来越薄缘层越来越薄, ,其其互连导线的宽度和间距也越来越小互连导线的宽度和间距也越来越小, ,抗过电压能抗过电压能力越来越差的时候，静电构成的威胁也越来越大。力越来越差的时候，静电构成的威胁也越来越大。 8静电和浪涌、群脉冲的不同点静电和浪涌、群脉冲

9、的不同点 静电、雷击电磁脉冲和电快速瞬变脉冲群静电、雷击电磁脉冲和电快速瞬变脉冲群是对控制系统构成威是对控制系统构成威胁最大的三种电磁干扰。胁最大的三种电磁干扰。 后两种电磁干扰通常是通过后两种电磁干扰通常是通过I/OI/O端口端口、通信端口以及电源和接地、通信端口以及电源和接地端口进入控制系统的，而且发生的端口进入控制系统的，而且发生的概率概率也较低。也较低。 静电则不然，它不仅静电则不然，它不仅发生的概率高发生的概率高，而且可以，而且可以通过多种路径进通过多种路径进入系统入系统而又不立刻被人们所察觉，其危害和产生危害的机理要远复而又不立刻被人们所察觉，其危害和产生危害的机理要远复杂于雷击电

10、磁脉冲和电快速瞬变脉冲群。杂于雷击电磁脉冲和电快速瞬变脉冲群。91 1 静电起电（静电起电（ESDESD）的原因）的原因 固体间发生固体间发生接触接触分离过程或摩擦分离过程或摩擦时会发生静电起电现象。时会发生静电起电现象。 最经常发生最经常发生的静电起电现象是固体间的的静电起电现象是固体间的摩擦起电摩擦起电和和感应起电感应起电现象。现象。此外还有：此外还有：n剥离起电；剥离起电；n破裂起电；破裂起电；n电解起电；电解起电；n压电起电；压电起电；n热电起电；热电起电；n吸附起电；吸附起电；n喷电起电。喷电起电。10 1 1）感应起电）感应起电 如果一个如果一个带电体带电体靠近一个靠近一个中性导体

11、中性导体，那么静电场会使，那么静电场会使中性导体上处于平衡状态的电荷分离。在距离带电体中性导体上处于平衡状态的电荷分离。在距离带电体最近的最近的导体表面上导体表面上出现与带电体上电荷出现与带电体上电荷极性相反的电荷极性相反的电荷，而在距离，而在距离带电体带电体最远的导体表面上最远的导体表面上出现与带电体上电荷出现与带电体上电荷极性相同的电极性相同的电荷荷。如雷雨云底部分布着大量的电荷，它们产生静电场，在。如雷雨云底部分布着大量的电荷，它们产生静电场，在雷雨云所覆盖的地面和各类导体上便会感应出与雷雨云底部雷雨云所覆盖的地面和各类导体上便会感应出与雷雨云底部电荷相反符号的电荷。电荷相反符号的电荷。

12、112 2）摩擦起电）摩擦起电 两种物体互相摩擦时。由于两种物体互相摩擦时。由于电子和离子的亲和性不同电子和离子的亲和性不同，会在两个物体间引起电子和离子的移动，形成一方带正电会在两个物体间引起电子和离子的移动，形成一方带正电荷，一方带负电荷，当两物体分开时，会使一部分的正电荷荷，一方带负电荷，当两物体分开时，会使一部分的正电荷与负电荷与负电荷再度结合再度结合，但，但最后残留一部分电荷最后残留一部分电荷。残留电荷量。残留电荷量大，则静电量也愈大，这种大，则静电量也愈大，这种残留的电荷由该物体的绝缘性决残留的电荷由该物体的绝缘性决定。定。122 静电对控制系统危害的耦合途径静电对控制系统危害的耦

13、合途径 静电危害源静电危害源对受害物体的影响，其作用机理除对受害物体的影响，其作用机理除库仑力作库仑力作用用的力学效应外，主要是通过能量的的力学效应外，主要是通过能量的直接传导直接传导、电容性耦合电容性耦合、电感性耦合电感性耦合和和电磁场辐射电磁场辐射等四种方式发生作用：等四种方式发生作用： 1 1）直接传导（热损伤）直接传导（热损伤），指的是，指的是静电放电电流直接流过敏感电静电放电电流直接流过敏感电路路的情况，这种方式往往是由于静电放电电流产生的的情况，这种方式往往是由于静电放电电流产生的热效应热效应对电路对电路产生损坏。产生损坏。 由于静电放电是在由于静电放电是在nsns或或ss量级的时

14、间内完成的，是一种量级的时间内完成的，是一种绝热过绝热过程程。作为。作为点火源、引爆源点火源、引爆源，可瞬时引起易燃易爆气体或物质的燃烧，可瞬时引起易燃易爆气体或物质的燃烧爆炸；也可以使微电子器件、电磁敏感电路过热，造成局部爆炸；也可以使微电子器件、电磁敏感电路过热，造成局部热损热损伤伤，使，使PNPN结或金属导电层结或金属导电层熔化熔化 。132 2）电容性耦合电容性耦合。指的是静电放电电流对敏感电路附近的金属。指的是静电放电电流对敏感电路附近的金属物体或电路放电时物体或电路放电时通过通过放电产生放电产生的的电场耦合电场耦合到敏感电路中去。到敏感电路中去。 静电危害源形成的电场不仅可以使静电

15、危害源形成的电场不仅可以使MOSMOS场效应器件的栅氧场效应器件的栅氧化层击穿或金属化线间介质击穿化层击穿或金属化线间介质击穿，造成电路失效，而且对许，造成电路失效，而且对许多测试仪器和敏感器件的电磁屏蔽提出了更高的要求。多测试仪器和敏感器件的电磁屏蔽提出了更高的要求。 CMOSCMOS电路电路极易因静电而损坏。其氧化膜的耐压界限约为极易因静电而损坏。其氧化膜的耐压界限约为80-100V 80-100V （VMOSVMOS电路仅为电路仅为30V30V）。所以对于带成千上万伏静电）。所以对于带成千上万伏静电的人一旦接触电路会对器件带来很严重的后果。的人一旦接触电路会对器件带来很严重的后果。 14

16、 3 3）电感性耦合电感性耦合。指的是静电放电在设备的金属外壳等导。指的是静电放电在设备的金属外壳等导电材料中引起的电材料中引起的强电流强电流可形成可形成磁耦合磁耦合，其放电能量虽然不，其放电能量虽然不大，但大，但瞬间的功率十分巨大瞬间的功率十分巨大，会对电路和器件产生干扰和，会对电路和器件产生干扰和危害。因此对控制系统的设计和磁屏蔽材料的选择都提出危害。因此对控制系统的设计和磁屏蔽材料的选择都提出了苛刻的要求。了苛刻的要求。154 4）辐射）辐射耦合耦合。静电放电引起的。静电放电引起的射频干扰射频干扰，对信息化设备，对信息化设备造成电噪声、电磁干扰，使其造成电噪声、电磁干扰，使其产生误动作或

17、功能失效产生误动作或功能失效。强。强电磁脉冲及其浪涌效应对电子设备既可以造成器件或电路电磁脉冲及其浪涌效应对电子设备既可以造成器件或电路的性能参数劣化或完全失效，也可以形成的性能参数劣化或完全失效，也可以形成累积效应累积效应，埋下埋下潜在的危害，使电路或设备的可靠性降低。潜在的危害，使电路或设备的可靠性降低。16电子器件因电子器件因ESDESD的失效模式的失效模式n突发性失效突发性失效： 包括短路、开路、伤失功能，参数不符合要求，包括短路、开路、伤失功能，参数不符合要求，约占约占10%10%；n潜在性失效潜在性失效： 即即“部分退化部分退化”，参数仍符合要求，但，参数仍符合要求，但抗扰度抗扰度

18、降低了，造成过降低了，造成过早失效，危害性更大。早失效，危害性更大。约占约占90%90%。 器件的硬件故障，因器件的硬件故障，因ESDESD约占约占15%15%。17 也有的资料把由于静电放电产生的效应，分成三类：也有的资料把由于静电放电产生的效应，分成三类：1 1）硬损伤硬损伤。即已造成硬件的实际损坏。即已造成硬件的实际损坏。2 2）软损伤软损伤。对系统的正常运行有影响，但。对系统的正常运行有影响，但不会使系统产生物不会使系统产生物理上的损坏理上的损坏。譬如使存储位的改变和。譬如使存储位的改变和程序进入死循环程序进入死循环等。等。3 3）短暂状态异常短暂状态异常。没有产生任何错误，但能明显地

19、感觉得到。没有产生任何错误，但能明显地感觉得到。例如例如CRTCRT显示器上的雪花点、显示器上的雪花点、图象滚动图象滚动和和指示灯的瞬间闪烁指示灯的瞬间闪烁等。等。 设计出来的控制系统应当有一定的设计出来的控制系统应当有一定的静电抗扰度静电抗扰度而不遭损坏（硬而不遭损坏（硬损伤），通常也不会产生软损伤。一般情况下，损伤），通常也不会产生软损伤。一般情况下，短暂状态异常是短暂状态异常是可以接受的。可以接受的。18静电的危害实例静电的危害实例1 1）世界上有）世界上有数十颗卫星数十颗卫星因静电放电（因静电放电（ESDESD）发生故障；）发生故障；2 2）第一个阿波罗载人宇宙飞船因）第一个阿波罗载人

20、宇宙飞船因ESDESD导致火灾、爆炸，使三导致火灾、爆炸，使三名宇航员丧生；名宇航员丧生；3 3）19691969年在不到一个月的时间内，荷兰、挪威、英国有三年在不到一个月的时间内，荷兰、挪威、英国有三艘艘2020万吨油轮因万吨油轮因ESDESD相继发生爆炸；相继发生爆炸；4 4）石油化工企业因）石油化工企业因ESDESD发生爆炸事故，举不胜举。发生爆炸事故，举不胜举。193 3 人体的静电模型（人体的静电模型（HBMHBM） 问题的提出：问题的提出： 是根据不同场合是根据不同场合静电放电的主要特点静电放电的主要特点，建立相应的，建立相应的静电放电模静电放电模型型，来，来模拟模拟静电放电的主要

21、特征。计有：静电放电的主要特征。计有：n人体人体模型模型（HBM)；n机器机器模型模型（MM），模拟），模拟带电导体带电导体对电子器件的对电子器件的ESD事件；事件；n带电器件带电器件模型，模拟在模型，模拟在生产线上生产线上电子器件与工作面、包装材料的电子器件与工作面、包装材料的接触和摩擦的接触和摩擦的ESD事件；事件；nESD家具家具模型等等模型等等十多种十多种。20何谓何谓人体的静电模型（人体的静电模型（HBMHBM） 一个物体上所积累的电荷储存在该物体的一个物体上所积累的电荷储存在该物体的电容电容中。中。 通常，我们总认为只有在两个平板之间才会有电容，实际上通常，我们总认为只有在两个平板

22、之间才会有电容，实际上所有的物体都有自己的所有的物体都有自己的自由空间电容，无非第二个平板（指地球）自由空间电容，无非第二个平板（指地球）无限大而已。无限大而已。这个电容也就是物体可有的最小电容。这个电容也就是物体可有的最小电容。 21人体的电容和电阻人体的电容和电阻 50pF50pF100pF100pF100pF100pF50pF50pF50050010k10k自由空间自由空间中的电容中的电容脚底和地脚底和地面间电容面间电容人体和墙壁或周人体和墙壁或周围物体间的电容围物体间的电容人体电阻人体电阻人体电容的经验公式人体电容的经验公式人体电容人体电容= =自由空间电容自由空间电容+ +脚底和地面

23、间电容脚底和地面间电容C=0.55H+0.008KA/tC=0.55H+0.008KA/t式中：式中：HH人体高度（人体高度（cmcm）；）； KK鞋底材料的介质常数；鞋底材料的介质常数； AA两只鞋底的总面积（两只鞋底的总面积（cmcm2 2）；）； tt鞋底厚度（鞋底厚度（cmcm）。）。2223 人体电阻人体电阻是非线性的，其值约在是非线性的，其值约在5005001,0001,000之之间，它和人体产生放电的位置有关。间，它和人体产生放电的位置有关。 若若手指尖手指尖放电，人体电阻约为放电，人体电阻约为10,00010,000； 若若手掌手掌放电，人体电阻约为放电，人体电阻约为1,000

24、1,000； 若在若在手持的金属物体手持的金属物体上放电，人体电阻约为上放电，人体电阻约为500500； 若放电发生若放电发生在较大的金属物体在较大的金属物体上，人体电阻可以减小为上，人体电阻可以减小为5050。 此外，影响人体电阻的因素还有皮肤表面的水分、盐和油、此外，影响人体电阻的因素还有皮肤表面的水分、盐和油、皮肤接触面积和压力等。皮肤接触面积和压力等。24人体静电放电模型人体静电放电模型 R RC C25 上图是人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中，并上图是人体的静电放电模型。电荷储存在人体电容中，并通过一个等效的人体电阻通过一个等效的人体电阻产生放电。产生放电。 此外，此外，人体

25、也有电感人体也有电感，电感的大小虽然小于，电感的大小虽然小于0.1H0.1H，但对，但对确定确定放电电流的上升沿时间有决定性的影响放电电流的上升沿时间有决定性的影响，应当将它计算进，应当将它计算进来。但设法减小该电感的大小是设计来。但设法减小该电感的大小是设计ESDESD测试仪器的主要难题测试仪器的主要难题之一，所以一般的人体静电模型没有考虑人体电感的大小。之一，所以一般的人体静电模型没有考虑人体电感的大小。 26静电放电的严酷度静电放电的严酷度 静电放电的静电放电的上升沿时间上升沿时间和和其能量其能量是决定放电是决定放电严酷度严酷度的主要的主要参数。参数。 1 1）上升沿时间上升沿时间取决于

26、取决于RCRC； 2 2）人体静电放电模型放电产生的）人体静电放电模型放电产生的能量能量。其计算公式为：。其计算公式为： 式中：式中：CC人体对地电容，人体对地电容，F F； UU人体静电电压，人体静电电压，V V。212JCUW 27 目前，最常用的静电模型来自目前，最常用的静电模型来自IEC 61000-4-2IEC 61000-4-2：20062006，电磁兼容，电磁兼容 试验和测量技术试验和测量技术 静电放电抗扰度试验静电放电抗扰度试验（即（即GB/T 17626.2-2008GB/T 17626.2-2008）。）。 其电容为其电容为150 pF150 pF，放电电阻为，放电电阻为3

27、30330。 输出电压按接触放电和空气放电两种情况分为四个等级输出电压按接触放电和空气放电两种情况分为四个等级（见下表）。（见下表）。 28静电放电的试验等级静电放电的试验等级接触放电接触放电空气放电空气放电等级等级试验电压试验电压kVkV等等 级级试验电压试验电压kVkV1212242436384841529典型人体静电模型（典型人体静电模型（HBMHBM）的参数取值）的参数取值来源来源C C（PfPf）R R（）RC(ns)RC(ns)U U（V V） 能量（能量（mJmJ）IEC IEC 61000-4-261000-4-215015033033049.549.54,0004,0001.

28、21.2IEC61000-IEC61000-4-24-215015033033049.549.58,0008,0004.84.8公司公司A A2502501,0001,00025025020,00020,0005050公司公司B B150150500500757520,00020,0003030公司公司C C505010,00010,00050050020,00020,0001010公司公司D D30030050050015015015,00015,00033.833.8公司公司E E350350100100353515,00015,00039.439.4公司公司F F100100500500

29、505010,00010,0005.05.030 上升沿时间的特征值上升沿时间的特征值RCRC愈小或放电的能量愈大，表明静电放愈小或放电的能量愈大，表明静电放电的严酷程度愈高。由上表的数据可知，特征值电的严酷程度愈高。由上表的数据可知，特征值RCRC最小的是公司最小的是公司E E，放电能量最大的是公司放电能量最大的是公司A A。IECIEC标准规定的这两个参数值都不是最严标准规定的这两个参数值都不是最严酷的，特别是放电能量远小于其它诸公司。酷的，特别是放电能量远小于其它诸公司。 31 为此，笔者认为，有许多仪表的制造商往往认为自己产品的静为此，笔者认为，有许多仪表的制造商往往认为自己产品的静电

30、抗扰度已达到了电抗扰度已达到了IECIEC标准规定的标准规定的2 2级或级或3 3级指标就与以认可，而实际级指标就与以认可，而实际上这是远不够的。上这是远不够的。为提高仪表和控制系统的静电放电抗扰度，不但为提高仪表和控制系统的静电放电抗扰度，不但要看试验电压的大小，还应着眼于试验模型，要注意上升沿时间的要看试验电压的大小，还应着眼于试验模型，要注意上升沿时间的特征值特征值RCRC的大小。的大小。324 4 静电防护的基本方法静电防护的基本方法和和软接地软接地 静电是一种发生在材料表面上的现象。静电是一种发生在材料表面上的现象。电荷存在于材料的表面电荷存在于材料的表面上，而不是材料的内部。通常，

31、积累在物体表面上的电荷可以有两上，而不是材料的内部。通常，积累在物体表面上的电荷可以有两种释放方式：种释放方式：n泄漏泄漏；n中和（离子静电消除器）中和（离子静电消除器）。 泄漏泄漏是物体放电的是物体放电的首选首选方式。方式。33 如果如果将带电导体接地，就能够使带电导体上的电荷泄漏。将带电导体接地，就能够使带电导体上的电荷泄漏。从表从表面上看，这和面上看，这和“引雷入地引雷入地”的原理是一样的。的原理是一样的。 但是静电对地的泄漏，和但是静电对地的泄漏，和“引雷入地引雷入地”所不同的是，雷电浪涌所不同的是，雷电浪涌是通过控制系统的端口进入系统的，所以必须要在浪涌进入系统是通过控制系统的端口进

32、入系统的，所以必须要在浪涌进入系统前，前，以最快的速度以最快的速度将其释放掉。将其释放掉。 而静电是通过包括人体或控制系统的人机界面等多种路径进入而静电是通过包括人体或控制系统的人机界面等多种路径进入系统的，必须要控制它的泄漏速度系统的，必须要控制它的泄漏速度。例如，人体套上防静电腕带，。例如，人体套上防静电腕带，必须把泄漏电流限制在必须把泄漏电流限制在人身安全的电流人身安全的电流5mA5mA以下，所以防静电腕带需以下，所以防静电腕带需串上一个串上一个1M1M的电阻。又例如，当人体通过控制系统的人机界面将的电阻。又例如，当人体通过控制系统的人机界面将携带的电荷通过控制系统的接地端释放的话，为防

33、止泄漏电流将释携带的电荷通过控制系统的接地端释放的话，为防止泄漏电流将释放路径附近的元器件放路径附近的元器件损坏，损坏，放电必须缓慢进行，以限制电流放电必须缓慢进行，以限制电流。34 所以在静电防护中有硬接地和软接地之分。所以在静电防护中有硬接地和软接地之分。n硬接地硬接地 为直接与大地接电极作导电性连接的一种接地方式。为直接与大地接电极作导电性连接的一种接地方式。n软接地软接地 通过一足已通过一足已限制静电泄漏电流限制静电泄漏电流达到安全值的电阻（或通达到安全值的电阻（或通 过材料内固有的电阻）连接到大地电极的一种接地方式。过材料内固有的电阻）连接到大地电极的一种接地方式。35 通常，物体上

34、携带的静电荷需要经过一段时间才能逐渐消失。通常，物体上携带的静电荷需要经过一段时间才能逐渐消失。可以证明，带电体内部的电荷是随时间按指数规律衰减的，即：可以证明，带电体内部的电荷是随时间按指数规律衰减的，即： 式中：式中：QQ电量电量，C C； Q Q0 0t=0t=0时，带电体内部的时，带电体内部的初始带电量初始带电量，C C； -介质的放电介质的放电时间常数时间常数，s s； t-t-时间时间,s,s。teQQ0teQQ0teQQ0teQQ0teQQ0teQQ0teQQ036 介质的放电时间常数介质的放电时间常数的物理意义是电荷量衰减到起始值的的物理意义是电荷量衰减到起始值的36.8%36

35、.8%所需要的时间。衰减曲线如图所示。所需要的时间。衰减曲线如图所示。Q0.368Q0Q0t37 表示这一特性有一个重要参数表示这一特性有一个重要参数衰减时间衰减时间，它可表示为：，它可表示为： =式中：式中：材料的介电常数；材料的介电常数； 材料的电阻率（材料的电阻率（mm）。）。 其中其中的变化范围要远远大于的变化范围要远远大于的变化范围（的变化范围（值一般为值一般为2 21111，相差仅，相差仅5 5倍，而倍，而的大小要相差的大小要相差10101010倍）所以对衰减时间倍）所以对衰减时间起起主要作用的是材料的电阻率主要作用的是材料的电阻率。因为静电是一种发生在材料表面。因为静电是一种发生

36、在材料表面上的现象，所以起主要作用的是材料的上的现象，所以起主要作用的是材料的表面电阻率表面电阻率，按它可将材，按它可将材料分成三大类（见下表）。料分成三大类（见下表）。38不同类型材料的表面电阻率不同类型材料的表面电阻率(美国国家标准 ANSI ESD S541-2003)材材 料料表面电阻率（表面电阻率（） 静电导体材料静电导体材料 10105 5静电静电耗散耗散材料材料（又称（又称静电亚导体静电亚导体） 10105 5 10101111静电绝缘材料静电绝缘材料（又称（又称静电非导体静电非导体） 1010111139 表面电阻率小于表面电阻率小于10105 5的静电导体材料耗散电荷的速度最

37、的静电导体材料耗散电荷的速度最快，使用接地方式很容易将其表面所携带的电荷释放掉。但因迅速快，使用接地方式很容易将其表面所携带的电荷释放掉。但因迅速放电会使放电电流的变化率很大，一旦放电通道靠近已带电的电子放电会使放电电流的变化率很大，一旦放电通道靠近已带电的电子系统，可能会产生某种损坏。所以它系统，可能会产生某种损坏。所以它不宜作为静电防护材料不宜作为静电防护材料。40 表面电阻率大于表面电阻率大于10101111的绝缘体上的电荷只能保持在产生的绝缘体上的电荷只能保持在产生它的区域，并不会分布在材料的整个表面上。因此，它的区域，并不会分布在材料的整个表面上。因此，将绝缘体的接将绝缘体的接地并不

38、能减少电荷地并不能减少电荷。绝缘体上的电荷虽然不能自由移动引起静电放。绝缘体上的电荷虽然不能自由移动引起静电放电，但绝缘体上的电势会在导体上产生电，但绝缘体上的电势会在导体上产生感应电荷感应电荷。所以，静电绝缘。所以，静电绝缘材料不能耗散电荷，材料不能耗散电荷，在静电敏感环境中严禁使用。在静电敏感环境中严禁使用。41 表面电阻率在（表面电阻率在（10105 510101111）的静电耗散材料的耗散电荷的的静电耗散材料的耗散电荷的速度较慢，很安全。一旦物体带电，可以安全地泄放这些电荷。速度较慢，很安全。一旦物体带电，可以安全地泄放这些电荷。 这就是在考虑静电防护时，为什么要考虑相关材料的表面电阻

39、率。这就是在考虑静电防护时，为什么要考虑相关材料的表面电阻率。 所以，家具、桌面、地面等材料均要用静电耗散材料。所以，家具、桌面、地面等材料均要用静电耗散材料。42 至于至于绝缘体上所携带的电荷绝缘体上所携带的电荷，可以使用，可以使用离子发生器离子发生器向空气中向空气中释放与物体携带电荷极性相反的电荷，与物体携带的电荷相互抵释放与物体携带电荷极性相反的电荷，与物体携带的电荷相互抵消，即所谓消，即所谓中和中和。435 5 防静电工作区（防静电工作区（EPA)EPA)的理念的理念 防静电工作区（防静电工作区（EPAEPA）是）是“静电放电防护工作区静电放电防护工作区”的通称。它是的通称。它是一个配

40、备有各种防静电设备和器材，能一个配备有各种防静电设备和器材，能限制静电电位限制静电电位，并具有确定，并具有确定边界边界和专门和专门标志标志的适于从事静电防护操作的场所。的适于从事静电防护操作的场所。 基本的基本的ESDESD防护区其概念是防护区其概念是限制静电电压水平限制静电电压水平，以避免在该区域，以避免在该区域内接受操作的静电敏感器件（内接受操作的静电敏感器件（ESDSESDS）处在大于损坏电压阈值的状况）处在大于损坏电压阈值的状况下。下。44设计设计EPAEPA考虑的几个基本要素考虑的几个基本要素1 1）人身）人身安全，安全，保持操作者在任何时候的电气安全；保持操作者在任何时候的电气安全

41、；2 2）防护区内可能产生的静电电压应远小于在防护区内元器件的最低防护区内可能产生的静电电压应远小于在防护区内元器件的最低敏感电压。敏感电压。 3 3）防护区的）防护区的接地接地/ /等电位连接等电位连接；提供；提供接地路径接地路径以使静电防护设备、材以使静电防护设备、材料和人员具有相同的电位。料和人员具有相同的电位。4 4）工具、材料和设备的设计和使用均要考虑）工具、材料和设备的设计和使用均要考虑如何排除主要的静电发如何排除主要的静电发生源生源 ；5 5）进入）进入EPAEPA的人员应限于经过相应培训的人员。在操作的人员应限于经过相应培训的人员。在操作ESDSESDS产品时产品时应有相应的应

42、有相应的操作规范操作规范。45例例1.1.防静电工作区防静电工作区46 例例2.2. 典型的典型的ESDESD防护工作台防护工作台 限限 流流电电 阻阻人体腕带人体腕带ESDESD防护垫防护垫476 6 控制室防止产生静电的基本措施控制室防止产生静电的基本措施 防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏，控制室的设防止控制系统和电路不受静电放电的干扰和破坏，控制室的设计即计即静电防护工作区（静电防护工作区（EPAEPA）的建立应采取的基本方法，一般有：的建立应采取的基本方法，一般有：1 1）抑制干扰源抑制干扰源，减小或消除源头上的静电积累。防止静电的产生，减小或消除源头上的静电积累。防止静电的

43、产生是最彻底的方法，从产生静电的机理看，应该从是最彻底的方法，从产生静电的机理看，应该从降低有关物体的绝降低有关物体的绝缘度缘度着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产生静电。着手，使两物体即使摩擦也不产生或少产生静电。 482 2）铺设具有一定表面电阻率的）铺设具有一定表面电阻率的防静电地面防静电地面，它不仅可以，它不仅可以泄漏泄漏人体静人体静电，也为活动的机具、工装等设备电，也为活动的机具、工装等设备提供了静电接地提供了静电接地的条件。的条件。3 3）操作人员宜）操作人员宜穿防静电工作服穿防静电工作服。防静电工作服通常是由。防静电工作服通常是由导电纤维导电纤维或或经经抗静电改性的织物抗静电改性

44、的织物制成。用于制成。用于防止人体静电的积累防止人体静电的积累。494 4）操作人员）操作人员穿防静电鞋穿防静电鞋。因为人是静电导体，在人体静电防护中最。因为人是静电导体，在人体静电防护中最主要的措施是主要的措施是保证人体始终静电接地保证人体始终静电接地。鞋是人体静电接地的关键制。鞋是人体静电接地的关键制品之一。如果鞋（包括袜子和鞋垫）对地电阻较小，并配合防静电品之一。如果鞋（包括袜子和鞋垫）对地电阻较小，并配合防静电地面，就可以保证人体在活动时，能够通过鞋和导电地面将产生的地面，就可以保证人体在活动时，能够通过鞋和导电地面将产生的静电泄漏到大地。静电泄漏到大地。我国国家标准我国国家标准GB

45、4386-95GB 4386-95规定，防静电鞋的鞋底规定，防静电鞋的鞋底电阻值为电阻值为5.05.010104 41.01.010108 8。由于使用场所有可能触及工频交由于使用场所有可能触及工频交流电，所以对防静电鞋的电阻值，流电，所以对防静电鞋的电阻值，不但有上限要求，也有下限要求。不但有上限要求，也有下限要求。5 5）维护人员应在手腕上带）维护人员应在手腕上带防静电手腕带防静电手腕带。506 6）使用）使用防静电椅防静电椅。椅面材料应采用静电耗散材料，并应保证和防静。椅面材料应采用静电耗散材料，并应保证和防静电地面有良好的接触。电地面有良好的接触。7 7）在控制室入口处，）在控制室入口

46、处，设置吸尘地毯设置吸尘地毯，以减少静电的生成。，以减少静电的生成。8 8）控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。一般，）控制柜以及电缆的屏蔽层都必须保持良好的接地。一般，凡作保凡作保护接地的机柜，均可认为已作了静电接地。护接地的机柜，均可认为已作了静电接地。519 9）设置温、湿度控制设置温、湿度控制。物体携带的电荷可以通过空气泄漏。湿度愈。物体携带的电荷可以通过空气泄漏。湿度愈高，物体的高，物体的表面电阻率减小表面电阻率减小，则物体上携带的电荷泄漏得愈快。，则物体上携带的电荷泄漏得愈快。如如RH65%RH65%，就难以形成静电危害源。，就难以形成静电危害源。1010）如设备的外接电缆

47、接插件采用）如设备的外接电缆接插件采用金属外壳金属外壳的插座，由于这种插座的插座，由于这种插座经常被人体所接触，所以也经常会通过插座对其附近的元器件造成经常被人体所接触，所以也经常会通过插座对其附近的元器件造成静电放电干扰。因此，静电放电干扰。因此，在固定插座时要让其金属外壳与地有良好的在固定插座时要让其金属外壳与地有良好的导电性。导电性。 上述诸措施中，上述诸措施中，控制室的温、湿度控制控制室的温、湿度控制和和防静电地面的设置防静电地面的设置和和接接地地是必须在控制室的设计阶段予以考虑的。是必须在控制室的设计阶段予以考虑的。52 国军标国军标GJB 3007-1997 GJB 3007-19

48、97 防静电工作区技术要求防静电工作区技术要求 按照指定按照指定空空间所允许的对地静电电位值间所允许的对地静电电位值，将静电防护工作区分为二级：，将静电防护工作区分为二级：nA A级级-允许的对地静电电位不超过允许的对地静电电位不超过100V100V；nB B级级-允许的对地静电电位不超过允许的对地静电电位不超过1000V1000V。 53 之所以将之所以将EPAEPA划分为划分为A A、B B两个等级是因为：两个等级是因为：1 1）半导体的静电敏感性除少数在半导体的静电敏感性除少数在100V100V以下（如以下（如NMOSNMOS、EPROMEPROM等），等），大多在大多在150V150V

49、以上以上，所以凡是人体有可能直接接触到控制系统的卡件、，所以凡是人体有可能直接接触到控制系统的卡件、元器件等地方（如控制系统的机房、维修间等）均按元器件等地方（如控制系统的机房、维修间等）均按A A级考虑，即允级考虑，即允许的对地静电电位（绝对值）为许的对地静电电位（绝对值）为100V100V。2 2）一般而言，）一般而言，人机界面各处的静电抗扰度至少也在人机界面各处的静电抗扰度至少也在2000V2000V以上以上，所，所以在人体不直接和控制系统的卡件、元器件等直接接触的地方（如以在人体不直接和控制系统的卡件、元器件等直接接触的地方（如操作室），可按操作室），可按B B级进行设计，即允许的对地

50、静电电位（绝对值）为级进行设计，即允许的对地静电电位（绝对值）为1000V1000V。547 7 防静电地面和其接地防静电地面和其接地 防静电地面的防静电地面的主要功能：主要功能：n提供接地路径；提供接地路径；n使静电防护设备、材料和人员使静电防护设备、材料和人员具有相同的电位具有相同的电位。 静电防护工作区内的导体，包括人员在内，必须与公共地相连，静电防护工作区内的导体，包括人员在内，必须与公共地相连，使导体和人员的电位相同。只要使系统中的组件维持相同的电位，使导体和人员的电位相同。只要使系统中的组件维持相同的电位，即使高于参考的零电位也能起到静电保护作用。即使高于参考的零电位也能起到静电保

51、护作用。55 这种这种等电位体的实施主要依赖于防静电地面的设计等电位体的实施主要依赖于防静电地面的设计。将静电防。将静电防护区内的所有东西（包括工作台、椅、人员、设备等）护区内的所有东西（包括工作台、椅、人员、设备等）通过防静电通过防静电地面和接地系统相连地面和接地系统相连。为了保证上述的软接地要求，对。为了保证上述的软接地要求，对防静电地面防静电地面就必须提出表面电阻率的要求。就必须提出表面电阻率的要求。56 常见的防静电地面有常见的防静电地面有: :n防静电现浇（或预制）防静电现浇（或预制）水磨石地面水磨石地面；n聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVCPVC）地面；）地面；n聚氨酯自流平地面聚氨酯自流

52、平地面；n防静电活动地板防静电活动地板等。等。 也可以在普通地面上铺也可以在普通地面上铺设防静电地垫设防静电地垫。57 无论采用何种防静电地面，一要无论采用何种防静电地面，一要和接地系统可靠地连接和接地系统可靠地连接, ,二要对二要对其其电阻率的大小进行选择。电阻率的大小进行选择。 在敷设防静电地面前，首先应该敷设在敷设防静电地面前，首先应该敷设导电地网导电地网（见图）。对防（见图）。对防静电现浇水磨石地面可以用钢筋作地网，静电现浇水磨石地面可以用钢筋作地网，钢筋钢筋的交叉处应焊接牢的交叉处应焊接牢固，地网和接地端可以用焊接或压接连接。对聚氨酯自流平地面，固，地网和接地端可以用焊接或压接连接。

53、对聚氨酯自流平地面，可以用可以用宽宽151520mm20mm、厚、厚0.050.050.080.08的铜箔，按的铜箔，按6m6m6m6m的网格敷设的网格敷设，铜箔与铜箔交叉处用锡焊焊接，铜箔与接地端子连接处用锡焊焊接铜箔与铜箔交叉处用锡焊焊接，铜箔与接地端子连接处用锡焊焊接或螺栓压接。或螺栓压接。一个导电地网起码要有两个接地端，面积每增大一个导电地网起码要有两个接地端，面积每增大100m100m2 2, ,接地端应增加接地端应增加1 1至至2 2个。个。58导电地网示意图导电地网示意图 接地端子接地端子导电地网导电地网59静电泄漏电阻的取值静电泄漏电阻的取值 所谓所谓静电泄漏电阻静电泄漏电阻是

54、指被研究的是指被研究的物体上的观察点与大地之间的物体上的观察点与大地之间的总电阻总电阻，即电荷从该点泄放到大地所经过的总路程上电阻。对于，即电荷从该点泄放到大地所经过的总路程上电阻。对于已已经静电接地经静电接地的物体来说，静电泄漏电阻包括的物体来说，静电泄漏电阻包括接地电阻接地电阻和被测点与接和被测点与接地点之间的地点之间的连接电阻连接电阻。即。即 R RD D=R=Rm m+R+RS S 式中：式中：R Rm m - -被测点与接地点之间的被测点与接地点之间的连接电阻连接电阻，； R RS S-静电静电接地电阻接地电阻，。60 静电泄漏电阻是判断带电体上的电荷能否顺畅泄漏的主要依据静电泄漏电

55、阻是判断带电体上的电荷能否顺畅泄漏的主要依据。 静电泄漏电阻的大小取决于：静电泄漏电阻的大小取决于： 1 1）EPAEPA所允许存在的所允许存在的最高静电电位最高静电电位U Uk k； 2 2）EPAEPA可能出现的可能出现的最大静电起电电流最大静电起电电流I Ig g。61 一般情况下，静电起电电流的范围为（一般情况下，静电起电电流的范围为（1010-11-111010-4-4）A A，所以，所以最大静电起电电流最大静电起电电流IgIg可取可取1010-4-4A A。如果允许的对地静电电位（绝对值）。如果允许的对地静电电位（绝对值）为为100V100V，则，则静电泄漏电阻静电泄漏电阻为：为：

56、 R RD D=U=Uk k/I/Ig g=100/10=100/10-4-4=10=106 6（） 如果允许的对地静电电位（绝对值）为如果允许的对地静电电位（绝对值）为1000V1000V，则静电泄漏电阻，则静电泄漏电阻为为10107 7。在一般情况下，被测点与接地点之间的连接电阻要远大于。在一般情况下，被测点与接地点之间的连接电阻要远大于静电接地电阻。所以控制静电接地电阻。所以控制泄漏电阻大小起主要作用的是被测点与接泄漏电阻大小起主要作用的是被测点与接地点之间的连接电阻。地点之间的连接电阻。62 在防静电地面施工完后，必须要对表面电阻、系统电阻、系统在防静电地面施工完后，必须要对表面电阻、

57、系统电阻、系统接地电阻、平整度、面层厚度等进行接地电阻、平整度、面层厚度等进行测试记录测试记录。 作为静电防护工作区的控制室，除了上述的以外，还必须要有作为静电防护工作区的控制室，除了上述的以外，还必须要有一套行之有效的一套行之有效的管理制度管理制度和明显的和明显的边界标志边界标志。63 附录附录A A 物体带电顺序表物体带电顺序表 带带正正电电荷荷侧侧玻玻璃璃云云母母尼尼龙龙羊羊毛毛人人造造丝丝绢绢 人人体体皮皮肤肤丙丙烯烯棉棉布布铝铝 纸纸 麻麻 琥琥珀珀铁、铁、铜、铜、镍镍橡橡胶胶金金 涤涤纶纶赛赛璐璐珞珞聚聚四四氟氟乙乙烯烯带带负负电电荷荷侧侧64 当两种材料发生接触时，当两种材料发生接触时，电子将从顺序表中位于左电子将从顺序表中位于左侧的材料转移到顺序表中位于右侧的材料侧的材料转移到顺序表中位于右侧的材料上。可以按此上。可以按此来判断两个物体摩擦时，它们带电的极性，还可以大致估计来判断两个物体摩擦时，它们带电的极性，还可以大致估计所带电荷程度的大小，即顺序表中相隔愈开的两种材料摩擦，所带电荷程度的大小，即顺序表中相隔愈开的两种材料摩擦，产生电荷的程度就愈大。产生电荷的程度就愈大。 产生电荷的数量不仅与顺序表中