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1、1静电理论及防护讲课提纲上海市物理学会静电专业委员会秘书长 李学文博士(未经允许,不得翻印)2第三部分、防静电基本知识第三部分、防静电基本知识一、静电基础理论一、静电基础理论 3.1 3.1 静电与静电现象静电与静电现象3.1.13.1.1静电的定义及其特点静电的定义及其特点静电(Electrostatic)就是物体表面过剩和不足的静止电荷,静电是一种电能,它留存与物体表面;静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果;静电是通过电子和离子的转移而形成的。静电放电现象是大家都熟悉的。当天气干燥时,用塑料梳子梳头时会产生放电声;和毛皮摩擦之后的钢笔杆可吸引小纸屑(当电荷密度达到106C/m2时
2、);脱下合成纤维衣服时产生噼啪声,夜间还可以看到火花(空气的击穿场强为30kv/cm);在日光灯、电视机屏幕、唱片、录音机磁头上易于附着灰尘等现象。这都是我们日常生活中经常体验到的静电现象。工业上存在的静电现象是及其广泛的,在电子、石油、塑料、合成纤维、化工、医疗等行业频繁出现,并为人类所利用。但是,人们往往忽视静电现象的危害方面,只是在工业生产作业中,特别是电子产品生产过程中,由于静电放电引起了机器故障和误动作,人们才把它们当作静电危害来处理。静电现象是电荷的产生和消失的过程中产生的电现象的总称。静电具有以下特点:3(1)从防静电危害的角度考虑,凡电阻率在 以下的材料,对于静电而言就已经是导
3、体,或称静电导体;体电阻等于或大于 的材料为静电的非导体;体电阻率介于 的材料为静电的亚导体。对于材料的这种划分与通常情况下对导体、绝缘体的划分是不同的。图1给出了材料的分类。cm6101cm6101cm6101cm10101图1材料的分类4(2 2)在一般工业生产中,静电具有高电位、低电量、小电流(脉冲电流,有)在一般工业生产中,静电具有高电位、低电量、小电流(脉冲电流,有争议)和作用时间短的特点,设备或人体的静电位最高可达数万伏以至数十万伏;争议)和作用时间短的特点,设备或人体的静电位最高可达数万伏以至数十万伏;这要比市电这要比市电220v220v、380v380v高得多。但所积累的静电量
4、却很低,通常为微库仑级;静高得多。但所积累的静电量却很低,通常为微库仑级;静电电流多为毫安级;作用时间多为毫秒级。电电流多为毫安级;作用时间多为毫秒级。(3 3)静电较之流电受环境条件、特别是湿度的影响较大;静电测量时复现性)静电较之流电受环境条件、特别是湿度的影响较大;静电测量时复现性差、瞬态现象多。差、瞬态现象多。静电通世界上任何事物一样具有两重性:既能为人类造福,如静电复印、静电静电通世界上任何事物一样具有两重性:既能为人类造福,如静电复印、静电涂敷、静电除尘等静电应用技术;亦会带来许多危害,诸如石化、电子及电工领涂敷、静电除尘等静电应用技术;亦会带来许多危害,诸如石化、电子及电工领域。
5、就电子元器件的生产及电子设备的装联、调试作业而言,因接触摩擦起电、域。就电子元器件的生产及电子设备的装联、调试作业而言,因接触摩擦起电、人体静电与接地问题能造成很大经济损失。初步研究发现,摩擦起电、人体静电人体静电与接地问题能造成很大经济损失。初步研究发现,摩擦起电、人体静电乃是电子。微电子工业中之间两大危害源。乃是电子。微电子工业中之间两大危害源。3.1.2 3.1.2 各种静电现象综述各种静电现象综述、大气静电现象人类生活的地球本身就是极大的导体,地球贮有负电荷量为 。在距地面60350km的电离层区建立了方向垂直于地面的电场。空气中电场强度离地面愈远而愈低。如海平面晴天场强为120v;3
6、km高处为25v;80km高处空气还是导电的。大气闪电是自然界静电现象之一。它和自然界的电解、气流、风沙烟尘等呈现着大量的静电现象,所以人们生活在静电的海洋之中。C51002. 95、工业静电现象、工业静电现象这里涉及的静电现象是指:同种或异种物质的机械分离(流动、摩擦、粉碎等),或感应在导体上所积累的电荷。工业中存在的静电现象介绍如下:(1)纺织工业中,纱织纤维静电位:棉花50v,人造丝100v,尼龙1.05kv,电荷量为左右 。(2)橡胶工业中的静电:合成橡胶从苯槽出来时带电量为 ,静电电位(电压)可达250kv。(3)石油工业中,汽油在金属管道中流动时带负电荷,管道带正电荷,汽油流经棉制
7、品材料电位达2.6kv。槽车装油的油电位高达10kv以上。在精练中,油经过反复加压加热、喷射、冷却和压送等工序都会使釉料带有大量的电荷。油罐车在马路上行驶时轮胎摩擦起电,釉料本身摇晃亦起电,油经过阀门、泵、过滤器和截面改变处剧烈起电;特别是过虑起电时,静电位非常高。C121026/107mC(4)印刷造纸工业中,纸离开辊筒时电位达1520kv,经加光机达50kv;印刷时纸张可达1.0kv,油墨雾化亦带电。(5)汽车运输工业中轮胎的电阻率为 。一般车速下可充电到1550kv,有时达100kv。自行车在柏油马路上行驶时轮胎电位可达10kv以上。(6)塑料工业中的塑料制品表面电阻率为 ,表面经摩擦静
8、电位即达1kv以上。8101110cm16201010S6(7)粉碎工业中,大多数粉体的体电阻率 ,在传输加工中都会起电,如煤粉、面粉及塑料粉加工厂之粉粒悬浮在空气中形成了气溶胶的胶状溶液,从而产生静电(煤粉涡流与金刚砂混合带电5.4kv)(8)电子工业中,摩擦起电和人体带电常有发生,如电子器件在生产及组装成电子设备的焊接、搬运与检测等工序中,难免相互碰撞和接触摩擦而形成很高的表面电位。再如操作者与大地绝缘时,人体的静电电位高达1.535kv,无论是摩擦起电或是人体静电产生如此高之高的静电电位,均能招致耐压不高的电子器件毁坏或软击穿。3.2静电的产生、来源 由于材料表明电荷的不平衡引起静电荷,
9、这种电荷的不平衡产生了可以测量到的电场,该电场能够在远处影响别的物体,此时物体带有静电。静电放电是指在不同电势的两个物体之间静电电荷的转移。静电起电最常见的原因是两种材料的接触和分离。1010cm3.2.1 3.2.1 概述概述静电问题依附于物体(气、液、固体)而存在。如果物体带有过剩的电荷则成为带电体。物体间的电荷转移过程就是起电过程,互相作用物体间的电荷转移在其界面上进行。下面以摩擦起电为例,简单说明静电产生的过程:静电产生的方式很多,接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等都可以产生静电。但基本过程可归纳为:接触 电荷转移 偶电层的形成 电荷分离。7图2 人体的充电过程 下面以摩擦起电
10、为例,简单说明静电产生的过程: 图3 摩擦电序8正常情况下,物体的正、负电荷平衡,物体是不带电的。当两种不同物体相互摩擦时,如图2所示,人的鞋子与地毯摩擦时,各自带上极性相反、数量相同的电荷。实际上,人体在充电过程中,电荷发生了转移。国外学者研究表明:不同物质摩擦起电的序列按如下顺序排列(见图3)。图中,任意两种物质发生摩擦后,位于较前的物质一般带正电,而位于较后者带负电,即电子从位于前面的物质转移到后面的物质中。这里强调一个电荷的概念。(1)类电荷 相斥, 异类电荷 相吸。(2)导体上的电荷可移动,绝缘体上的电荷不可移动。这就说明,绝缘体上的电荷不能通过接地进行中和。图4 导体上的电荷可移动
11、,绝缘体上的电荷不可移动93.2.2 3.2.2 金属间的接触起电理论金属间的接触起电理论在日常生活中,静电问题多数与绝缘材料有关。因此,通常认为静电材料尤其是金属材料不会产生静电。事实并非如此,两种金属接触分离时也会发生电荷的转移,从而产生静电。只是分离过程中,由于金属的导电性良好,常常很快将电荷带走,分离后金属上几乎没有静电荷,从而在通常条件下不显示出静电带电现象。3.2.33.2.3固体起电固体起电、接触带电、接触带电两个物体在相互接触时,在界面处由于两个作用面能态的差异,如电阻溢出功、温度等的不同,发生电荷转移而形成偶电层。接触起电的基本过程见图5(a) 接触电荷转移 (b)偶电层形成
12、 (c)电荷分离图图5 5 接触摩擦起电的基本过程接触摩擦起电的基本过程10、剥离起电、剥离起电 当相互密切结合的物体剥离时,会引起电荷的分离,引起分离物体双方带电的现象,称为剥离起电。 图图6 6 剥离起电剥离起电、压电起电、压电起电在给石英等离子型晶体加压时,会在它们表面产生极化电荷,这种现象称为压电效应。产生压电效应的原因是这些晶体在电学上各向异性。、热电起电、热电起电若对显示压电效应的某些晶体加热,则其一端带正电,另一端带负电,这种现象成为热电效应。例如在给石英晶体加热时就会出现这种现象。 感应起电感应起电感应起电通常是对于导体来说的。处于电场中的导体,由于静电感应,使得导体上的电荷重
13、新分布,从而使物体的电位发生变化。对于绝缘材料,在静电场中由于极化也可以使其带电,也把它称为感应起电。113.2.43.2.4粉体起电粉体起电粉体是固体的一种物质形态,粉体由分散性固体颗粒组成。每一个颗粒都是体积很小的固体介质。粉体物质因静电影响生产速度和产品质量。影响人们的正常生活,甚至引起灾害性事故等问题。所以,无论静电应用技术的研究,还是静电危害的防治,都非常重视粉体静电问题。粉体是处于特殊状态下的固体。与大块的固体相比,粉体本身具有分散性和悬浮性两大特点。粉体的悬浮性使粉体很容易悬浮在空气中形成烟尘,或悬浮于液体中,很难沉淀析出。不管粉体是金属还是绝缘体,粉体悬浮使得粉体颗粒与大地总是
14、绝缘的每一颗粒都可能带电。粉体起电是由于粉体与器壁、粉体与粉体间相互碰撞、接触分离、摩擦引起的。这时起电量与其分散度、电导率、速度、周围空气湿度、碰撞时的接触程度及接触面积等有关。颗粒越小,碰撞面积越大,起电愈剧烈。3.2.4 3.2.4 液体起电液体起电工业液体的输送、喷射、混合、搅拌、过滤等加工工序中,都会出现静电带电现象。液体与液体相互接触以后,可能发生溶解、混合等现象。在此情况下,无法从宏观上将它们完全分离开来。所以,用理学的(机械的)方法使液体产生静电的现象,主要包括固体与液体之间的接触分离起电和气体与液体之间接触分离起电两种类型。例如,流动起电、冲流起电、沉降起电、喷射起电等静电起
15、电方式属于固体液体间接触分离起电类型;喷雾起电、泡沫起电等都是气体液体间接触分离起电的离子。在这些场合下,固液、气液之间的边界面被认为是产生静电的原因。12把液体静电起电现象统一起来的传统理论,是以在液体中的带电离子所形成的边界层上的偶电层学说为根据,这种偶电层由于理学的(机械的)作用力而分离,从而导致了静电起电。3.3 3.3 静电效应静电效应静电荷所产生的静电场有三种物理效应对于电子工业危害最大:(1 1)静电荷产生的电场力)静电荷产生的电场力 物体产生静电后,在其周围形成静电场。位于静电场中的任何其它带电体都会受到电场力的排斥或吸引。实验表面,一般绝缘体或电介质产生静电后,每平方厘米静电
16、力仅为几百毫克力。这样小的力对重物则毫无作用。但对重量仅为几毫克的毛发、纸片、尘埃的吸附作用非常明显。 (2 2)静电放电()静电放电(ESDESD)静电放电是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时,因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。静电放电往往会对电子器件造成损害或失效。 (3 3)静电感应)静电感应 当导体和电介质置于静电场中,在其上感应出正或负的静电荷。静电感应电位可达数千伏以上,这样高的静电压能对电子器件造成不良影响。133.43.4、ESDESD对电子设备的危害对电子设备的危害3.4.1 3.4.1 概述概述ESD是英文Electrostatic Dis
17、charge的缩写,即静电放电的意思。当某些电介质、导体带上静电荷后,尽管所带电荷量不多,但由于自身对大地分布电容非常小,使得静电电位较高。当垂直于带电物体表面的静电电位达到2000伏时,就会向空气放电。在日常生活中,许多ESD现象,我们都亲身经历过。譬如,在冬季一间温暖的房间里,走在覆盖地毯的地面时,当你伸手接触门的把手时,就会有电击的感觉;脱下合成纤维衣服时产生噼啪声,夜间还可以看到火花(空气的击穿场强为30kv/cm);天气干燥时,用塑料梳子梳头时会产生放电声。对于人体而言,这种静电的突然放电不会造成任何伤害;可是,对于ESDS(静电放电敏感器件)器件,静电放电就可能损害电子器件。ESD
18、对电子器件的损害是人体觉察不到的,具有隐蔽性,需通过仪器才能检测出(见图5)。电子器件发生ESD事件,主要是各种静电源(人体、工作台等)对电子器件放电所致。在集成电路(integrated circuit)工业中,静电放电可以使集成电路芯片介质击穿,芯线熔断、漏电流增大加速老化、电性能参数改变等等。静电放电对电子器件损害具有潜在和缓慢失效性,这种情况危害更大。通常,ESDS(静电放电敏感器件)器件易发生静电放电,所以,受ESD的危害更大。今天,大多数电子器件采用对静电极为敏感的MOS工艺制作,因此,无论从器件的发展还是器件的应用出发,为了防止ESD对电子器件的危害,有必要对电子器件受静电危害的
19、机理以及相应的防护措施进行探讨。试图阐明电子器件ESD产生的原因,并对IC的ESD保护提供指导。14图图5 5 在在FESMEFESME和和TEMTEM两种仪器下看到的两种仪器下看到的PMOSPMOS上拉晶体管的硅损伤情况上拉晶体管的硅损伤情况 3.4.23.4.2、静电源、静电源由于各种原因(摩擦或静电感应),电子器件或其他物体(包括人体)会带静电,则这些带电物体(包括电子器件)称为静电源。在电子工业领域,人体是最常见的静电源,因人体接触电子器件导致的ESD事件频繁发生。可见,静电源是电子器件发生ESD事件必不可少的条件。所以,深入研究电子器件静电源的产生的根源显得非常有必要。3.4.2.1
20、3.4.2.1静电的产生静电的产生电子器件所处的环境中,存在着各种静电源。这些静电源是由物体带电所致,那么,物体又是如何带电?要弄清楚这个问题,就必须先谈谈静电产生的物理过程。静电(Electrostatic)就是物体表面过剩或不足的静止电荷。静电是一种能量,它留存于物体表面;静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果;静电是通过电子或离子的转移而形成的。15通常任何物体所有的正负电荷是等量的。当与其它物体摩擦、接触、并由于机械作用分离时,在一种物体上积聚正电荷,另一种物体上则积聚负电荷,在各物体上产生静电,并在外部形成静电场。两种物质相互摩擦是产生静电的一种方式,但不是唯一方式。像喷涂作
21、业水滴吸附空气中的负离子促成其表面双电层的形成,也可以产生静电。现代科学研究的结果表明:电效应、压电效应、导体(或电介质)的静电感应都可以产生静电。对于电子器件而言,静电产生的主要来源有两类:摩擦起电:电子器件在生产、包装过程中,因接触摩擦起电;静电感应:当电子器件的导体处在电场中,在其上感应出正(或负)的静电荷。3.4.2.2 3.4.2.2 电子生产使用环境中的静电源电子生产使用环境中的静电源电子工业中,摩擦起电和人体带电常有发生,如电子器件在生产及组装成电子设备的焊接、搬运与检测等工序中,难免相互碰撞和接触摩擦而形成很高的表面电位。再如操作者与大地绝缘时,人体的静电电位高达1.535kv
22、,无论是摩擦起电或是人体静电产生如此高之高的静电电位,均能招致耐压不高的电子器件毁坏或软击穿。实际上,人体和电子器件本身就是重要的静电源。除此之外,电子器件周围的环境中还存在其它静电源(比如,工作表面、包装袋等)。表1列举出电子工业生产环境存在的静电源。一旦这些静电源通过电子器件放电,ESD损害电子器件的事件就会发生。不同静电源所带的电量、产生的电压及对电子器件生产装配的影响也各不相同。以工作服为例,作业人员穿用的普通工作服(纯棉制)与工作台面摩擦时可产生0.210微库仑的电荷量,在服装表面能产生6000伏以上的静电电压并使人体带电。当人体与电子器件接触时,即可导致放电,造成器件电介质的击穿。
23、16 表表1 1 电子工业生产环境存在的静电源电子工业生产环境存在的静电源物体或工艺加工材料(用品)或活动工作表面封蜡、涂料或浸漆表面:工作台普通树脂或塑料面:工作椅地板塑料地板打蜡抛光木板普通乙烯树脂瓦服装普通清洁室工作服普通合成面料服装、手套非导电鞋纯棉软包装及操作普通塑料:袋、罩、封皮普通泡沫容器:泡沫材料装配、清洗、试验修理水雾清除器普通塑料焊料吸管带有不接地焊嘴的烙铁通过流体或蒸发或吹干芯片载体芯片板托架、盘工具类物流器具(用品)运转车存放柜高压设备产生静电感应电压并放电17表表2 2: 静电对部分电子器件的击穿电压静电对部分电子器件的击穿电压器件类型 ESD的最小敏感度 (以静电电
24、压V表示) VMOS 301800MOSFET 100200砷化镓FET100300EPROM100以上JFET 1407000SAW(声表面波滤波器) 150500运算放大器 1902500MOS2503000肖特基二极管 3002500SMD薄膜电阻器3003000双极型晶体管 3807800射极耦合逻辑电路 5001500可控硅 680100018电子器件要发生ESD事件,除了与静电源有关外,还与器件的敏感度有关。静电放电敏感器件可写成ESDS器件。电子器件和设备的静电放电敏感度,是以其能耐受得住的最大静电电压值来表征。表2列出了部分电子器件的击穿电压。从表2可以看到,ESD器件可被几十
25、伏的静电电压损害。3.4.33.4.3、ESDESD对电子器件的危害对电子器件的危害在电子器件生产过程中,静电放电可以改变半导体器件的电性能,造成器件的降级或损坏。尤其是静电放电对器件的损害具有潜在性缓慢失效,据有关资料统计表明,潜在性缓慢失效占电子器件静电放电失效总数的90,因此其危害极大。3.4.3.1 ESD3.4.3.1 ESD对电子器件侵害方式对电子器件侵害方式ESD对电子器件侵害方式主要有三种:静电源直接对电子器件放电;带电器件对其他导体的静电放电;场感应放电。、静电源直接对电子器件放电、静电源直接对电子器件放电 ESD事件常常发生在带电导体(包括人体)对ESDS的放电过程中。一般
26、的静电危害是人体或带电导体直接对ESDS放电造成。、带电器件对其他导体的静电放电、带电器件对其他导体的静电放电当静电放电敏感器件在操作过程中,或者与包装材料、机器表面接触后,就会积累静电荷。当器件在包装盒移动或震动时就会发生静电放电。这种放电情况,涉及的电容和能量不同于人体对ESDS器件的放电情况。在某些情况下,CDM事件比HBN事件所造成的危害更大。、电场感应放电、电场感应放电感应场可以直接或间接对地造成危害。因为任何带电体周围都存在静电场。如果ESDS器件进入静电场范围,就会因为感应而带电。如果器件在电场区域内接地,电荷转移到地的过程称为CDM事件。193.4.3.2 3.4.3.2 电子
27、器件的电子器件的ESDESD损伤的失效类型损伤的失效类型电子器件ESD损伤的失效类型分为突发性失效和潜在性失效。、突发性失效、突发性失效突发性失效是指当电子器件暴露在ESD环境中时,电路参数可能明显发生变化,它的功能可能丧失。ESD可能引起金属熔化,造成短路或者绝缘层击穿等,使器件的电路遭到永久性的破坏。这类失效可以在装运之前的成品测试中检查出来。据有关资料统计表明,在受静电损伤的电子器件中,突发性失效约占失效总数的 。、潜在性失效、潜在性失效潜在性失效是指当器件暴露在ESD环境中,可能引起器件性能的部分退化,但是部影响它发挥应有的功能。然而,器件的使用寿命大大缩短。这种损伤具有累加性,随着所
28、遭受的静电放电脉冲次数的加多,使器件的静电损伤电压阈值逐次降低,或使器件的参数缓慢变坏。据资料统计表明:潜在性失效占电子器件静电放电失效总数 。因此,电子器件的潜在性失效危害更大。为进一步直观的认识ESD对电子器件的潜在危害,下面结合电子器件的ESD失效模型进行阐述。10%90%如图6所示,MOS管的栅极可以认为是一个低电压(20v)、低漏电流的电容器。电容器主要是由源极金属化合物和栅极硅材料构成。硅氧化物栅极绝缘物质组成电容器绝缘体。20图图6 MOS6 MOS管的失效模型管的失效模型当源极和栅极的电压足够高,达到栅极绝缘层的击穿电压时,ESD对MOS管的损害事件就会发生。这时,静电放电的电
29、弧烧灼栅极绝缘层,留下一个微小的洞,造成电子器件的永久损伤。和任何电容一样,为达到规定的电压值,MOS管的栅极必须充电,达到一定的电荷量。相对尺寸较小的电子器件而言,尺寸较大的电子器件电容较大,单位电压需要较多电荷。因此,尺寸大的电子器件受ESD的影响要比尺寸小的电子器件小的多。213.4.43.4.4、电子器件发生、电子器件发生ESDESD的机理的机理3.4.4.13.4.4.1电介质(静电源)带电模型电介质(静电源)带电模型带电介质(静电源)可以通过各种途径对电子器件放电,譬如,人的手指(带静电)接触电子器件时,就可能导致ESD事件发生。所以,有必要对电介质带电特性进行研究。电介质带电时,
30、相当于被充电的电容器。假设带电介质的电容为C,放电前稳定的带电量为Q,电介质的电压为V,则有: (1)由公式(1)可知,在电介质电压V一定的情况下,电介质的电容量越大,其储存的电荷量就越多。换句话说,电容量大的电子器件,承担单位电压需要较多电荷。常见带电电介质所带电量为毫微库仑级,电容量为几十微微法,所以其静电电压较高。例如,某静电源的电荷量为0.6微库仑,其对地电容20微微法时,静电源的静电电压为3000伏。由此可见,静电源具有高电位、低电量的特点。CVQ 3.4.4.23.4.4.2、电子器件的、电子器件的ESDESD模型模型、人体模型、人体模型电子器件的ESD过程是一个非常复杂的随机过程
31、。产生静电放电的静电源多种多样,而且同一种静电源对于不同的电子器件放电产生的结果也不一样,所以ESD事件往往具有不可重复性。ESD事件的不可重复性给建立电子器件的ESD模型带来困难,要完全模拟静电放电的所有特征是不可能的。通常,根据不同静电源放电的主要特点,建立相应的ESD模型,来模拟静电放电的主要特征。根据静电源放电的z主要特征,电子器件的放电模型主要有3种。它们分别是:人体模型、机器模型和带电器件模型。22图图7 HBM7 HBM模型模型在上述三种ESD模型中,人体模型是最基本,也是建立其它两种放电模型的基础。所以,有必要对人体放电的规律进行研究。图7所示的电路是标准的人体ESD模型,用1
32、00pF的电容器串联1500 的电阻模拟人体放电。很容易计算出人体放电的电流瞬时值为: (2)式中,: 人体电压; R:人体电阻; C:人体对地电容。由于人体放电回路的时间常数很大,所以放电电流的波形呈脉冲状,电流幅值可达1安培以上(见图8)。RCtoeRUti/)(oU23图图8 HBM ESD8 HBM ESD短路电流波形短路电流波形 图图9 MM9 MM模型电路原理图模型电路原理图、机器模型、机器模型机器模型(Machine Model),简称MM。用来模拟带电导体对电子器件发生的静电放电事件。机器模型最初由日本人提出,试图产生“最严酷”的人体静电放电事件,因此机器模型也称日本模型。见图
33、9,机器模型的基本电路模型是,200pF的电容部经过电阻直接对器件进行放电。机器模型模拟导体带电后对器件的作用,如在自动装配线上的器件遭受带电金属构件对器件的静电放电,也可模拟带电的工具和测试夹具等对器件的作用。24、带电器件模型、带电器件模型随着器件生产和装配的现代化,人体接触器件的机会相对减少,电子器件本身在加工、处理、运输过程中可能因与工作面及包装材料等接触、摩擦而带电,当带电的电子器件接近或接触导体或人体时,就会产生进点放电。在生产线上由于带电器件静电放电对敏感电子器件造成的危害相对突出。如图10,通常永带电器件模型来描述带电器件发生静电放电现象。nH120pFpF图10 CDM模型
34、参数RLC = 0 , 0 ,253.4.5 3.4.5 电子器件静电防护原理电子器件静电防护原理电子器件在生产和使用过程中,不产生静电是不可能的。产生静电并非危险所在,危害在于静电的积累以及由此产生的静电放电。可以用RC放电电路来模拟静电源,设绝缘导体对地电容为C,绝缘电阻为R,所带起始电量为,则任意时刻t时导体表面的电荷 为 (3)QRCtoeQtQ/)(26第四部分第四部分 静电测试及分析技术静电测试及分析技术4.1 4.1 概述概述 这部分内容主要介绍电子设备、元器件等产品制造和使用过程中,防静电系统(包括:接地系统、地面、墙壁、工作台、台垫、工作椅、物流传递器具、包装用品、人体静电防
35、护用品、操作维修工具、离子风机等)的测试目的、原理及方法。4.1.1静电检测的作用静电检测的作用静电测试是整个静电防护工作中不可缺少的重要组成部分。为掌握静电起电放电的规律,了解生产、储运和技术保障过程中静电放电的情况,判断该过程中静电放电的危险性,确定静电危险场所,检验静电防护措施的效能以及分析静电事故,都必须进行静电测试。此外,在静电科研中以及静电应用的工艺设计、实验、施工、生产等过程中,也需要测试静电参数。为考核静电敏感电子产品的设计和制造质量,也需要对这些产品的静电敏感度进行测试。4.1.2 4.1.2 静电测试的目的静电测试的目的静电测试的目的可以归纳为以下几点:1、为静电防护工程设
36、计和改善产品自身抗静电性能提供依据;2、在实际运行条件下,判断人体、设备等是否可能成为静电放电危害源;3、检测静电防护器材(器具、工具、设备、材料)的抗静电性能和质量;4、评价静电防护措施的效果;5、当发生静电放电危害后进行模拟测试,分析事故原因,为采取有针对性的措施提供依据;6、评价静电敏感电子产品的设计和制造质量。274.1.3 4.1.3 静电测试的特点静电测试的特点静电测试与一般的强电或弱电测试相比,具有自身的特点,只有把握这些特点,才能选择好适宜的测试仪器,制定出合适的实验方法和程序,得出较准确的结果。 静电测试具有下列特点;1、静电测试仪器要具有小的输入电容和极高的输入电阻2、静电
37、测试结果往往与测试方法和测试电压等测试条件有关目前国内外静电测试方法标准化尚未全面完成,测试仪器多种多样,在实际工作中往往存在测试方法不统一,结果不一致,再现性差等问题。3、静电测试受各种环境条件的影响显著4、静电放电敏感度测试时对使用的模拟器输出波形要求较严格4.1.4 静电测试的主要内容静电测试的主要内容 1、基本参量测试2、防静电设施与器具性能测试3、包装材料静电性能测试4、人体静电参数测试5、织物与服装静电性能测试6、静电敏感度测试284.2 4.2 静电基本参量的测试静电基本参量的测试4.2.14.2.1静电电位(电压)的测试静电电位(电压)的测试静电电压是指带电体表面某点的静电位与
38、某一参考点(通常是指“地”)电位之间的差值。由于通常将地电位取为零,故带电体表面的静电电位值即代表了该处的电压水平。如果已知带电体对地电容和电量,根据 就可求出带电体的对地电压。CQU/1 1、导体电位测试、导体电位测试(1 1)测试仪器)测试仪器导体电位测试仪器主要分为两类:接触式静电电压表和非接触式静电电压表 、接触式静电电压表、接触式静电电压表 接触式静电电压表(静电伏特计)通常是利用静电力矩来进行测试的。常用的静电电压表,其型号、性能见表3。测试原理:利用等电位原理测试,把被测带电体用对地绝缘的电缆直接连在输入阻抗为 以上静电电压表的测量电极上,由(静电电压表)表头直接读出被测带电体的
39、电位,这种测试叫等电位测试法,也称接触式测量。 121029表表3 3常用的接触式静电电压表常用的接触式静电电压表1210.Rkv1010.Rkv1010.R型号名称级别量程特性Q2V静电伏特计1.030、75、150、750、1500、3000(v)20oC、RH90时,输入电阻输 入电容C30pFQ3V高压静电电压计157.5、15、30()1525 oC、RH85时,输入 电 阻 , 输 入 电 容 C12pFQ4V高压静电电压表1.020、50、100()20oC、RH85时,输入电阻, 输入电容C20pF30、非接触式静电电压表、非接触式静电电压表根据工作原理的不同,该类仪表主要分为
40、静电感应型和电离型两种。a、静电感应型的静电表面电位计简单的说,静电感应型仪表的原理是将测试探头靠近带电体,利用探头与被测试带电体之间产生的畸变电场测试带电体表面电位,实质上是对带电体表面电场的测试(见图18)。被测带电体CwTCbRbL图18 直接感应式仪表测试原理314.2.24.2.2、静电电量测试、静电电量测试 电量是反映带电体情况本质的物理量之一,它决定着带电体产生静电放电发生的概率。如果带电体为一个导体,可以通过接触式静电电位计先测出其静电电压,然后按照基本关系式 计算出基本电量。工程实际中,需要进行静电电量测试的物体多为带电的绝缘物体。绝缘物体所带电荷并不完全分布在表面上,在物体
41、内部也有电荷存在,所以需借助于法拉第筒来完成静电电量的测试。对于导体而言,法拉第筒同样适用。CUQ (1)测试设备法拉第筒、滚筒摩擦机(或其它标准规定的摩擦起电器具)、静电电量表(接触式静电电压表、电容器)。(2)测试原理和方法将被测物体按有关标准规定的摩擦器具和方法摩擦后,放入与静电电量表电气连接的法拉第筒内,测出带电量。(3)测试装置的工程实用数据 a、法拉第筒法拉第筒的实际应用往往受到限制。因此,也可以去掉内外筒的盖子,内筒的容积要大于带电体三倍以上,外筒的高度应比内筒高出10左右,内外筒间隙(即内筒的静电容)要视测试灵敏度的要求和测试仪表的测试范围而定。、绝缘支架绝缘支架电阻大于 ,例
42、如用聚四氟化物c、并联电容器泄漏电阻应在 以上,电容值应与静电电压表的量程匹配。、静电电压表输入电阻应大于 。(4)静电电量的计算121011410112101324.2.3 4.2.3 静电电容的测试静电电容的测试电容是与静电能量、静电电压、静电电量、静电时间常数等物理量有关的系统的重要参数之一。研究静电起电规律、判断静电能量的大小、确定静电源的安全电压以及分析产生静电事故的原因,都要确定设备、物料和人体的对地电容。因此,静电电容的测试非常重要。测试的方法主要有交流测试法和直流测试法两类。4.2.44.2.4电阻与电阻率的测试电阻与电阻率的测试电阻是与静电泄漏紧密相关的电气参数之一,电阻测试
43、包括绝缘电阻、接地电阻、静电接地电阻和静电泄漏电阻测试;电阻率测试包括表面电阻率和体电阻率的测试。1、绝缘材料电阻与电阻率的测试(1)绝缘电阻与电阻率的概念介质材料的试样上安放两个电极,在其间施加一定的直流电压U时,测量电极间就有电流I流过,电压U与电流I的比之,称作绝缘电阻R, 即 然而,电极间流过的电流I包括沿试样表面流动的泄漏电流 和穿过介质内部的电流 两部分。URISIVI33表面电阻 ,体电阻 ,则材料电阻R为表面电阻、体电阻的并联值,这三个电阻值均与测量电极 大小、形状有关,因此,给出测量结果时应同时表明测量电极的参数。为了定量描述材料的导电性质,摆脱测量值对测量电极参数的依赖关系
44、,引入了表面电阻率和体电阻率的概念。SSURIVvURI表面电阻率定义为单位宽度、单位长度材料的表面电阻值,即正方形材料两对边间的表面电阻值,单位为欧姆,其数值大小与正方形的几何尺寸无关4.3 4.3 防静电设施及器具静电性能测试防静电设施及器具静电性能测试防静电系统包括静电腕带、防静电服、防静电鞋、地面、接地设施、工作台、储物架、小推车等防静电设施用品,它们都是实施静电防护必不可少的物质手段。因此,对这些防静电设施进行静电性能测试,以确保投入使用时其性能合格,对静电防护效果四影响是直接而具体的。所测试的主要参数是接地电阻和表面电阻。测试的仪器包括地电阻测试仪、500V DC兆欧表、万用电表、
45、腕带测试仪、人体综合电阻测试仪等测试装置。测试所用电压依据被测试电阻而定。有的标准规定 ,当电阻 时,使用10V,当时,使用电压100V。5101XR5101XR344.3.1 ESD4.3.1 ESD防护腕带、鞋束(足跟带)静电性能测试防护腕带、鞋束(足跟带)静电性能测试在投入操作之前,当人体佩戴防静电腕带后,应当首先进行对地电阻测试。测试时,应确保腕带是佩戴于正常工作时的部位,将腕带连接导线的自由端接入测试的一个电极插孔(仪表的另一插孔接地),见图19,用手指按下接触板按钮,经15s待仪表稳定后读数。腕带对地电阻一般规定为 。75101105 . 7R图图19 测试佩戴腕带时测试佩戴腕带时
46、系统电阻系统电阻图图20 腕带内表面对电缆扣腕带内表面对电缆扣电阻测试电阻测试 35腕带内表面对电缆扣电阻(点对点电阻)将两测试电极分别接触内面和电缆扣与测试仪连接测量(见图20)腕带接地电缆两端电阻(点对点电阻)用测试电极连接电缆两端测试(见图21)图图21 21 腕带连接电缆系腕带连接电缆系统电阻测试统电阻测试4.3.2 ESD4.3.2 ESD防护工作服静电性能测试防护工作服静电性能测试工作服防静电的有效性直接依赖于它的表面电阻。要求工作服的设计应能保持其在穿着状态下与人体直接或间接接触,并自身具有较小的表面电阻值。1 1、防静电工作服对地电阻和表面电阻的测试、防静电工作服对地电阻和表面电阻的测试36一般要求工作服的表面电阻为 ,对地电阻为 ,其测试原理分别如图22和图23所示。测试电极为圆柱形,直径为50mm,重量2kg。85101105 . 7R5107.5 101 10R 图图22 服装对地电阻服装对地电阻测试原理图测试原理图图图23 23 服装表面(点对点)电服装表面(点对点)电阻测试原理图阻测试原理图374.3.3 4.3.3 防静电鞋电阻测试防静电鞋电阻测试防静电鞋也是提供人体静电泄漏通道的主要措施,且能在一旦腕带发生问题时,可以作为一种最基本的人体与大地
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