静电知识讲座(完整版)

详细介绍了静电产生原理,防静电措施,防静电材料及原理,及静电检测方式等。适合电子制造业从业人员参考学习。

ESD ESD ESD ESD

静电基础知识讲座

ESD

静电基础知识讲座ESD ESD

静电基础知识讲座

详细介绍了静电产生原理,防静电措施,防静电材料及原理,及静电检测方式等。适合电子制造业从业人员参考学习。

ESD(静电)是什么意思?ESD是代表英文Electrostatic Discharge即"静电放电"的意思 。ESD是本世纪中期以来形成的以研究静电的产生与衰减、静电 放电模型、静电放电效应如电流热(火花)效应(如静电引起的着 火与爆炸)及和电磁效应(如电磁干扰)等的学科。近年来随着科 学技术的飞速发展、微电子技术的广泛应用及电磁环境越来越复杂 ，对静电放电的电磁场效应如电磁干扰(EMI)及电磁兼容性( EMC)问题越来越重视。

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静电是怎样产生的?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。(如图所示)

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，而另一个物体得到 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。

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固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。为什么气体也会 产生静电呢？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。 我们都知道摩擦起电而很少听说接触起电。实质上 摩擦起电是一种接触又分离的造成正负电荷不平衡 的过程。摩擦是一个不断接触与分离的过程。因此 摩擦起电实质上是接触分离起电。在日常生活，各 类物体都可能由于移动或摩擦而产生静电。工作桌 面、地板、椅子、衣服、纸张、卷宗、包装材料、 流动空气。 另一种常见的起电是感应起电。当带电物体接近不 带电物体时会在不带电的导体的两端分别感应出负 电和正电。其它起电方式有：热电和压电

起电、亥姆霍兹层、喷射起 电等。

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HISTORY

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古代人类对静电的认识2500年前左右, 古希腊哲学家塔勒斯(Thales,640-546 B.C.)在研究天然磁石 的磁性时发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀(Amber)之后也有类似于磁石能吸引 轻小物体的性质。所以，塔勒斯成为有历史记载的第一个静电实验者。电这 个词起源于希腊语ελεκτρον(琥珀)。 公元三世纪,晋朝张华的《博物志》中也有记载：“今人梳头，解著衣，有随 梳解结，有光者，亦有咤声”这里记载头发因摩擦起电发出的闪光和噼啪之 声。

但直到16世纪，除了偶尔发现埃尔摩(Elmo)火外, 对静电别无其它记载。埃 尔摩火是发生在船桅杆上或其附近的发光现象。在航行于地中海上的水手中 间长久流传着一个“神火”的故事，他们在暴雨将来临的危急时刻，多次地 发现在桅杆尖上有一种不祥的火光，开始时水手们把它看做末日的来临。但 当他们多次平安脱险后，这火光反而变成了安慰的源泉。水手们把它命名为 圣.埃尔摩火，用来象征他们所信仰的圣徒埃尔摩的保护。

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现代静电技术的建立在二十世纪初，静电学也从从实验和科学阶段走向实际应用的阶段。但是应用面较窄，仅在静 电除尘方面有些应用。虽然1824年 Hohlfeld 第一次演示了静电收尘实验。但1907年Frederik G. Cottrell才制造了世界上第一台实际应用的静电除尘器用于捕集硫酸酸雾。静电除尘器在控制酸雾排 放的成功，迅速导致其在其它工业烟尘污染源中的应用。1922年Van de Graff发明了实用的静电起电 机。1923年Detroit Edison 公司安装了第一台静电除尘器。从此，静电除尘、静电喷涂、静电分离、 静电复印等取得了一定的地位。为现代静电技术的建立奠定了基础。在二十世纪中期，随着工业生产 的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用, 一方面，一些电阻率很高的高分子材料如塑料,橡胶等的 制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化, 使得静电能积累到很高的程度, 另一方面，静电敏感材 料的生产和使用, 如轻质油品, 火药, 固态电子器件等, 工矿企业部门受静电的危害也越来越突出, 静电 危害造成了相当严重的后果和损失。它曾使得它造成电子工业年损失达上百亿美元，这还不包括潜在 的损失。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。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。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罐, 抚顺某石化公司的航煤罐等 都因静电造成了严重火灾爆炸事故。二次世界大战后许多工业发达国家都建立了许多静电科研机构从 事静电研究。

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我国静电科研概况我国少数科研单位如从60年代末开始开展了一些静电研究工作,但在文化革命 期间中断了，到70年代~80年代国内有北京市劳动保护科学研究所、北京理工大 学、石化总公司、复旦大学等开展了较为系统和深入的静电研究工作特别是对石 油静电防护进行了大量而深入的研究。从80年代开始以来, 我国的静电研究发展 极为迅速。 1981年成立了中国物理学会静电专业委员会并召开了第一次全国静电 学术会议,全国性的和各地方的静电学术会议不断召开，静电研究和应用的范围也 越来越广,科研队伍不断壮大, 静电技术日益受到各级领导和全国科技工作者的重 视，1988年、1990年和1993年在我国北京,1997年在上海分别举办了四次国际性的 静电学术会议。

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WHY

WHEN

静电的了解知多少？HOW

WHERE

DO HOW MACH

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人体身上的静电有多高?在干燥的季节若穿上化纤衣服和绝缘鞋在绝缘的地面行走等活动，人体身上的静电可达 几千伏甚至几万伏。下表是在两种不同湿度条件下人体活动产生的静电电位。在干燥的季 节，人体静电可达几千伏甚至几万伏。静电电位(KV) 人体活动 RH(10—20)% RH(65—90)%

人在地毯上走动人在乙烯树脂地板上行走

3512

150.25

人在工作台上操作包工作说明书的乙烯树脂封皮 从工作台上拿起普通聚乙烯袋 从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起

67 20 18

0.10.6 1.2 1.5

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静电对人体有害吗？ 人体静电是否与癌症有联系？

除静电对人体电击外，作者近期的研究(国家自然科学基金资助项目)表 明，静电放电产生的电磁场强度很强(近场峰值电场可达几百伏/m到几kV/m)且 频率非常宽，几十兆至几千兆以上。作者认为这种强电磁场作用时间短但其强度 远比手机辐射的电磁场强，且人体活动多时放电的次数非常多(通常在2千伏以 下的放电人体是没有电击感觉的),其对人体的作用是不可忽视的。而人体静电 是否与癌症是否有联系，需进一步研究。但是人体长期遭受静电电击和这种强电 磁辐射的作用是不利的，所以应穿防静电服与防静电鞋，在有条件时应安装静电 检测报警装置。

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6.静电测量的主要参数有哪些? 其单位是什么？电荷量 静电的实质是存在剩余电荷。电荷是所有的有关静电现象本质方面的物理量。 电位、电场、电流等有关的量都是由于电

荷的存在或电荷的移动而产生的物理量。在科 研院所、高等院校、检测站和工矿企业等部门经常需要测量物体的电荷量或电荷密度。 表示静电电荷量的多少用电量Q表示，其单位是库仑C,由于库仑的单位太大通常用微 库或纳库 1库仑=1000000微库 1微库=1000000纳库 在测量粉体带电及其荷质比，测量防静电服的性能时都要测量其带电电荷量。 测量物体的带电电量从原理上说可用法拉第简和静电计及静电电容测量，但这种方法测 量繁琐，误差较大，而且对于非静电技术人员使用时更时因难。现有一种准确迅速测量 物体电荷量的专用仪器-EST111数字电荷仪/EST112数字电量表。使用极为方便，受到 广大科研单位和厂硫企业如全国各防静电服生产的好评。其使用单位有：西北纺织工学 院、劳动部劳保科学研究所、北京科技大学、中国矿业大学等。

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2 静电电压 由于在很多场合测量静电电位较容易，另一个常用的静电参数是静电电位 ，其单位为伏,但由于静电电压通常很高,因此常用一个较大的单位-千伏 (kV) 1kV=1000V 测量静电电压的仪表通常分为接触式和非接触式,对于测量有源带电体如静 电发生器(高压电源)等的静电电压常用接触式，测量这类静电可用Q- V系列静电表。但由于接触式仪器在与被测物体接触时会使带电物体的静 电放电，而使而电荷量减少或使带电物体的电容增加，这两个因素都将使 物体的静电电位降低，因而测出的结果与物体真实带电情况相差较大，所 以这在测量许多物体的静电电压时更常用的方法是用非接触式静电电压表 ，这种仪表在测量时不与初测物体任何接触，因而对被测量物体的静电影 响很小，常用的仪表有EST101型防爆静电电压表，这种仪表不但在一般场 所能准确迅速测量出物体的静电电压，而且可在对防爆要求很高的场所使 用，其重量轻、体积小，价格也很低，因而在国内得到广泛使用，如全军 各油库、弹药、火工品、石油、化工、纺织、造纸、橡胶、印刷、计算机 等行业等。其它的一些物理量还有电场强度等

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电子器件所能承受静电破坏的静电电压

器件类型 VMoS M0SFET GaAsFET PROM CMoS HMOS E/DMOS ECL

静电破坏电压(V) 30~1800 100~200 100~300 100 250~2000 50~500 200~1000 300~2500

器件类型 OP-AMP JEFT SCL STTL DTL 肖特基二极管 双极型晶体管 石英压电晶体

静电破坏电压(V) 190~2500 140~1000 680~1000 300~2500 380~7000 300~3000 380~7000 <10000

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静电对电子产品损害有哪些形式?

静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。 这三种特性能对电子元件的三种影响： 1.静电吸附灰尘，降低元件

绝缘电阻(缩短寿命)。 2.静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。 3.静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤(潜在损伤)。 4.静电放电产生的电磁场幅度很大(达几百伏/米)频谱极宽(从几十兆到 几千兆),对电子产器造成干扰甚至损坏(电磁干扰)如果元件全部破坏，必能在生产及品管中被察觉而排除，影响较小，如果元件轻微受 损，在正常测试下不易发现，在这种情形下，常会因经过多层之加工，甚至已在使用 时，才发现破坏，不但检查不易，而且其损失亦难以预测。要耗费多少人力及财力才 能清查出所有问题，而且如果在使用时才察觉故障，其损失将可能巨大。

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静电对电子产品损害有哪些特点？1. 隐蔽性 人体不能直接感知静电除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有 电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为2-3 KV,所以静电具有隐蔽性 。 2. 潜在性 有些电子元器件受到静电损伤后的性能没有明显的下降，但多次累加放电会给器 件造成内伤而形成隐患。因此静电对器件的损伤具有潜在性。 3. 随机性 电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个元件产生以后，一 直到它损坏以前，所有的过程都受到静电的威胁，而这些静电的产生也具有随机 动性性。其损坏也具有随机动性性。 4.复杂性静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、 费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。即使如此，有些静电损 伤现象也难以与其他原因造成的损伤加以区别，使人误把静电损伤失效当作其他失效。 这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不 自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。

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经典静电学基础理论的建立1.电学之父Willian Glbert(英国人，1540-1603)重复了塔勒斯的实验。 发现钻石、蛋白石和蓝 宝石摩擦之后也有象琥珀样吸引其它轻小物体的性质,他把这些用摩擦能带电的物质叫为“摩擦 起电物体(Electrics)”。而把摩擦不能带电的物体叫“非摩擦起电物体(no-electrics)”。 Gilbert被称为是电学之父。 2.不久，Otto Von Guericke (1602-1686, 德国人)发现电的排斥现象。如果把带电棒接近金属屑时， 它们开始吸引，然后排斥。1678年Guericke制造了第一个摩擦静电起电机 3.Stephen Gray (1666-1736,英国人), 在1720年发现丝绸, 干木材, 毛发经摩擦也能起电。 4.Charles Du Fay (1698-1739, 法国人)1733年重复了Gray的许多实验之后发现绝缘起来的金属也 可以摩擦起电。 5.富兰克林

(Benjamin Franklin ,1706-1790)做了许多实验后认为有两种电荷存在, 即正电荷 和负电荷。

6.Ewald (1700-1746, 德国人) 于1745年发明了莱顿瓶(Leyden Jar)。7.John Clanton (1718-1772)受富兰克林研究工作的启发, 在1753年发现了带电体会使接近它的金 属体的电荷迁移。即未带电的导体接近带电体时,靠近带电体这端带的电荷与带电体的电荷的极 性相反，而另一端带的电荷与带电体的电荷的极性相同。

8.1775年伏特(Alessandro Volta,1745-1827,意大利物理学家)发明了静电感应起电盘,他利用静电感应起电盘能使导体产生很高电压的静电。

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哪些电子工业过程会产生静电危害?元件从生产到使用的整体过程中都会产生静电，依各阶段的可分为：

1.元件制造过程在这个过程，包含制造，切割、接线、检验到交货。

2.印刷电路版生产过程收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货。

3.设备制造过程电路板验收、储存、装配、品管、出货。

4.设备使用过程收货、安装、试验、使用及保养。

5.设备维修过程在这整个过程中，每一个阶段中的每一个小步骤，元件都可能遭受静电的影响，而实际上，最主要 而又容易疏忽的一点却是在元件的传送与运输的过程。在这整个过程中，不但包装因移动容易产生 静电外，而且整个包装容易暴露在外界电场(如经过高压设备附近，工人移动频繁、车辆迅速移动等) 而受到破坏，所以传送与运输过程需要特别注意以减少损失，避免无谓之纠纷。 所以，从元件的制造，使用到维修的任一环节都有可能发生静电损害。 静电对电子产品的损害特点与癌症对人类的损害类似，所说以静电已成为电子工业的隐形的致命杀 手一点也不过分

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什么是静电敏感度？静电敏感度是如何分类的？为定量描述不同元件的相对敏感程度进行敏感度分类。敏感层次分为多层次是为制定先进的ESD防 护措施提供原始资料，这些措施用于对更敏感器件的广泛的防护。 到目前为止，大部分敏感度试验都是以人体模型为根据以便使得结果与其它模型相关。试验大批管脚 和极性的静电放电是非常昂贵的。

敏感类别

敏感电压阈值(V)

1类2类

0 - 19992000 - 3999

3类

4000 - 15999

敏感电压阈值大于16000V的产品，属于非敏感产品。按照GJBl649—93的规定，组件设计应能为最敏感的元器件提供最低2000V的静电放电设计保护；整 机设计应能为最敏感的元器件提供最低4000V的设计保护。按照上述规定，组件应达到II类，整机应 达到III类。至于元器件，尽管防护设计有相当成效，但因为受到结构设计微小型化和产品基本构造原 理的局限，毕竟只能将敏感电压阈值提高到一

定程度。另一方面，该电压阈值还与制造工艺密切关注 ，故每批产品均需进行分类试验。

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如何控制人体静电(人体静电防护)?人体是最普遍存在的静电危害源。对于静电来说，人体是导体，所以可以对人体采取接 地的措施

1.使用防静电地面/ 防静电鞋/ 袜(静电从脚导到大地)通过脚穿防静电性地面、地垫、地毯，人员穿上防静电鞋袜，形成组合接地。

2.佩戴防静电腕带并接地(静电从手导到大地) 通过手用以泄放人体的静电。它由防静电松紧带、活动按扣、弹簧软线.保护电 阻及插头或夹头组成。松紧带的内层用防静电纱线编织，外层用普通纱线编织。上述两项措施都是实用而有效的，应视不同的场合选择使用.

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防静电鞋与腕带使用中人体安全问题仅从防静电的角度考虑时，人体总的对地电阻越小越好，但最小值受到安全方面的限制，人体 必须具有一定值的对地电阻，以便万一发生金属设备或装置与工频电源短接的情况下该电阻能 够限制流过操作的人体上的电流。最小值不应小于105Ω,通常腕带的限流电阻在1MΩ,防静电 鞋的最小电阻应不应小于105Ω,最大不超过10 9Ω.

防静电鞋与腕带的使用中要注意哪些问题?使用腕带操作时不允许断开，否则会失去接地作用 。各种腕带使用的主要问题是开路，有时是 临时性的，有时是长时间断开，使失去接地作用。有的人因此使用腕带检测器测量其通断状态 ，有的用监测仪器测量腕带的开路及电阻变大。 腕带扣得不紧造成人体皮肤与腕带的接触电阻变大 有些腕带的电阻就是带子本身的，当带触及地时使其电阻大大减小，有可能因此造成对人体电 击的危险。 有些自称是无线的腕带，其效果远不如有线的好。 防静电鞋在穿用时应有防静电袜/鞋垫，并在防静电地面上工作才能使人体所带的静电导到大地 ，任何一部分电阻过大或断开都会使人体带上危害的静电。所以在重要的部门应有人体电阻测 试仪随时检测人体所穿的鞋/袜/鞋垫及与人体的总电阻是否能起到泄漏静电的要求。 腕带应用专门的带插座的接地线与地连结，不能夹在桌面或桌边的金属体上，因为这些金属体 对地的电阻可能很大。 要经常检查腕带的电阻.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/1gnm.html