EMC知识--静电介绍

EMC知识--静电介绍
EMC知识--静电介绍
　　1静电是怎样产生的?
　　答: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，离开原来的原子儿而侵入其他的原子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。
　　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。
　　1人体身上的静电有多高?
　　答：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。
人体活动 静电电位(KV)
3 RH(10-20)％ RH(65-90)%
人在地毯上走动 35 15
人在乙烯树脂地板上行走　　 12 0.25
人在工作台上操作 6 0.1
包工作说明书的乙烯树脂封皮 7 0.6
从工作台上拿起普通聚乙烯袋　 20 1.2
从垫有聚氨基甲酸泡沫的工作椅上站起 18 1.5
　　答：除静电对人体电击外，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到几千伏/m)且频率非常宽，几十兆至几千兆以上。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对人体是不利的，所以应穿防静电服与防静电鞋，以及安装检测防静电服和防静电鞋效果的检测仪器与设备，在有条件时应安装静电检测报警装置。
　　1静电测量的主要参数有哪些? 其单位是什么？
　　1、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。
　　
　　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。
　　1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。
　　1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。
　　1电子工业的静电问题是如何的产生的?
　　静电是时时刻刻到处存在的，但是在二十世纪40－50年代很少有静电问题，因为那时是晶体三极管和二极管，而所产生静电也不如现在普遍存在。在60年代，随着对静电非常敏感的MOS器件的出现，静电问题也出现了，到70年代静电问题越来越来严重。80－90年代，随着集成电路的密度越来越大，一方面其二氧化硅膜的厚度越来越薄（微米－纳米），其承受的静电电压越来越低，另一方面，产生和积累静电的材料如塑料，橡胶等大量使用，使得静电越来越普遍存在，仅美国电子工业每年因静电造成的损失达几百亿美圆，因此静电防护已成为电子工业的隐形杀手。是电子工业普遍存在的＂硬病毒＂，在某个时刻内外因条件具备时就要发作。
　　1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）
　　通过防静电性地面、地垫、地毯，工作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.
　　
　　1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.
　　
　　1常用的防静电包装袋有哪些？
　　由具有导静电的塑料材料制成。该种材料由基材、全属镀膜层和热封层多层复合而成，这种材料应用范围很广，防静电效果非常好，唯一缺点是成本较高。
　　电子器件所能承受静电破坏的静电电压
器件类型 静电破坏电压(V) 器件类型 静电破坏电压(V)
VMoS 301800 OP-AMP 1902500
M0SFET 100200 JEFT 1401000
GaAsFET 100300 SCL　 6801000
PROM 100　 STTL 3002500
CMoS 2502000 DTL 3807000
HMOS 50500 肖特基二极管 3003000
E／DMOS 2001000 双极型晶体管 3807000
ECL　 3002500 石英压电晶体 ＜10000
　　从上表可见大部分器件的静电破坏电压都在几百至几千伏，而在干燥的环境中人体活动所产生的静电可达几千伏到几万伏
静电控制体现到设计中
要做到更为有效的ESD控制，首先在器件和产品的设计中，应充分体现静电防护的思想，在器件内部设置静电防护元件(ESD Protection Device)，尽量使用对静电不敏感的器件以及对所使用的静电放电敏感(ESDS, ESD-sensitive)器件提供适当的输入保护，使其更合理地避免ESD的伤害。
MOS工艺是集成电路制造的主导技术, 以金属－氧化物－半导体场效应管为基本构造元件。由于MOS器件中场效应管的栅、源极之间是一层亚微米级的绝缘栅氧化层，故其输入阻抗通常大于1000M ，并且具有5pF左右的输入电容，极易受到静电的损害。因此，在MOS器件的输入级中均设置了电阻-二极管防护网络，串联电阻能够限制尖峰电流, 二极管则能限制瞬间的尖峰电压。器件内常见的防护元件还有：电容、双极晶体管、可控硅整流器（SCR，见图1）等, ESD发生时，它们在受保护器件之前迅速作出反应，将ESD的能量吸收、释放，使被保护器件所受冲击大为降低。正常情况下，防护元件在其一次崩溃(First Breakdown)区内工作，不会受到ESD损伤，一旦外加电压或电流过量(Overstress)，进入二次崩溃(Secondary Breakdown)区的防护元件将受到不可逆转的损害，失去对器件的保护作用。
目前许多厂家已经研制出具有内部保护电路的器件，一系列相应的测试标准也已颁布执行，如MAXIM公司研制的模拟开关MAX4551,具有 15kV的ESD保护功能，它们必须在正常工作、停机模式和断电状态下,依据IEC1340-3-1人体模型（见图2）、IEC 1000-4-2空气间隙放电、IEC 1000-4-4快速瞬变(FTB)放电等标准，接受多项模拟ESD测试，确保符合IEC1000－4－2 Level 4 的要求。
整机产品设计时，可在ESDS器件最易受损的管脚处（例如Vcc和I/O管脚），根据被保护电路的电特性、可用的电路板空间决定加入抑制电路或隔离电路。以应用很广的瞬态电压抑制器（TVS）为例，当受到外界瞬态高能量冲击时，TVS以皮秒级的速度，将其瞬态电压保护二极管两极间的高阻抗变成低阻抗，吸收高达数千瓦的浪涌功率，使两极间的电压箝位于一个预定值，被保护器件可免受ESD的损伤。TVS具有响应时间快、瞬态功率大、漏电流低（＜1 A）、箝位电压易控制、体积小等优点，可有效地抑制共模、差模干扰，是电子设备ESD保护的首选器件。
此外,生产环境的防静电设计也是ESD控制的关键所在,设计的依据是电子器件绝缘膜耐静电击穿电压(Vesd)、整机中敏感器件的Vesd以及生产设备的耐静电性能。制造商必须定义和坚持一个特殊的ESD控制级别，该级别由生产过程中最为敏感的元件所决定，生产环境必须保障该级别的安全性。当不知道最敏感元件的级别时，制造商应该执行EIA-625 标准，它将ESD保护的工作区域定义为"安全区"，不包含可能产生高于200V的放电源。国际上已有多篇论文提出以二次崩溃电流做为静电敏感级别的判定依据，能够精确测量二次崩溃电流的传输线触波发生器(TLPG)也已成为ESD防护研发中的重要工具。
1微库＝1000000纳库”应为“1微库＝1000纳库”、“1微库＝1000000皮库