楊志丹，張治杰

（海裝天津局 北京 100076）

0 引言

1 靜電起放電機(jī)理及靜電危害分析

任何兩種不同的物體或處于不同狀態(tài)的同一種物體，發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，當(dāng)這種不平衡的電荷產(chǎn)生了可以測量到的電場，這形成了物體的靜電帶電現(xiàn)象即靜電起電（electrostatic electrification）。帶靜電荷的物體通常稱為靜電源，當(dāng)帶電體周圍的場強(qiáng)超過周圍介質(zhì)的絕緣擊穿場強(qiáng)時，導(dǎo)致介質(zhì)電離而使帶電體電荷瞬間部分或全部消失的現(xiàn)象，即靜電放電（ESD）。靜電放電能夠改變半導(dǎo)體器件的電性能，也能擾亂電子設(shè)備的正常操作，進(jìn)而引起故障或損壞。

1.1 靜電起、放電過程

靜電產(chǎn)生與材料的電阻率、接觸面積、分離速度及環(huán)境濕度有關(guān)。電阻率越高，越易積聚電荷，靜電位越高，越不易泄漏。環(huán)境濕度對靜電產(chǎn)生的影響也很大，濕度為10%～20%時，產(chǎn)生的靜電要比濕度為70%～80%時高8%～40倍。靜電放電損傷主要是帶電體對器件的直接放電和電場感應(yīng)放電兩種情況。盡管決定一個物體帶電、放電的因素很多，但主要有下面幾個過程。

(a) 接觸— —分離起電、放電

它的起電主要指固體與固體之間的接觸——分離起電，就是指兩種不同的固體緊密接觸、分離以后在分離面上產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移，一些電子從疏電子類的物質(zhì)向親電子類的絕緣物質(zhì)轉(zhuǎn)移，帶上符號相反、電量相等的電荷，與之相似的靜電起電有剝離起電、破裂起電、電解起電等。當(dāng)該帶電體接觸靜電放電敏感器件時就發(fā)生ESD事件。

(b) 電場感應(yīng)起電、放電

靜電敏感器件進(jìn)入靜電場，就因感應(yīng)發(fā)生電荷再分布而帶電。例如帶電的靜電場使鄰近的導(dǎo)體極化。若感應(yīng)電荷有一個放電通路，則發(fā)生靜電放電。

(c) 溶性起電、放電

馬尾大橋跨江段主橋分左右幅，采用雙向八車道，橋面寬度42.5 m，設(shè)計荷載等級為城市-A級，抗震設(shè)防烈度等級為Ⅶ度。馬尾大橋主橋橋型布置如圖1所示，主跨采用240 m空腹式鋼-混凝土混合變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，其余各跨均采用變截面連續(xù)混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，主橋橋跨布置為795 m。

溶性起電可以使相對無害的電壓增大到危險的程度。電容器的儲存電量公式Q=CU（電荷量Q等于電容C乘以電壓U）顯示了電荷量與電壓的關(guān)系：當(dāng)電荷量為常數(shù)時，電容減小將導(dǎo)致電壓增高。這樣，如果一個與地之間有較大電容的器件帶有無害的低電壓，當(dāng)器件移動到對地較遠(yuǎn)的距離時，則電容C變小，這個電壓就可能上升為有害電壓。例如當(dāng)你拿起一個位于地板上的器件時，你就減小了它與地板之間的電容，從而升高電壓，此時，若將這個器件接地，它就可能因發(fā)生靜電放電而損壞。

1.2 靜電及靜電放電對電子產(chǎn)品損害原因

靜電對電子產(chǎn)品的危害具有普遍性、隨機(jī)性和隱蔽性的特點。靜電能吸附灰塵，降低器件絕緣電阻，導(dǎo)致產(chǎn)品損傷。電子元器件接觸或接近超過其靜電放電敏感閾值的帶電體，就可能發(fā)生ESD損傷，而且靜電還可以在任何兩種物體接觸分離的條件下產(chǎn)生，故靜電對電子元器件的損傷可能發(fā)生在產(chǎn)品的加工制造、使用、維護(hù)的任一環(huán)節(jié)，故具有普遍性和隨機(jī)性。人在操作過程中會帶上靜電，發(fā)生ESD時，人體一般無感覺，而電子元器件卻在人們不知不覺中受到損傷，因而有隱蔽性。其產(chǎn)生的影響原因如下：

(a) 放電電流或放電功率導(dǎo)致的損傷。如靜電放電時，導(dǎo)致半導(dǎo)體局部結(jié)溫度接近材料的熔融溫度，形成熔融短路故障；靜電放電使元器件的溫度升高，導(dǎo)致金屬化層熔化或鍵合引線燒熔故障；靜電放電形成半導(dǎo)體結(jié)區(qū)局部高溫，致使結(jié)的參數(shù)發(fā)生變化。

(b) 放電電壓導(dǎo)致的損傷。由于靜電放電，加在元器件絕緣區(qū)的電壓超過介質(zhì)固有的擊穿電壓時，會發(fā)生介質(zhì)擊穿。這種失效主要由于電壓而不是功率造成的。如果脈沖能量不足以使擊穿的材料融化，該元器件可以在電壓擊穿后恢復(fù)。然而，這種事故后，會呈現(xiàn)出較低的擊穿電壓和增加漏電電流，盡管元器件沒有失效，但形成潛在缺陷，繼續(xù)使用會導(dǎo)致失效。

(c) 靜電放電產(chǎn)生的電磁場幅度大、頻譜寬，對電子產(chǎn)品造成電磁干擾甚至損壞。

如果器件全部破壞，必能在生產(chǎn)及檢驗中被發(fā)現(xiàn)而排除產(chǎn)生的影響較小，如果元器件輕微受損，在正常測試下不易發(fā)現(xiàn)，在使用時才發(fā)現(xiàn)破壞，不但檢查不易，要耗費大量人力及財力才能查清所有問題，而且其損失也難以預(yù)測。

2 靜電放電防護(hù)原則與具體控制措施

從前面的分析可知靜電是在任何時間、任何地點都可能產(chǎn)生，當(dāng)靜電積累到一定程度時就會發(fā)生放電而帶來危害。要完全消除靜電幾乎不可能的，但通過采取正確和適當(dāng)?shù)撵o電防護(hù)和控制措施，就可以消除或控制靜電的發(fā)生，或控制把靜電在不造成危害的程度內(nèi)。

2.1 防護(hù)原則

靜電形成危害要同時具備3個條件：產(chǎn)生并積聚足夠的靜電、靜電場內(nèi)有靜電敏感的電子器件、靜電源與靜電易損件間的耦合能量大于靜電敏感度。因此，要針對這3個方面制定防護(hù)原則。

2.1.1 抑制起電

一是采用等電位外殼將防護(hù)的物件包圍起來，使內(nèi)部的物件也具有相等電位，不受外部靜電放電的影響，即使屏蔽殼帶有大量的靜電電荷，放電現(xiàn)象也只在殼外發(fā)生，內(nèi)部物件不受影響。防靜電包裝袋、儲物盒等可移動物采用這種方法。二是利用空氣中的帶電離子來中和物體表面的靜電電荷。對于有絕緣要求的非金屬物體表面，不能用屏蔽方法，對于金屬表面又不能接地的，一般采用這種方法。濕度較高的空氣環(huán)境（40%～80%）具有靜電中和作用。離子風(fēng)機(jī)是專門向空氣中散發(fā)帶電離子的設(shè)備，也能夠有效地中和物體表面的靜電電荷。三是減小摩擦起電的可能性。如防靜電材料選用不易摩擦起電的材料。

2.1.2 控制積聚

通過接地連接將防靜電物體的表面與大地等電位，使因磨擦或感應(yīng)等原因產(chǎn)生的靜電電荷通過靜電接地泄放到大地中。如通過防靜電地墊、防靜電工作臺、防靜電椅子、防靜電腕帶、防靜電鞋及防靜電劑等控制積聚。

2.2 靜電放電控制措施

應(yīng)用上述方法，可以采取相應(yīng)的措施，達(dá)到防護(hù)和控制的目的。

2.2.1 建立防靜電環(huán)境

在有防靜電要求的環(huán)節(jié)，建立靜電防護(hù)環(huán)境。靜電防護(hù)系統(tǒng)一般采用如下措施：一是采用等電位搭接的方法，即將所有表面——防靜電地面、防靜電桌面、防靜電柜板面、防靜電座椅、防靜電車臺面、防靜電腕帶與人體接觸面等連接在一個可靠的接地體上，這些表面均使靜電荷積累減小，并且可使電荷以受控制的方式泄入到大地的材料，這樣防止不同物體之間產(chǎn)生電位差并且可以有效泄放靜電電荷。二是采用防靜電周轉(zhuǎn)箱、防靜電包裝袋防止起電。三是采用防靜電服裝、防靜電鞋，一方面有效抑制靜電荷的產(chǎn)生，另一方面當(dāng)它們與地接觸時，還可實現(xiàn)靜電荷的泄放功能。運(yùn)用防靜電劑噴涂在物體表面也可有效抑制靜電荷的積累。四是使用離子風(fēng)靜電消除器和控制適宜的濕度來消除絕緣材料表面的靜電荷。五是采用測量監(jiān)控的方法，利用靜電檢測儀表檢測人體是否帶有靜電，監(jiān)測防靜電設(shè)施是否正常。

在整個靜電防護(hù)系統(tǒng)中，關(guān)鍵是系統(tǒng)接地，防靜電接地應(yīng)定期檢查。首先是接地體的接地，靜電接地最好采用獨立的接地體，接地體的接地電阻越小越好，最大不得大于4Ω。當(dāng)靜電接地與設(shè)施接地合用一個接地體時，要求單點接地，各子系統(tǒng)接地的母線之間應(yīng)互相絕緣。靜電接地不允許和雷電接地合用一個接地體。其次是防靜電裝備的接地，防靜電地面、防靜電桌面、防靜電車、防靜電椅、防靜電腕帶等接地時應(yīng)串聯(lián)一個1MΩ的電阻后,再與接地體連接,使得地面、桌面、車臺面、椅面以及腕帶與人體皮膚的接觸面的對地電阻值為1066～1099Ω之間。原因是靜電泄漏速率取決于材料表面電阻及其介電常數(shù)。電阻率在1011～1015Ωcm的材料易產(chǎn)生靜電，且不易泄漏。電阻率在108Ωcm以下的材料不易產(chǎn)生靜電，即使產(chǎn)生靜電也較快泄漏，是靜電良導(dǎo)體。但電阻不能太低，太低有使人觸電的危險，并且還會因為泄漏電流大而損壞電器元件，故防靜電電阻控制在106～1099Ω范圍內(nèi)。

2.2.2 設(shè)計和生產(chǎn)過程中的防護(hù)措施

一是產(chǎn)品在設(shè)計階段，應(yīng)對可能產(chǎn)生的靜電放電失效或性能降低問題進(jìn)行分析，要求設(shè)計人員使用低敏感度的器件，同時進(jìn)行ESD防護(hù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，在電路上采取保護(hù)措施。二是在生產(chǎn)過程中為了盡量少地產(chǎn)生靜電荷，應(yīng)從工藝流程、材料選擇、設(shè)備安裝和操作管理等方面采取措施，控制電荷的產(chǎn)生和積聚，抑制靜電放電的強(qiáng)度，使之不超過危害的程度。

2.2.3 操作人員落實防護(hù)措施

凡進(jìn)入放靜電區(qū)域的人員必須穿著防靜電服和防靜電鞋；不準(zhǔn)在操作靜電敏感產(chǎn)品的現(xiàn)場穿上或脫去工作服（應(yīng)在指定的更衣場所進(jìn)行更衣）；接觸具有防靜電要求產(chǎn)品和元器件的人員必須佩戴防靜電腕帶，并在防靜電工作臺上進(jìn)行操作；應(yīng)制定防靜電的培訓(xùn)計劃，以確保所有操作靜電敏感器件、產(chǎn)品的人員得到必要的培訓(xùn)，并達(dá)到熟練的程度。

綜上，靜電放電的發(fā)生是不可避免的，但靜電放電的危害是可以預(yù)防的。只要有效防護(hù)設(shè)施，人員培訓(xùn)、管理到位，靜電損傷就可以避免，電子裝備的可靠性就可以提高。

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