電氣安全技術(shù)

第三章靜電及其防護(hù)你知道嗎，你身上和你周?chē)蛶в泻芨叩撵o電電壓，幾百伏、幾千伏甚至幾萬(wàn)伏。特別是在干燥的季節(jié)當(dāng)你脫衣服或用手去觸摸金屬體時(shí)會(huì)產(chǎn)生電擊感，此時(shí)你帶靜電達(dá)幾千伏至幾萬(wàn)伏以上。靜電學(xué)是十八世紀(jì)以前以庫(kù)侖定律為基礎(chǔ)建立起的以研究靜止電荷及場(chǎng)作用規(guī)律的學(xué)科，是物理學(xué)中電磁學(xué)的一個(gè)重要組成部分。第三章靜電及其防護(hù)第一節(jié)靜電及危害第二節(jié)靜電防范

第一節(jié)靜電及危害一、靜電及其特點(diǎn)1、靜電靜電放電（ＥＳＤ--ElectroStaticDischarge）問(wèn)題是本世紀(jì)中期以來(lái)形成的以研究靜電的產(chǎn)生與衰減、靜電放電效應(yīng)和電磁效應(yīng)等的學(xué)科。當(dāng)兩種不同性質(zhì)的物體相互摩擦或緊密接觸后迅速剝離時(shí)，由于它們對(duì)電子的吸引力大小各不相同，就會(huì)發(fā)生電子轉(zhuǎn)移。一物失去部分電子而帶正電，另一物獲得部分電子而帶負(fù)電。如果該物體與大地絕緣，則電荷無(wú)法泄漏，停留在物體的內(nèi)部或表面呈相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，這種電荷就稱靜電。一、靜電及其特點(diǎn)日常生活中,特別是在冬天,我們常常會(huì)碰到這種現(xiàn)象:晚上脫衣服睡覺(jué)時(shí),黑暗中常聽(tīng)到噼噼啪啪的聲響,而且伴有藍(lán)光;見(jiàn)面握手,手指剛一接觸到對(duì)方的手,會(huì)突然感到指尖刺痛,令人大驚;早上起來(lái)梳頭時(shí),頭發(fā)會(huì)經(jīng)常“飄”起來(lái),越理越亂;拉門(mén)把手、開(kāi)水龍頭時(shí)都會(huì)“觸電”,時(shí)常發(fā)出啪啪的聲響,這就是發(fā)生在人體的靜電。人體靜電的存在影響著我們的生活、生產(chǎn)、工作等方方面面,所以我們深入探討人體靜電的知識(shí),以防止人體靜電帶來(lái)的損害,有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。

因?yàn)榇蠖鄶?shù)ＥＳＤ損害發(fā)生在人的感覺(jué)以下,因?yàn)槿梭w對(duì)靜電放電的感知電壓約為3ＫＶ，而許多電子元件在幾百伏甚至幾十伏時(shí)就會(huì)損壞，通常電子器件被ＥＳＤ損壞后沒(méi)有明顯的界限，把元件安裝在PCB上以后再檢測(cè)，結(jié)果出現(xiàn)很多問(wèn)題，分析也相當(dāng)困難。特別是潛在損壞，即使用精密儀器也很難測(cè)量出其性能有明顯的變化，所以很都電子工程師和設(shè)計(jì)人員都懷疑ESD，近年但實(shí)驗(yàn)證實(shí)，這種潛在損壞在一定時(shí)間以后，電子產(chǎn)品的可靠性明顯下降。

表一:人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的靜電

人體運(yùn)動(dòng)方式

靜電電壓(V)

相對(duì)濕度10%--20%相對(duì)濕度65%--90%在地毯上行走35,0001,500

在乙烯地板上行走12,000250

在工作臺(tái)上工作6,000100

乙烯基包裝產(chǎn)品7,000600

從工作臺(tái)上檢起聚乙烯20,0001,200

坐在帶有墊子的操作臺(tái)上18,0001,500從上面的表格可以看出:在不同的相對(duì)濕度下,相同的運(yùn)動(dòng)方式產(chǎn)生的靜電電壓相差一個(gè)數(shù)量級(jí)

隨著微電子工業(yè)制造技術(shù)的飛速發(fā)展，集成電路的集成度不斷提高，采用0.15~0.25mm制造工藝的CMOS和GaAs（砷化鎵）器件被廣泛使用，其耐擊穿電壓下限通常只有50V~100V。有著更高集成度的超高速、高頻IC器件，采用了特殊的制造工藝，如薄膜技術(shù)、淺PN結(jié)、GaAs材料、微小封裝等，其對(duì)ESD、電浪涌、機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力等更為敏感，有的VMOS器件耐壓只有30V。這就給含有上述靜電敏感器件產(chǎn)品的生產(chǎn)制造過(guò)程提出了更嚴(yán)格的靜電防護(hù)要求。二、靜電的產(chǎn)生靜電的產(chǎn)生

物質(zhì)都是由分子組成，分子是由原子組成，原子中有帶負(fù)電的電子和帶正電荷的質(zhì)子組成。在正常狀況下，一個(gè)原子的質(zhì)子數(shù)與電子數(shù)量相同，正負(fù)平衡，所以對(duì)外表現(xiàn)出不帶電的現(xiàn)象。但是電子環(huán)繞于原子核周?chē)?，一?jīng)外力即脫離軌道，離開(kāi)原來(lái)的原子核而侵入其他的原子B，A原子因缺少電子數(shù)而帶有正電現(xiàn)象，稱為陽(yáng)離子、B原子因增加電子數(shù)而呈帶負(fù)電現(xiàn)象，稱為陰離子。

靜電的產(chǎn)生方式摩擦、接觸（傳導(dǎo)）、分離、感應(yīng)、沖流、輻射、壓電、溫差、電解等都可能產(chǎn)生靜電固體、液體、粉末流體都可能產(chǎn)生靜電因?yàn)闅怏w也是由分子、原子組成，當(dāng)空氣流動(dòng)時(shí)分子、原子也會(huì)發(fā)生“接觸分離”而起電。所以在我們的周?chē)h(huán)境甚至我們的身上都會(huì)帶有不同程度的靜電，當(dāng)靜電積累到一定程度時(shí)就會(huì)發(fā)生放電。靜電產(chǎn)生的基本過(guò)程可歸納為：接觸→電荷→轉(zhuǎn)移→偶電層形成→電荷分離摩擦靜電序列＋（正極）:空氣→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人發(fā)→尼龍→羊毛→鉛→絲綢→鋁→紙→棉花→鋼鐵→木→琥珀→蠟→硬橡膠→鎳、銅→黃銅、銀→金、鉑→硫黃→人造絲→聚酯→賽璐珞→奧輪→聚氨酯→聚乙稀→聚丙稀→聚氯乙稀(PVC)→二氧化硅→聚四氟乙稀:－（負(fù)極）上述任意兩種介質(zhì)摩擦后前者帶正電，后者帶負(fù)電，且相距較遠(yuǎn)的兩種介質(zhì)通常比相距較近的兩種介質(zhì)所產(chǎn)生的摩擦電量大。但也不是絕對(duì)的，與材料表面清潔程度、環(huán)境條件、接觸壓力、光潔程度、表面大小、分離速度等有關(guān)。當(dāng)液體流動(dòng)時(shí)，流動(dòng)層的帶電粒子隨液體流動(dòng)形成流動(dòng)電流，異性帶電粒子留在管道中，如管道接地則流入大地，流動(dòng)的電荷形成電流。穩(wěn)態(tài)時(shí)，帶電粒子不斷被流動(dòng)液體所帶走，固定層電荷經(jīng)接地管道而被中和，此現(xiàn)象有點(diǎn)像電解。不同的親和力，擴(kuò)散與液體流動(dòng)的綜合作用取代了電解中的電場(chǎng)作用。影響電量大小與極性的因素有：1、液體種類及特性；2、管道材料及表面光滑度；3、流速、溫度、含水量和空氣、混合物及雜質(zhì)微粒。人體是最主要的靜電源之一人體的活動(dòng)使部分機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，每日耗熱量：4.18×107J＝10KWh，瞬間放電功率達(dá)90KW。人體對(duì)地電阻主要由鞋、襪、地面決定人體等效電容：100PF（電容有充放電效應(yīng)）人體等效電阻：1KW(~1.5KW)安全靜電電壓：100V（國(guó)標(biāo)SJ/T10630－95）。靜電的可利用之處：力學(xué)效應(yīng)——異性相吸，同性相斥靜電吸附特性已被廣泛用于靜電成像、復(fù)印、噴涂、植絨、除塵等實(shí)踐中。實(shí)踐證明由橡膠帶、皮革或合成材料制成的傳動(dòng)皮帶與皮帶輪或?qū)蜉嗛g發(fā)生摩擦和接觸分離時(shí)，不論皮帶輪或?qū)蜉喪怯梅墙饘俨牧现瞥傻倪€是金屬材料制成的，都會(huì)在皮帶和輪子上產(chǎn)生等量異號(hào)的靜電電荷。在橡膠、塑料、造紙、纖維等行業(yè)生產(chǎn)中的靜電有時(shí)可高達(dá)幾萬(wàn)伏甚至十幾萬(wàn)伏，如不采取適當(dāng)消除措施，則很容易導(dǎo)致電擊和火災(zāi)。2、電擊人在活動(dòng)過(guò)程中，由于衣著等固體物質(zhì)的接觸和分離及人體接近帶電體產(chǎn)生靜電感應(yīng)，均可產(chǎn)生靜電。當(dāng)人體與其它物體之間發(fā)生放電時(shí)，人即遭到電擊。因?yàn)檫@種電擊是通過(guò)放電造成的，所以電擊時(shí)人的感覺(jué)與放電能量有關(guān)，也就是說(shuō)靜電電擊嚴(yán)重程度決定于人體電容的大小和人體電壓的高低。由于靜電能量較小，所以生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的靜電所引起的電擊不會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生直接危害，但人體可能因電擊墜落或摔倒而造成所謂的二次事故。電擊還可能使工作人員精神緊張，妨礙工作。3、妨礙生產(chǎn)在某些生產(chǎn)過(guò)程中，如不消除靜電，將會(huì)妨礙生產(chǎn)或降低產(chǎn)品質(zhì)量。隨著滌綸、腈綸和錦綸等合成纖維的應(yīng)用，靜電問(wèn)題變得十分突出。例如，在抽絲過(guò)程中，每根絲都要從直徑百分之幾毫米的小孔擠出，產(chǎn)生較多靜電，由于靜電電場(chǎng)力的作用，使絲飄動(dòng)、粘合、糾結(jié)等，妨礙工作。在粉體加工行業(yè)，生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的靜電除帶來(lái)火災(zāi)爆炸危險(xiǎn)外，還會(huì)降低生產(chǎn)效率，影響產(chǎn)品質(zhì)量。例如，粉體篩分時(shí)，由于靜電電場(chǎng)力的作用而吸附細(xì)微的粉末，使篩目變小，降低生產(chǎn)效率。在塑料和橡膠行業(yè)，由于制品和輥軸的摩擦及制品的擠壓和拉伸，會(huì)產(chǎn)生較多靜電，如果不能迅速消散會(huì)吸附大量灰塵。靜電對(duì)電子設(shè)備損傷的兩種失效形式(1)硬損傷：又稱“突發(fā)性完全失效”、“一次性損壞”，約占10%表現(xiàn)為器件電參數(shù)突然劣化，失去原有功能。主要原因是靜電放電造成過(guò)壓使得介質(zhì)被擊穿，或過(guò)流使得內(nèi)部電路金屬導(dǎo)線熔斷、硅片局部融化等。硬損傷可通過(guò)常規(guī)的性能測(cè)試手段及時(shí)發(fā)現(xiàn)，相對(duì)軟失效而言危害要小得多。它曾使得電子工業(yè)年損失達(dá)上百億美元，這還不包括潛在的損失。(2)軟損傷：又稱“潛在性緩慢失效”、“多次損傷累積后失效”，約占90%。日本IC生產(chǎn)中的不合格器件有45%是由靜電造成的。受到軟損傷的器件，雖然當(dāng)時(shí)各類電參數(shù)仍合格，然而其使用壽命卻大大縮短了。含有這些器件的產(chǎn)品或系統(tǒng)，可靠性變差，可能會(huì)在后續(xù)過(guò)程中（直至最終用戶）繼續(xù)遭受ESD軟損傷或其它過(guò)應(yīng)力損傷積累而過(guò)早地失效。由于軟損傷是潛在的，運(yùn)用目前的技術(shù)還很難證明或檢測(cè)出來(lái)，特別是器件被裝入整機(jī)產(chǎn)品之后，因此具有更大的危害性。這些產(chǎn)品流入市場(chǎng)后的維護(hù)成本和造成的其它損失，將比在生產(chǎn)中發(fā)生的直接損失要放大幾十甚至上百倍！7、損傷實(shí)例：1、MotorolaMOS大規(guī)模集成電路－－CPU，老化11周。開(kāi)始未采用導(dǎo)電盒放置，拒收率為40×10－n，但從四周后用鍍鎳盒放置，則降為15×10－n，此實(shí)驗(yàn)跟蹤7個(gè)多星期，平均為18×10－n。2、國(guó)內(nèi)某廠生產(chǎn)CMOS電路篩選入庫(kù)后，抽檢發(fā)現(xiàn)有5%失效率，失效率模式為輸入漏電流增大。經(jīng)分析與ESD有關(guān)，該廠生產(chǎn)的CMOS電路在測(cè)試前后都放置在普通塑料盒內(nèi)，塑料上的靜電荷傳遞給CMOS電路。在測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)器件接觸人體或桌面上的接地金屬時(shí)就會(huì)引起放電，導(dǎo)致ESD損傷而失效，后來(lái)采用一系列ESD措施、改為防靜電盒，現(xiàn)象消失。靜電平均損失報(bào)告描述最小損失最大損失估計(jì)平均損失制造商4%97%16-22%分包商3%70%9-15%承包商2%35%8-14%用戶5%70%27-33%8.PC常見(jiàn)靜電敏感元器件1.微機(jī)結(jié)構(gòu)中的板卡類均為靜電敏感元件;如主板,網(wǎng)卡,擴(kuò)展卡等2.硬盤(pán)3.軟驅(qū)4.光驅(qū)，如：CD-ROM和DVD-ROM5.CPU6.調(diào)制解調(diào)器：Modem7.內(nèi)存條8.LCD9、靜電對(duì)老年人身體健康的影響由于老年人的皮膚相對(duì)比年輕人干燥以及老年人心血管系統(tǒng)的老化、抗干擾能力減弱等因素，因此老年人更容易受靜電的影響。心血管系統(tǒng)本來(lái)就有各種病變的老年人，靜電更會(huì)使病情加重或誘發(fā)室性早搏等心律失常。過(guò)高的靜電還常常使人焦躁不安、頭痛、胸悶、呼吸困難、咳嗽。

第二節(jié)靜電防范一、影響靜電的因素1、材料和雜質(zhì)的影響材料的電阻率，包括固體材料的表面電阻率對(duì)于靜電泄露有很大影響。電阻率小，不易積累靜電。雜質(zhì)對(duì)靜電有很大影響，一般雜質(zhì)有增加靜電的趨勢(shì)。2、工藝設(shè)備和工藝參數(shù)的影響接觸面積越大，雙電層正負(fù)電荷越多，產(chǎn)生靜電越多。管道內(nèi)壁粗糙、管道愈奮蹄草料不同時(shí)，產(chǎn)生的靜電多。3、環(huán)境條件的影響潮濕程度影響材料的導(dǎo)電性和保持靜電荷的能力。當(dāng)油料或粉體料由管道進(jìn)入罐體時(shí)，由于電容值的改變，使得靜電電壓升高。二、防止靜電的意義消除靜電引起的破壞,具有下列優(yōu)點(diǎn):1.提高產(chǎn)品的合格率.2.減少總成本.3.減少現(xiàn)場(chǎng)失效.4.提高產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性.5.保證人身安全.三、靜電的預(yù)防措施靜電控制的主要措施有：靜電的泄漏和耗散、靜電中和、靜電屏蔽與接地、增濕等。工業(yè)治造過(guò)程中，因作業(yè)環(huán)境、程序及材料的不同，所實(shí)施的靜電危害防治方法亦會(huì)有所不同。選用時(shí)必須考量現(xiàn)場(chǎng)治程環(huán)境、條件與限治，甚至經(jīng)費(fèi)、管理系統(tǒng)與人力素質(zhì)等因素。1.消除工作區(qū)域的靜電.減少或消除靜電產(chǎn)生的過(guò)程、維持過(guò)程和材料處于等電勢(shì)等2.使元件和流水線免于靜電場(chǎng)的干擾.做好ESD防護(hù)設(shè)計(jì)：器件選型、合理布線、設(shè)計(jì)保護(hù)電路等使靜電荷瀉放與中和：使用靜電導(dǎo)體、接地、電離器來(lái)瀉放與中和靜電，使用防靜電材料包裝和儲(chǔ)運(yùn)3、人體靜電防護(hù)

人體是最普遍存在的靜電危害源。對(duì)于靜電來(lái)說(shuō)，人體是導(dǎo)體，所以可以對(duì)人體采取接地的措施。（1）.使用防靜電地面/防靜電鞋/襪（靜電從腳導(dǎo)到大地）

通過(guò)腳穿防靜電性地面、地墊、地毯，人員穿上防靜電鞋襪，形成組合接地。（2）.佩戴防靜電腕帶并接地（靜電從手導(dǎo)到大地）通過(guò)手用以泄放人體的靜電。它由防靜電松緊帶、活動(dòng)按扣、彈簧軟線．保護(hù)電阻及插頭或夾頭組成。松緊帶的內(nèi)層用防靜電紗線編織，外層用普通紗線編織。上述兩項(xiàng)措施都是實(shí)用而有效的，應(yīng)視不同的場(chǎng)合選擇使用4.接地法:用以保證操作員,設(shè)備和零部件接地的方式來(lái)消除靜電.接地可以防止靜電的積累和形成靜電電壓.靜電危害防治方法中，接地是最有效且經(jīng)濟(jì)的方法。治程中因摩擦、感應(yīng)或傳導(dǎo)等方式產(chǎn)生靜電，若電荷蓄積在對(duì)地絕緣的金屬設(shè)備、導(dǎo)電性產(chǎn)品或人員身體上，則蓄積的電荷會(huì)在一次放電中將能量釋放。此類靜電放電為發(fā)生靜電危害事故之主要原因。其防治方法就是將所有具導(dǎo)電性的對(duì)象實(shí)施接地，并保持低的接地電阻，將蓄積在金屬設(shè)備、導(dǎo)電性產(chǎn)品或人員身體上的電荷迅速向大地散逸，以避免發(fā)生靜電危害事故。5、增加作業(yè)環(huán)境中空氣的相對(duì)濕度，在目前傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的治程中亦是常見(jiàn)的靜電危害防治方法。在高濕度（R.H.≥65﹪）環(huán)境中，若物質(zhì)表面具親水性，則容易吸附空氣中的水份，進(jìn)而降低物質(zhì)的表面電阻值，增加電荷散逸的速率，將電荷蓄積程度降至最低。這類物質(zhì)包括棉、紙及醋酸纖維素等。工廠治程中通常會(huì)采用加濕器、地面灑水、或水蒸氣噴出等方法，增加作業(yè)環(huán)境中空氣的相對(duì)濕度。若物質(zhì)表面為非親水性，則不易吸附空氣中的水份，致無(wú)法降低物質(zhì)的表面電阻值，因此不能增加電荷散逸的速率。6、靜電消除器利用高壓電在空氣中產(chǎn)生帶電離子。由于異性電荷會(huì)互相吸引而中和，離子可中和帶靜電物體的電荷，使其電荷蓄積程度降至最低，因此不會(huì)發(fā)生靜電放電。靜電消除器大致可分為被動(dòng)式、主動(dòng)式及輻射源式等三種。選擇靜電消除器時(shí)，必須考量作業(yè)環(huán)境因素才能發(fā)揮最大的靜電消除效果。一般而言，靜電消除器架設(shè)位置應(yīng)接近帶靜電物體而遠(yuǎn)離接地金屬對(duì)象，以發(fā)揮最大的靜電消除效果。此外，需注意因電離所產(chǎn)生臭氧的工業(yè)衛(wèi)生問(wèn)題，以及高壓電源與帶電體產(chǎn)生短路及放電所引發(fā)的工業(yè)安全問(wèn)題。7、抗靜電材料物質(zhì)所蓄積的靜電會(huì)經(jīng)傳導(dǎo)路徑向大地散逸。若傳導(dǎo)路徑為絕緣性材料（導(dǎo)電性低）則靜電散逸率低，若傳導(dǎo)路徑為