电子产品的静电防护（上）
一、概述
在人们的日常生活和工作中, 经常会遇到静电现象。那么, 静电到底是什么, 它的产生机理以及它
有哪些危害, 如何预防和消除这些危害, 这是我们必须考虑和解决的问题。
1． 什么是静电？
静电是一种电能，它存在于物体表面，是正负电荷在局部失衡时产生的一种现象。静电现象是指电
荷在产生与消失过程中所表现出的现象的总称，如摩擦起电就是一种静电现象。
2． 为什么要防静电？
由于电子行业的迅速发展，体积小、集成度高的器件得到大规模生产，从而导致导线间距越来越小，绝缘膜越来越薄，致使耐击穿电压也愈来愈低。而电子产品在生产、运输、储存和转运等过程中所产生的静电电压却远远超过其击穿电压阈值，这就可能造成器件的击穿或失效，影响产品的技术指标，降低其可靠性。由此可见，静电是电子行业发展中的一大障碍。所以预防静电必须提到议
事日程上来，以确保产品的质量。
为使电子器件及产品在购买、入库、发料、检验、储存、调测和安装等过程中免受静电危害,了解
静电产生的机理和一些防止静电产生危害的相关知识是非常必要和重要的。
二、电子行业中静电障害的形成
电子行业中静电障害可分为两类：一是由静电引力引起的浮游尘埃的吸附；二是由静电放电引起的
介质击穿；
1． 静电吸附
在半导体元器件的生产制造过程中, 由于大量使用了石英及高分子物质制成的器具和材料，其绝缘度很高，在使用过程中一些不可避免的摩擦可造成其表面电荷不断积聚, 且电位愈来愈高。表1列
出了半导体元器件及其使用环境中部分物品表面的静电电位。
表 1
名 称 静电电位
芯 片 5.0(kV
工作台表面 35(kV
操作人员 100(kV
从表1可见，它们的静电电位都很高。由于静电的力学效应，在这种情况下, 很容易使工作场所的浮游尘埃吸附于芯片表面，而很小的尘埃吸附都有可能影响半导体器件的良好性能。所以电子产品的生产必须在清洁环境中操作，并且操作人员、器具及环境必须采取一系列的防静电措施，以防止
和降低静电危害的形成。
2．介质击穿的分类
由静电引起元器件的击穿是电子工业中静电危害的主要方式。在强电场中，随着电场强的增强，电荷不断积累，当达到一定程度时，电介质会失去极化特征而成为导体，最后产生介质的热损坏现
象，这种现象称为电介质的击穿。介质击穿分热击穿、化学击穿和电击穿三种形式。
（1）热击穿 介质工作时，当损耗产生的热量大于介质向周围散发的热量时，介质的温度迅速升高，导电随之增加，直至介质的热损坏。可见热击穿的核心问题是散热问题。所以热设计是产品设
计的重要环节之一。
（2）化学击穿 在高压下，强电场会在介质表面或内部的缺陷小孔附近产生局部空气碰撞电离，引
起介质电辉，生成化学物质--臭氧和二氧化碳，使绝缘性能降低，致使介质损坏。
（3）电击穿 电击穿是介质在强电场作用下, 被击发出自由电子而引起的。自由电子随电场强度的增加而急剧增加，从而破坏介质的绝缘性能。可见电击穿的本质是电荷积聚所致, 因而防止电荷积聚就可防止电击穿。一般把击穿的临界电压称为击穿电压, 临界场强称为击穿场强。例如: E空气
= 3 kV/m, MOS管结构的E栅氧化摸 = 1.0×106kV/m。
3．静电的击穿与放电
（1）静电放电 静电放电与外加稳定电源产生的放电虽然同为电荷积聚所致，但又有着明显的区别。首先，在静电放电的情况下，起放电电源是空间电荷，因而它所储存的能量是有限的，不像外加电源那样具有持续放电的能力，故它仅能提供短暂发生的局部击穿能量。虽然静电放电的能量较
小, 但其放电波形很复杂，控制起来也比较麻烦。半导体器件的软击穿就与它有关。
（2）静电击穿 由静电击穿引起的元器件击穿损坏是电子工业中，特别是电子产品制造中最普遍、
最严重的危害。
静电放电可能造成器件硬击穿或软击穿。硬击穿是一次性造成器件的永久性失效，如器件的输出与输入开路或短路。软击穿则可使器件的性能劣化，并使其指标参数降低而造成故障隐患。由于软击穿可使电路时好时坏（指标参数降低所致），且不易被发现，给整机运行和查找故障造成很大麻烦。软击穿时设备仍能带\"病\"工作，性能未发生根本变化，很可能通过出厂检验，但随时可能造成再次失效。多次软击穿就能造成硬击穿，使设备运行不正常，既给用户造成损失，也影响厂家声誉
和产品的销售。
4．人体静电
在工业生产中，引起元器件损坏和对电子设备的正常运行产生干扰的一个主要原因是人体静电放电。人体静电放电既可能造成人体遭电击而降低工作效率，又可能引发二次事故（即器件损坏），因此人体静电应引起足够重视。人体形成静电的原因是人体在日常工作中，把人体所消耗的机械能在活动中转换为电能。人体是一个静电导体，当与大地绝缘时（如穿的鞋底为绝缘物质），人体与大地就形成一个电容，使电荷储存起来，其充电电压一般 ≤50kV。当电荷储积到一定程度时，一
旦条件成熟会放电形成火花，瞬时放电电压可达数千千伏，放电功率可达几千千瓦。
（1）人体静电的起电方式
① 起步电流 当人行走在绝缘地板上时，抬起的一只脚由于鞋底电阻的存在可产生一个充电电流I1，而另一只脚也由于鞋底电阻的存在，落地时有一个泄露电流I2 。这种电流一般小于10-8A，
其大小和步行方式与地板材料有关。
②摩擦带电及其它带电 人体在日常工作中, 会与所穿的衣服、鞋帽、手套产生摩擦，并且衣服与周围物体之间、鞋子与地板之间、手与工件之间等都可产生摩擦。此外，当人体靠近带电物体时，也会感应出大小相等、符号相反的电荷以及带电颗粒的吸附，所有这些都是人体产生静电电荷的诱
因，进而通过传导和静电感应, 最终使人体呈带电状态。
（2）影响人体带电的因素
①起电电流 操作者的起电电流一般为I0=10-8～10-6，IMAX=10-4。当人体对地电阻一定时，起电电流I越大，人体带电量q就越大，电位就越高。I0一定时，人体对地电阻R越大，电压就越
高，人体带电荷q就越多。即：
U↑=I↑R↑ q↑=U↑C
②人体对地电阻 人体电阻分两种：表面电阻和体积电阻。由公式U = I R和 q =U C可见，对地电阻R越大，其带电量q也越高。表面电阻的大小与皮肤的干燥程度和空气的湿度有关。干燥时一
般为100～600kΩ，潮湿状态为11kΩ，人体手到脚的体积电阻一般为500Ω～800Ω。
③人体电容 一般指人体对地的电容和人体对周围物体的电容。由公式q = UC可见：电量一定时，电压U随电容C的减小而增大。由公式W=q2/2C可见：人体所储存的静电可随人体电容的减小而增
大。
（ 3） 人体放电电击感度 人体带电放电时，人体会有不同程度的反映，这种反映称为电击感度。当人体受到静电电击时，虽不会发生重大生理障碍，但可能影响人的工作效率，或造成精神紧张和
二次破坏等。人体静电电位和静电感度的关系见表 2。
表 2
人体电位（kV） 电 击 感 度 1．0 无感觉
2．0
手指外侧有感觉
有针刺的感2．5
觉，但不疼
4．0
有针深刺的感觉，手指微疼
手指感到剧
6．0
疼，手腕感到沉重
手腕感到剧
10．0
疼，手感到麻木
手指剧麻，整
12．0
个手感到被强烈电击
备 注
发出微弱的放电声
见到放电微光
三、 静电防护目的和途径
电子工业中静电防护的根本目的是在电子元器件、组件和设备的制造过程中，通过一定的途径，防止静电的力学效应和放电效应而产生或可能产生的障害，或把障害到最小程度，确保产品的设计性能和使用性能不因静电作用而受到损害。
防静电主要是防止静电放电。控制静电放电要从控制静电的产生和控制静电的消除两方面入手。控制静电的产生主要是控制工艺过程和工艺过程中材料的选择；控制静电的消除主要是加速静电的泄露和中和。这两点共同作用才能使静电电压不超过安全阈值，以达到静电防护的目的。
1． 消除静电的途径
静电能对静电敏感器件造成障害，但它是可控的，可消除的。为此要讨论生产过程中静电防护系统的安全工作原理，以及静电的消除和静电的防护方法。
（1）静电的消除特性要消除静电首先要明确对静电防护的基本思想：
① 对有可能产生静电的地方要防止静电荷的聚集。即采取一定的措施避免或减少静电放电的产生。可采用边产生边泄露的办法达到消除电荷聚集的目的。
② 对已存在的电荷积聚，应迅速地消除掉。当绝缘物体带电时，电荷不能流动，无法进行泄漏，可利用静电消除器产生异性离子来中和静电荷。当带电的物体是导体时，则采用简单的接地泄露办法，使其所带电荷完全消除。要构成一个完整的静电安全工作区，至少应包括有效的静电台垫、专用地线和防静电腕带等。
（2）静电的基本防护途径静电的控制技术是在静电电荷积聚不可避免的情况下，采取综合措施将静电危害控制在允许的范围内。
① 工艺控制法 目的是在生产过程中尽量少地产生静电荷。对工艺流程中材料的选择、设备安装和操作管理等过程应采取预防措施，控制静电的产生和电荷的聚集，抑制静电电位和放电能量，使危害降到最小程度。
② 泄露法 目的是使静电荷通过泄露达到消除。一般采用静电接地使电荷向大地泄露，通常利用增大物体电导的方法使静电泄露。
③ 静电屏蔽法 采用接地的屏蔽罩把带电体与其它物体隔离开，这样带电体的电场将不影响周围其它物体，这种屏蔽方法叫内场屏蔽。有时也用接地的屏蔽罩把被隔离物体包围起来使被隔离物免受外界电场的影响，这种屏蔽方法叫外场屏蔽。
④ 复合中和法及其它 通过复合中和法来达到静电荷的消除。通常用静电消除器产生的异性离子
来中和带电体的电荷，并有可能使带电物体表面光滑以及周围环境更加清洁，从而减少尖端放电的可能性。
2．静电安全工作区基本条件的选择
（1）安全电阻值的确定与计算对静电安全区的工作人员, 提供防电击的条件，依据人体受电击时有可能脱离险境的极限电流为10mA～16mA的要求, 我们取安全电流为5mA。由公式 I=V/R（ V=200～380V，I=5mA）得出：
R=4.4×104～7.6×104Ω 则：
R取值应大于1.0×105Ω
（2）防静电系统的泄露条件分析与最大允许接地电阻的计算 在电子产品的生产作业现场必须设有严格的防静电系统。要进入这个作业现场的人必须在入口处放去人体静电，并穿戴好防静电衣和防静电鞋等方可入内。必要时还要在现场带防静电腕带作业。对于临时离开再返回工作岗位的人员或外来人员也要经过严格的静电释放，否则对工作现场的器件、组件及设备都有可能造成损坏的危害，并且这种损坏往往是在很短的时间内发生，大约为1秒钟。
就静电泄露系统而言，应计算最大通地电阻值，使放电电压在1秒钟内降到100V之内。物体放电时，除需考虑通过的接地电阻值外，还要考虑放电物体电容的大小，因为它可能影响放电时间，一般取值为200PF。通常，国际上取放电电压初始值为5000V，因此所计算的接地电阻应能将静电放电在1秒钟内把5000V的静电电压降到100V以下，其计算公式为：
U = U0 e-t/RC （1）
其中： U = 100V(静电系统安全电压；U0=5000V(放电初始电压）； T =1 s(放电电压释放到100V以下所需时间）；C =200 PF=200×10-12 F(人体对地或物体间电容的统计平均值）。
将数据代入公式（1）计算得：
100 =5000×e-1/200×10-12R
ln50=1/200×10-12R
R=1/3.9×200×10-12=1.28×109(Ω
可见，只要系统电阻值小于1.28×109，就可保证在1秒钟内使放电电压降到安全值，防止静电危害。
(3 腕带接地电阻的选择腕带的使用要保证操作者在任何情况下人体静电电压都必须限定在100V以下，腕带的接地电阻必须在要求的范围内（见表3）。
表 3
对 地 电 阻（MΩ） 人体活动时产生的峰值电压（V）
0.5 1.0 10 100 1000 断开腕带
< 1
< 1
6
85
240
440
