静电的危害

静电的危害 一 引言 随着经济的快速发掌和科学技术的突飞猛进，在许多存在静电危害的场所，如石油、化工、电子等行业的生产现场及储存仓库等，都无法避免装卸、搬运、堆码等动态摩擦作业。而这种摩擦过程将会产生静电，静电积累到一定的程度将会引发事故。 在各类高科技电子技术中，使用了大量的半导体和大规模集成电路等高科技含量元器件，使其功能更趋完善和先进。然而，这些元器件承受静电等过电压冲击的能力却较差，容易造成元器件的损坏，使各部门的工作受到影响。 静电放电的危害往往为人们所忽视，但是他给人类造成的危害却是巨大的。在微电子技术领域，由于静电危害每年损失上百亿美元。因此，研究和防止静电对电子元器件等设备造成的危害，以保护其不受损害有着十分重要的意义。 二 什么是静电及静电放电 静电是由于物体的摩擦而产生的。正常物体中具有的正( + ) 负( - ) 电荷是等量的和均匀的,在电气方面呈中性状态。当正负电荷的一方过剩时,破坏了等量和均匀状态,物体呈带电性,这就是我们所说的静电。然而,由于物体存在于充斥着磁场、电场的环境,物体内部电荷的分布并不均匀,并且不同的物体对电荷的束缚能力并不相同,所以物体总是呈现出一个方向的正电荷数量多于负电荷,而另一个方向恰恰相反。 当两个物体进行接触和分离,经过如图1 所示的过程在各自物体上产生了静电,即当两个物体相接触时在其界面上产生电荷移动(图1a) ,正、负电荷相对排列形成偶电层(图1b) ,然后物体进行分离则引起偶电层的电荷分离,在两个物体上各自产生极性不同的等量电荷(图1c) 。通常对( + ) 电荷束缚能力大的物体会带有更多的( + ) 电荷,呈电阳性;相反对( - ) 电荷束缚能力强的呈电阴性。 静电放电(ESD)是指带电体周围的场强超过周围介质的绝缘击穿场强时，因介质产生电离而使带电体上的静电荷部分或全部消失的现象。 三 静电放电的形式 由于带电体可能是固体、液体、粉体以及其它条件的不同，静电放电可能有多种形态，根据其特点，可分为以下几种: (1)电晕放电:电晕放电是发生在极不均匀的电场中，,空气被局部电离的一种主和电形式.若要引发电晕放电,通常要求电极或带电体附近的电场较强。对于两极间的静电放电，只有当某一电极或两个电极本身的尺寸比起极间距离小得多时才会出现电晕放电。 (2)静电火花放电:当静电电位比较高的带电导体或人体靠近其它导体、人体或接地导体，便会引发静电火花放电。静电火花放电是一个瞬间的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，与此同时还伴随着噼啪的爆裂声，爆裂声是由火花通道内空气温度的急剧上升形成的气压冲击波造成的。 (3)刷形放电:这种放电往往发生在导体与带电绝缘体之间，带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率的液体。产生刷形放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内。根据其放电通道的形状，这种放电被称为刷形放电。当绝缘体相对于导体的电位的极性不同时，其形成的刷形放电所释放的能量和在绝缘体上产生的放电区域及形状是不一样的。 (4)传播型刷形放电:传播型刷形放电又称沿面放电，旧称利登彼格(Lichtenberg)放电。只有当绝缘体的表面电荷密度大于2.7× C/ 时才可能发生。但在常温、常压下，如此高的电荷面密度较难出现，因为在空气中单极性绝缘体表面带有不同电荷密度的极限值约为2.7× C/ ，超过时就会使空气电离。 (5)大型料仓内的粉堆放电:当把绝缘性很高的粉粒由气流输送经过管道和滑槽进入大型料仓时，在沉积的粉堆表面可能发生强烈的放电，放电能量可达10Mj。粉料沉积后，其它电荷密度迅速增加，表面的场强也相应地增强。 (6)雷状放电:这是一种大范围的空间放电形式最初在火山爆发的尘埃中曾观察到过，近年来在实验中也得到证实。 (7)电场辐射放电:电场辐射放电依赖于高电场强度下气体的电离，当带电体附近的电场强度达到3MV/m时，这种放电就可能发生。 四 静电放电的危害 物体静电的起电,放电，一般说来，具有高电位，强电场的特点，在这一过程中，有时会形成瞬态的大电流放电和电磁脉冲，产生频谱很宽的电磁辐射场。静电放电能量比较小，但是是不可控的，是一个复杂的随机过程。静电的危害分为以下几种:一是静电力的危害，二是ESD热效应造成的危害，三是高压静电场引起的介质击穿和潜在性危害，四是ESD的电磁效应造成的电子设备的损伤，五是静电的电击。 静电力的危害:带有静电的人体周围存在静电场，由库仑定律可知，必然存在静电力。静电力造成严重吸尘现象，缩短设备的使用寿命，影响产品的质量。ESD过程的静电能量是在很短的时间内通过器件电阻释放的，其平均功率达到几千瓦。如此大功率的短脉冲电流作用在器件上足以在绝热的条件下，使硅片上微区熔化，电流集中在局部，破坏PN结和金属互连线，导致电路损坏失效。静电荷的积累往往使物体对地具有高电压，在附近形成强电场，很强的电 场导致MOS场效应管的栅氧化层被击穿，使器件失效。 一般MOS器件的栅氧化层的绝缘击穿强度为0.8×106,1.0×106KV/m，而MOS器件的栅氧化膜的厚度很小，当电路设计没有采取保护措施时，氧化层很容易被击穿，导致电路失效。ESD的电磁效应属于宽带干扰，在无线通讯中，电磁干扰将造成导航系统不能正常工作，造成严重后果。静电电击的危害:带静电的人体常遭静电电击。当人体的静电电位达到一定的值后，若靠近或接触接地导体，就会受到静电电击，在大多数场合都无生命危险。当静电电位达到一定的值后，在一些危险的场合，如煤矿，可燃气体等就容易发生爆炸的危险。 五 静电放电的防护 可采用如下措施予以解决: (1) 采用接地防止带电。将金属导体直接接地,或通过紧密结合在金属以外导体上的金属导体进行间接接地,采用这种办法,将所产生的静电迅速向大地泄漏,以防止其静电电压的上升而防止静电带电。 (2) 带电物体屏蔽。所谓屏蔽是用金属板等金属材料将带电的物体的表面进行包覆并接地。屏蔽的目的与其说是对非导体防止带电,还不如说主要是限制带电物体的附近产生的电气作用。但根据条件有时也能防止静电带电,虽然是消极的但还兼有作为非导体的防止静电带电的目的。 (3) 采用防静电地板。为使人体的静电能通过地面尽快地泄漏于大地,工作地面的泄漏电阻最好是越小越好。通常要求生产线的工作地面的泄漏电阻应在1011以下。使用防静电地板并接地可满足其要求。 (4) 增加湿度。湿度给静电带来的影响在于增加物体的电导率。一般从相对温度70 %左右起,静电很快地减少。增加湿度的装置有多种,尤以超声波加湿器最为实用、经济、且效果较好。 (5) 工作服的要求。应穿用混有导电性纤维防止带电的防静电工作服,在防静电工作服里面穿的衣服应尽量不穿厚的毛衣,最好不穿一般的化纤服装。 (6) 硬件维修人员在维修设备时,可在手腕上佩带用导电材料制作的人体接地腕带,将人体接地，象电烙铁等工具应妥善接地。 六 应用推广价值 静电在许多场合都很容易产生,而且带来严重的事故和经济损失，如石油、化工、电子等行业。 首先能避免在危险生产行业和危险品存储仓库的爆炸事故的发生，根据爆炸发生的条件着手，其中的一个条件是要产生并积累有足够的静电。在国内外近几次的重大安全事故中，就和静电有直接关系。 其次可以通过静电的防护提高产品的质量，如今，随着微电子的技术的发展，电子产品 的尺寸越来越小，其能承受的电压也越来越小，而静电放电产生的电压却较高，给产品带来 显性和隐性的损害。再就是对静电理论的研究，可以突破现有的许多难题，为各行事业(如 航天事业)提供可靠性，对人类的文明进步也是一大促进。 1(接地法 接地是消除静电危害最简单的方法。接地主要用来消除导电体上的静电，不宜用来消除绝缘体上的静电。如果是绝缘体上带有静电，将绝缘体直接接地反而容易发生火花放电。 在有火灾和爆炸危险的场所，为了避免静电火花造成事故，应采取下列接地措施: (1)凡用来加工、贮存、运输各种易燃液体、气体和粉体的设备、贮存池、贮存缸以及产品输送设备、封闭的运输装置、排注设备、混合器、过滤器、干燥器、升华器、吸附器等都必须接地。如果袋形过滤器由纺织品类似物品制成，可以用金属丝穿缝并予以接地。 (2)厂区及车间的氧气、乙炔等管道必须连接成一个连续的整体并予以接地。其他所有能产生静电的管道和设备，如空气压缩机、通风装置和空气管道，特别是局部排风的空气管道，都必须连接成连续整体，并予以接地。如管道由非导电材料制成，应在管外或管内绕以金属丝，并将金属丝接地。非导电管道上的金属接头也必须接地。 (3)注油漏斗、浮动缸顶、工作站台等辅助设备或工具均应接地。 (4)汽车油槽应带金属链条，链条的上端和油槽车底盘相连，另一端与大地接触。 (5)某些危险性较大的场所，为了使转轴可靠接地，可采用导电性润滑油或采用滑环、碳刷接地的方法。 静电接地装置应当连接牢靠，并有足够的机械强度，可以同其他目的接地用一套接地装置。 2(泄漏法 采取增湿措施和采用抗静电添加剂，促使静电电荷从绝缘体上自行消散，这种方法称为泄漏法。 (1)增湿。增湿就是提高空气的湿度。湿度对于静电泄漏的影响很大。湿度增加，绝缘体表面电阻大大降低，导电性增强，加速静电泄漏。空气相对湿度如果保持在70,左右，可以防止静电的大量积累。 (2)加抗静电添加剂。抗静电添加剂是特制的辅助剂，有的添加剂加入产生静电的绝缘材料以后，能增加材料的吸湿性或离子性，从而增强导电性能，加速静电泄漏;有的添加剂本身具有较好的导电性。 (3)采用导电材料或纸绝缘材料。对于易产生静电的机械零件尽可能采用导电材料制作。在绝缘材料制成的容器内层，衬以导电层或金属网络，并予以接地;采用导电橡胶代替普通橡胶等，都会加速静电电荷的泄漏。 3(中和法 中和法是消除静电危害的重要措施。静电中和法是在静电电荷密集的地方设法产生带电离子，将该处静电电荷中和掉。静电中和法可用来消除绝缘体上的静电。可运用感应中和器、高压中和器、放射线中和器等装置消除静电危害。 4(工艺控制法 前面说到的增湿就是一种从工艺上消除静电危险的措施。不过，增湿不是控制静电的产生，而是加速静电电荷的泄漏，避免静电电荷积累到危险程度。在工艺上，还可以采用适当措施，限制静电的产生，控制静电电荷的积累。例如:用齿轮传动代替皮带传动，减少摩擦;降低液体、气体或粉尘物质的流速，限制静电的产生;保持传动带的正常拉力，防止打滑;灌注液体的管道通到容器底部或紧贴侧壁，避免液体冲击和飞溅等等。 一是法兰的连接螺栓在4个及以下的，应在其两端采用铜线(不小于6平方的)作跨接;二是阀门两端也应采用上述方式作跨接;三是输送、储存可燃气体、液体的管道、储罐应作防静电接地，且储罐的防静电接地不应少于两处;四是进入易燃易爆区域的人员不应穿化纤衣物，在易燃易爆区域内不得使用手机等非防爆电器;五是可燃气体、液体槽车装卸处应设置防静电接地夹以导除槽车在装卸过程中产生的静电;六是对易产生静电的设备或设施，可采用喷湿以消除静电。七是对罐的防雷问题，只要罐体的接地可靠，罐壁厚大于4MM，不需要再单独作防雷。八是每年应定期对防雷防静电接地进行检测。