静电原理、危害和防护

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40kV。
g. 粉碎工艺:粉体的电阻率>1016 cm由于相互碰撞、摩擦等起电1~3kV。 h. 电子工业:操作者对地电位1.5~35kV,造成静电敏感元件、组件、设备
的损毁、击穿;静电放电产生的杂波干扰信号,引起误操作或故障。
i. 火工品:生产、装药、储运
(3)大气静电
a.地球本身带有一个静电场: 地球带电Q=-9.02105C,建立垂直与地面的电场。E.g.:
五、静电防护
六、新的静电问题
一、静电概念和基本现象 1、什么是静电 2、静电的特点 3、常见的静电现象
1、什么是静电
相对于观察者而言,电荷处于静止或缓变的 相对稳定状态,即为静电。由于这种电荷和电场 存在而产生的一切现象称为静电现象。 静电并不是完全静止不动的电,而是在空间 缓慢移动的电荷,但静电的磁场效应比起电场的 作用可以忽略不计。
I-2 静电危害:静电力
1)纺织:梳理、纺纱、整染过程中产生
根丝飘动、纱线松散、断头、招灰、吸污
库仑吸附 细微毛发 纸屑 尘埃 纤维 2)造纸印刷、胶片生产:粘纸 套印不准、数张不齐 3)橡胶、塑料:吹膜无法进行;吸尘 4)水泥:钢球表面吸尘 除尘效率降低、粒度不均 5)电子工业:尘埃积聚
部门 制造商 分销商 最低损失率 4% 3% 最高损失率 97% 70% 平均损失 16-22% 9-15%
承销商 用户
2% 5%
35% 70%
8-14% 27-33%
2、静电燃爆事故
1) 固体静电起电: - 2007年,74**厂某火药装载车间,脱模时起爆,无人伤 - 2009年,烟花炮竹运输过程的事故;几乎每年都有 2) 人体静电起电: - 1986年冬,某军工厂,弹药修理人员脱去大衣,走近药箱 - 2007年,某基地导弹从车上卸载时电爆,一实习生死亡 3) 液体静电起电: - 2006 年,葫芦岛油库静电引爆,数人死亡 - 油品输运中的静电事故 4) 粉体静电起电: - 1988年,哈尔滨亚麻厂,14人死亡 5) 气体静电起电: - 煤矿瓦斯爆炸 - 液化气
2、防护的内容
1)防止或控制静电的产生 2)减少和消除静电电荷 3)减少静电危害 4)严格防静电管理 静电防护的 原则
2) 提高成品率;
3) 确保 产 品 成 品 的工作可 靠性
静电防护的一般方法或措施:
静电原理、危害和防护
欧阳吉庭
北京理工大学 静电研究室
jtouyang@bit.edu.cn
北理工静电研究室
职员:教师4人,博士 7人,硕士 15人 方向:静电安全和应用技术 放电等离子体源和物理
等离子体与物质相互作用
等离子体应用技术
提 纲
一、静电概念和基本现象
二、静电起电
三、静电效应与危害 四、静电危害事例
人体静电反应电压
I-2 静电危害:静电爆燃
引 爆 能 力 增 强
I-2 静电危害:电子产品损毁
1. 吸尘:造成几十至上百根芯线之间的绝缘强度降低造成短 路使芯片损伤。 2. ESD:使集成电路芯片绝缘层击穿、芯线熔断、漏电流增 大加速老化、电性能参数改变等。ESD对芯片损坏具有潜 在和缓慢失效性,危害性更大 3. 感应带电:在元器件或芯片氧化膜两端及结构金属突出部 位,尖端效应可感应出较强电场,可能导致介质之间或结 构点之间静电击穿(或软击穿),失效或品质降低
电子产品静电损害的失效机理
典 型 失 效 机 制 失效 几率
1. 热二次击穿:雪崩衰变
2. 金属导电层熔化
3. 介质击穿 4. 气体电弧放电 5. 表面击穿 6. 体击穿 突发性完全失效:立即丧失功能,占10% 潜在性缓慢失效:可靠性低,寿命短,占90%
I-2 静电危害:ESD电磁干扰
特点:从低频到几个 GHz,宽频干扰源 主要放电形式: 1)ESD脉冲放电 2)电晕放电
③ 电磁感应起电:动力、照明用电一般由电磁感应得到,也会引 起静电。 ④ 射线电离空气起电:空气、绝缘体在放射性同位素α、β、γ射 线的照射下,会使中性分子电离而起电。 ⑤ 物质三态变化起电:水是良导体,而水在4℃以下,液态变成 固态,结冰时,冰是带电的,液态水变成水蒸汽-气态、水蒸汽是 带电的。水蒸汽上升遇冷凝结成水珠、雪或冰雹等,也会带电。
极间短路、元件被击穿失效
I-2 静电危害:静电放电(ESD)
1)造成人体打击(一般不会致命,但有二次灾害。人体 电阻:105~7欧,电容~100 pF)
2)引发火灾和爆炸事故(条件:放电火花、可燃气体或 粉尘爆炸、高于最小点火能)
3)产品损害:尤其对静电敏感电子产品 4)电磁干扰:EMP或电磁杂波影响电子设备功能
三、静电效应与危害
- 静电效应 - 各种对象的危害
1、对人体的危害
2、对电子产品的危害
3、对通讯系统的危害
4、对火工品的危害
许多行业生产中都存在静电问题:
粉体输送:e.g.水泥、燃煤电厂 电力工业:火力电除尘、ESD干扰
电信、通讯:ESD电磁干扰
造纸、印刷、胶片生产:粘纸(片) 制膜工艺(吹膜、成膜):无序成膜 烟花炮竹生产、储存、运输过程:燃爆 军工和国防:火工品、弹药、火箭、卫星,……
I-1、静电效应与规律
1. 静电力效应 即库仑效应:带电体对带电/不带电粉尘有静电力作用,表现为吸附 或排斥 2. ESD热效应 绝热的ESD通常是一个局部高温热源,引起燃烧、爆炸或热击穿,引 发电火花装臵的意外发火。 3. ESD电磁脉冲效应 ESD电磁脉冲从低频到GHz,对电子设备、通讯形成干扰,引起误操 作 4. ESD人体电击效应 人体和其他物体之间的ESD形成瞬时大电流,造成人体打击,引起紧 张、恐慌和二次事故。 5. 强电场和感应效应 高电位的静电可以产生高达104kV/cm的电场,很容易引起MOS管等电 子器件的击穿或损毁。 同时,带电体容易使附近物体感应起电,产生上述1-4效应。
(2)工业静电
a. 纺织工业:例如,棉花电位-50V,人造丝-100V,尼龙+1050V。
b. 橡胶工业:合成橡胶表面电荷密度达710-6C/m2,电位250kV c. 印刷和造纸:纸-辊筒分离时,静电电位高达10~20kV;经过加光机后为
50kV;印刷时1kV;照像凹板印刷时,纸张带电密度10-8~-10C/m2。
静电带电体分类
① 固体带电:塑料、橡胶、胶片、纸张、薄膜、布匹、化纤等在 脱模、烤压、收卷、传送、切割等作业生产过程。 ② 液体带电:各种绝缘油品、绝缘试剂、污油水等在装卸、运输 作业过程中的带电现象。 ③ 气体带电:压力气体的排放、泄喷气体、水蒸汽、蒸汽雾云、 管道内流动气体的带电。
④ 粉体带电:塑料粉、医药粉、农药粉、火药粉、粮食粉、巧克 力、奶粉等粉碎、筛粉、气流输送等作业的带电。
3、常见的静电现象
(1)人体静电
(2)工业静电
(3)大气静电
(1)人体静电
a. 干燥的冬天:握手时、开门时、穿衣或脱衣时“打人” b. 头发直立, 粘物,等
c. 衣服很容易吸尘,抖不掉
各种活动产生的人体静电压值
除了上述起电以外,其他方式如:
1)感应式起电:人靠近带电体,受电场作用,产生感 应电荷。例如荧光屏前的人面部会感应负电荷, 此时人体静电荷可能为零。这种感应电压有时很 高,例如:在雷云下行走,感应电压可达5万伏 2)吸附起电:人处于漂浮带电灰尘或雾滴的环境中, 这些微小带电体在人体表感应出异号电荷并受库 仑力飘向人体,最终把电荷传给人。 舞台上用干冰喷雾,如果地面绝缘性好,常能 看到演员因带高压静电而头发竖起。
⑤ 人体带电:人体生理变化或运动身体各器官组织也要表现出电 性,如人体细胞膜的静止电位约有10 mV。
⑥ 生物带电:自然界许多生物是带电的。如蜜蜂,脚毛采的花粉, 就是蜜蜂脚上带有6-7V的静电。电鳗能产生几百伏的电位,等
最典型静电起电模式
液体起电
气体、粉体起电
物 质源自文库的 摩 擦 起 电 序 列
3)火花放电
I-2 静电危害:静电感应
静电感应是物体带电的形式之一
感应带电体具有库仑吸附和静电放电双重效应 具有两种模式的危害
在电子行业尤为突出:静电源可能感应较高的静 电电压(引发半成品或产品的静电损伤) 在器件引线上 或 加工工具上 或 包装容器上
四、静电危害事例
1、电子产品静电损失
d. 石油工业:汽油经过棉制品时电位206kV;槽车装油油面电位10kV。
e. 运输: 轮胎的电阻率 108 ~ 1011 cm ,一般车速下克充电 15 ~ 50kV ,最高
100kV;传输皮带带电30~40kV,最高80kV。
f. 塑料工业: 塑料表面电阻率 1016~ 1020 cm ,表面摩擦电位 >1kV ;赛珞璐
2、静电的特点
--相比工业电
1)起电方式
静电大部分是因接触分离、磨擦等过程引起的 工业用电:电磁感应原理(热电、水电、核电等) 2)能量比较小 静电能量最大不超过 45 J/m3,只有动电的约1/105
3)电压高、电流小
静电电位:高达几千伏~几万伏,电流10-9A量级 工业动电: 220V/380V,几十安培数量级 4)欧姆定律不适用静电
影响起电的主要因素
1)物体本身的性质:静电序列中离的越远 静电 ;
杂质的影响 静电
2)物体表面状态:粗糙度越大越容易起电; 表面污染或氧化腐蚀 静电 3)物体大带电履历:初期接触分离时多,反复后少; 已经带电的再接触分离时少
4)接触面和压力:面积、压力 静电
5)分离速度:分离速度 静电
A 最小发火能/点火能: 混合气0.01-1mJ、粉尘10-60mJ,etc B 静电感度:火药<=1mJ、电爆100mA/20kV(实际50%发火能~1mJ)
火箭静电问题
3、 其 他 静 电 事 故
E S D 卫 星 故 障
五、静电防护
1、防护的目的
1) 保证 人 身 和 生 产场所安 全,防止火灾和爆炸
⑥ 分子分裂起电:物体的变形、破碎、断裂等都会使其中性分 子分裂而带电,有时突然断裂、破碎的瞬间出现放电火星。
⑦ 极化起电:在电场中介电极化导致静电积聚。 • 压电极化:一些电介质当施加一定压力后,会发生电极化,称 为压电效应;若发生偶极矩倾斜,称为压电热效应。 • 驻极体:一些介质在外电场不存在的情况下,永久地保存着电 极化,会在周围形成电场。驻极体因制取方法不同,分为热驻 极体、电驻极体、光驻极体、放射性驻极体和电磁驻极体等。 ⑧ 场致发射起电:电场强度很高时,粒子中的电子可能被高电 场作用从负端引出(电子场致发射),或者粒子中的正离子可 能被从正端引出(正离子场致发射)。
在60~350km的电离层对地电位200~213kV。 3km高处~25 V/m;
晴天海平面的电场达120 V/m
b. 雷电:(大气闪电)是最具代表性的自然静电现象; c. 自然界的电解、气流、风沙、冰雪、烟尘等导致的静电。
d. 宇宙空间的静电(带电尘埃)
二、 静电起电
(1)产生方式分类
(2)静电体分类
起电方式的分类
① 接触摩擦分离起电:两种不同物体相互接触摩擦分离,各自产 生数量相同、极性相反的电荷。 最普遍的起电方式。
② 感应起电:中性物体移近与带电体时,在靠近带电体一端出现 带电物体所带电荷极性相反的电荷,远离的一端出现与带电物体 电荷极性相同的电荷。 比较普遍的起电方式。
静电损伤的特点:
① 隐蔽性:人体不能直接感知静电,除非发生静电放电;即使发生静电放 电也不一定能有电击的感觉。(感知电压为2-3KV)。 ② 潜伏性:电子元器件受到静电损伤后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,而且增加了器件对静电的敏感 性。已产生的问题并无任何方法可治愈。 ③ 随机性:从一个元件生产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性。由于静电的产生和放电都 是瞬间发生的,及难预测和防护。 ④ 复杂性:静电放电损伤分板工作,因电子产品的精细,微小的结构特点 而费时、费事、费钱,要求较复杂的技术往往需要使用扫描电镜等 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它失效。 ⑤ 严重性:ESD问题表面上看来只影响了制成品的用家,但实际上亦影响 了各层次的制造商,如:保用费、维修及公司的声誉等等。