静电理论及防护讲课提纲

静电理论及防护讲课提纲
上海市物理学会静电专业委员会秘书长 李学文博士 （未经允许,不得翻印）
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第三部分、防静电基本知识
一、静电基础理论 3.1 静电与静电现象 3.1.1静电的定义及其特点
静电（Electrostatic）就是物体表面过剩和不足的静止电荷，静电是一种电 能，它留存与物体表面；静电是正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡的结果； 静电是通过电子和离子的转移而形成的。 静电放电现象是大家都熟悉的。当天气干燥时，用塑料梳子梳头时会产生放电 声；和毛皮摩擦之后的钢笔杆可吸引小纸屑（当电荷密度达到10－6C/m2时）；脱 下合成纤维衣服时产生噼啪声，夜间还可以看到火花（空气的击穿场强为 30kv/cm）；在日光灯、电视机屏幕、唱片、录音机磁头上易于附着灰尘等现象 。这都是我们日常生活中经常体验到的静电现象。 工业上存在的静电现象是及其广泛的，在电子、石油、塑料、合成纤维、化工 、医疗等行业频繁出现，并为人类所利用。但是，人们往往忽视静电现象的危害 方面，只是在工业生产作业中，特别是电子产品生产过程中，由于静电放电引起 了机器故障和误动作，人们才把它们当作静电危害来处理。 静电现象是电荷的产生和消失的过程中产生的电现象的总称。 静电具有以下特点：
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3.2.1 概述
静电问题依附于物体（气、液、固体）而存在。如果物体带有过剩的电荷则成为带电体 。物体间的电荷转移过程就是起电过程，互相作用物体间的电荷转移在其界面上进行。
下面以摩擦起电为例，简单说明静电产生的过程：
静电产生的方式很多，接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等都可以产生静电。 但基本过程可归纳为：接触 电荷转移 偶电层的形成 电荷分离。
（2）静电放电（ESD）
静电放电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。静电放电往往会对电子器件造成中，在其上感应出正或负的静电荷。静电感应电位可达数 千伏以上，这样高的静电压能对电子器件造成不良影响。
3.2.3固体起电 Ⅰ、接触带电
两个物体在相互接触时，在界面处由于两个作用面能态的差异，如电阻溢出功、温度 等的不同，发生电荷转移而形成偶电层。接触起电的基本过程见图5
(a) 接触电荷转移
（b）偶电层形成 图5 接触摩擦起电的基本过程
（c）电荷分离
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Ⅱ、剥离起电
当相互密切结合的物体剥离时，会引起电荷的分离，引起分离物体双方带电的现象，称 为剥离起电。
图1材料的分类
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（2）在一般工业生产中，静电具有高电位、低电量、小电流（脉冲电流，有 争议）和作用时间短的特点，设备或人体的静电位最高可达数万伏以至数十万伏； 这要比市电220v、380v高得多。但所积累的静电量却很低，通常为微库仑级；静 电电流多为毫安级；作用时间多为毫秒级。 （3）静电较之流电受环境条件、特别是湿度的影响较大；静电测量时复现性 差、瞬态现象多。 静电通世界上任何事物一样具有两重性：既能为人类造福，如静电复印、静电 涂敷、静电除尘等静电应用技术；亦会带来许多危害，诸如石化、电子及电工领 域。就电子元器件的生产及电子设备的装联、调试作业而言，因接触摩擦起电、 人体静电与接地问题能造成很大经济损失。初步研究发现，摩擦起电、人体静电 乃是电子。微电子工业中之间两大危害源。
图6 剥离起电
Ⅲ、压电起电
在给石英等离子型晶体加压时，会在它们表面产生极化电荷，这种现象称为压电效应 。产生压电效应的原因是这些晶体在电学上各向异性。
Ⅳ、热电起电
若对显示压电效应的某些晶体加热，则其一端带正电，另一端带负电，这种现象成为 热电效应。例如在给石英晶体加热时就会出现这种现象。
Ⅴ 感应起电
图4 导体上的电荷可移动，绝缘体上的电荷不可移动
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3.2.2 金属间的接触起电理论
在日常生活中，静电问题多数与绝缘材料有关。因此，通常认为静电材料尤其是金属材 料不会产生静电。事实并非如此，两种金属接触－分离时也会发生电荷的转移，从而产生 静电。只是分离过程中，由于金属的导电性良好，常常很快将电荷带走，分离后金属上几 乎没有静电荷，从而在通常条件下不显示出静电带电现象。
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3.4、ESD对电子设备的危害 3.4.1 概述
ESD是英文Electrostatic Discharge的缩写，即"静电放电 "的意思。当某些电 介质、导体带上静电荷后，尽管所带电荷量不多，但由于自身对大地分布电容非 常小，使得静电电位较高。当垂直于带电物体表面的静电电位达到 2000伏时，就 会向空气放电。 在日常生活中，许多ESD现象，我们都亲身经历过。譬如，在冬季一间温暖的房 间里，走在覆盖地毯的地面时，当你伸手接触门的把手时，就会有电击的感觉； 脱下合成纤维衣服时产生噼啪声 ，夜间还可以看到火花 （空气的击穿场强为 30kv/cm）；天气干燥时，用塑料梳子梳头时会产生放电声。对于人体而言，这种 静电的突然放电不会造成任何伤害；可是，对于ESDS（静电放电敏感器件）器件 ，静电放电就可能损害电子器件。ESD对电子器件的损害是人体觉察不到的，具有 隐蔽性，需通过仪器才能检测出（见图5）。 电子器件发生ESD事件，主要是各种静电源（人体、工作台等）对电子器件放电 所致。在集成电路（ integrated circuit ）工业中，静电放电可以使集成电路芯 片介质击穿，芯线熔断、漏电流增大加速老化、电性能参数改变等等。静电放电 对电子器件损害具有潜在和缓慢失效性，这种情况危害更大。通常，ESDS（静电 放电敏感器件）器件易发生静电放电，所以，受ESD的危害更大。 今天，大多数电子器件采用对静电极为敏感的MOS工艺制作，因此，无论从器件 的发展还是器件的应用出发，为了防止ESD对电子器件的危害，有必要对电子器件 受静电危害的机理以及相应的防护措施进行探讨。试图阐明电子器件ESD产生的原 13 因，并对IC的ESD保护提供指导。
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10 cm ，在传输加工中都会起电，如煤 （7）粉碎工业中，大多数粉体的体电阻率 粉、面粉及塑料粉加工厂之粉粒悬浮在空气中形成了气溶胶的胶状溶液，从而产生静电 （煤粉涡流与金刚砂混合带电5.4kv） （8）电子工业中，摩擦起电和人体带电常有发生，如电子器件在生产及组装成电子设 备的焊接、搬运与检测等工序中，难免相互碰撞和接触摩擦而形成很高的表面电位。再如 操作者与大地绝缘时，人体的静电电位高达 1.5～35kv，无论是摩擦起电或是人体静电产 生如此高之高的静电电位，均能招致耐压不高的电子器件毁坏或软击穿。 3.2静电的产生、来源 由于材料表明电荷的不平衡引起静电荷，这种电荷的不平衡产生了可以测量到的电场， 该电场能够在远处影响别的物体，此时物体带有静电。静电放电是指在不同电势的两个物 体之间静电电荷的转移。 静电起电最常见的原因是两种材料的接触和分离。
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（1）从防静电危害的角度考虑，凡电阻率在 1106 cm 以下的材料，对于静电而 言就已经是导体，或称静电导体；体电阻等于或大于 1 106 cm 的材料为静电的 非导体；体电阻率介于 1 106 cm ～1 1010 cm 的材料为静电的亚导体。对于材 料的这种划分与通常情况下对导体、绝缘体的划分是不同的。图1给出了材料的 分类。
感应起电通常是对于导体来说的。处于电场中的导体，由于静电感应，使得导体上的 电荷重新分布，从而使物体的电位发生变化。对于绝缘材料，在静电场中由于极化也可以 使其带电，也把它称为感应起电。
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3.2.4粉体起电
粉体是固体的一种物质形态，粉体由分散性固体颗粒组成。每一个颗粒都是体积很小的 固体介质。粉体物质因静电影响生产速度和产品质量。影响人们的正常生活，甚至引起灾 害性事故等问题。所以，无论静电应用技术的研究，还是静电危害的防治，都非常重视粉 体静电问题。 粉体是处于特殊状态下的固体。与大块的固体相比，粉体本身具有分散性和悬浮性两大 特点。 粉体的悬浮性使粉体很容易悬浮在空气中形成烟尘，或悬浮于液体中，很难沉淀析出。 不管粉体是金属还是绝缘体，粉体悬浮使得粉体颗粒与大地总是绝缘的每一颗粒都可能带 电。 粉体起电是由于粉体与器壁、粉体与粉体间相互碰撞、接触分离、摩擦引起的。这时起 电量与其分散度、电导率、速度、周围空气湿度、碰撞时的接触程度及接触面积等有关。 颗粒越小，碰撞面积越大，起电愈剧烈。
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把液体静电起电现象统一起来的传统理论，是以在液体中的带电离子所形成的边界层上 的偶电层学说为根据，这种偶电层由于理学的（机械的）作用力而分离，从而导致了静电 起电。
3.3 静电效应
静电荷所产生的静电场有三种物理效应对于电子工业危害最大：
（1）静电荷产生的电场力
物体产生静电后，在其周围形成静电场。位于静电场中的任何其它带电体都会受到电 场力的排斥或吸引。实验表面，一般绝缘体或电介质产生静电后，每平方厘米静电力仅为 几百毫克力。这样小的力对重物则毫无作用。但对重量仅为几毫克的毛发、纸片、尘埃的 吸附作用非常明显。
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图2 人体的充电过程 下面以摩擦起电为例，简单说明静电产生的过程：
图3 摩擦电序
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正常情况下，物体的正、负电荷平衡，物体是不带电的。当两种不同物体相互摩擦时，如 图2所示，人的鞋子与地毯摩擦时，各自带上极性相反、数量相同的电荷。实际上，人体 在充电过程中，电荷发生了转移。 国外学者研究表明：不同物质摩擦起电的序列按如下顺序排列（见图3）。图中，任意两 种物质发生摩擦后，位于较前的物质一般带正电，而位于较后者带负电，即电子从位于前 面的物质转移到后面的物质中。 这里强调一个电荷的概念。 （1） 类电荷— 相斥， 异类电荷— 相吸。 （2）导体上的电荷可移动，绝缘体上的电荷不可移动。这就说明，绝缘体上的电荷不能 通过接地进行中和。
3.1.2 各种静电现象综述
Ⅰ、大气静电现象 人类生活的地球本身就是极大的导体，地球贮有负电荷量为 9.02 105 C 。在距 地面60～350km的电离层区建立了方向垂直于地面的电场。空气中电场强度离地 面愈远而愈低。如海平面晴天场强为120v／ｍ；3km高处为25v／ｍ；80km高处空 气还是导电的。大气闪电是自然界静电现象之一。它和自然界的电解、气流、风 沙烟尘等呈现着大量的静电现象，所以人们生活在静电的海洋之中。