一静电的基本概念Word文档格式.docx

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⑧场致发射起电

粒子在任意电场中，会变为一个电偶极子，若电场强度很高，粒子中的电子可能被高电场作用从负端引出，称电子场致发射，或者粒子中的正离子可能被从正端引出，称正端子场致发射。

籍此种方法能在短时间获得大量电子，利用电子场致发射的脉冲系统作为X-射线的短脉冲，以及高速射影中曝光。

（2）按带电体分类

①固体带电：

塑料、橡胶、胶片、纸张、薄膜、布匹、化纤等在挤出、脱模、烘压、辊压、刮胶、收卷、传送、切割等作业生产过程的带电现象。

②液体带电：

各种绝缘油品、绝缘试剂、污油水等在装卸、喷出、搅拌、清洗、运输作业过程中的带电现象。

③气体带电：

压力气体的排放、泄喷的气体、水蒸汽喷出、蒸汽雾云、管道中流动中气体的带电。

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、筛分，气流输送等作业的带电。

⑤人体带电

人体生理变化或运动，身体各器官组织也在表现出电性，如人体细脆膜的静止电位约有100mv。

⑥生物带电

自然界许多生物是带电。

如蜜蜂脚上带有6～7V的静电，将花粉吸住。

海里还有一种带电的电鱼，这种电鱼能产生几百伏的电位，而它的发电器官只有数微米大小的细胞。

听说非洲还有一种电树。

（3）按电荷性质分类

单极性电荷、双极性电荷、正电荷、负电荷

2．摩擦带电机理

工业生产和日常生活中，到处存在摩擦带电现象，然而两种物体摩擦如何起电，有必要作一简明、扼要、通俗叙述。

（1）带电的三个过程：

任何物体摩擦带电都脱离不了这三个过程

1接触——电荷转移

两种物体接触，界面间距达到10-8cm（即：

埃）数量级时，就会发生两物体间的电荷转移，在界面形成所谓的“双电层”，在液体中有形成“电偶离子层”之说。

这“双电层”或“电偶离子层”的厚薄大小是随材料电阻率而异，电阻率较小的油液，因电传导大，电偶离子层被缩到距管壁约10-8cm的范围，而对于电阻率大的油液，可以扩散到距离固体面约数毫米的液体内部。

2摩擦——起电

两种物体接触，形成“双电层”，或“电偶离子层”后，由于摩擦、机械力等作用，将扩散的一部分电子或离子，从“双电层”或“电偶离子层”中剥离出来，随固体带走，或随液体一起流走，电荷平衡受到破坏，这样，摩擦的双方将各自带上极性相反的电荷。

3分离——电荷积累、呈带电状态

分离时，极性相反的电荷会相互吸引、再结合、进行中和，另外，产生的电荷会从物体的表面，体内或空间泄漏、消散。

对于一些物质这样中和、泄漏是很快的，而有的物质却很慢，造成电荷过剩，当产生的电荷比泄漏中和的电荷多，就会引起电荷的积累，形成带电。

电荷积累持续时间，取决于物体的性质和环境条件，如不同的油液静电消散时间1/1000S至几h。

（2）静电带电的本质

物体摩擦带电的本质是少量杂质的作用。

严格说，纯净的物质是不会产生静电的，更谈不上带电了。

而物质含杂质很多，即使产生静电也会很快中和或消散掉，呈不带电状态。

唯独含少量杂质的物质摩擦起电大，也不易中和泄漏，而积累起来，成为带电的物体。

国外许多资料报导，物质的电阻率在1010～1015Ω·

cm范围容易产生静电，也不易泄漏。

溶剂，油品在管道中流动产生静电，必要条件是其内部要有一定的离子，如乙醚有微弱的电离性，易于产生静电。

然而象苯、汽油、航空煤油等一些轻质油品都是不电离的，但也能产生很强的静电，就是这些油品内含有少量杂质的缘故，这一点许多行业的静电测量和研究中，已为大家所证实。

又如聚乙烯，聚氯乙烯，聚苯乙烯，聚四氟乙烯，聚丙烯，塞璐珞等塑料，其ρV均在1010～1015Ω·

cm范围，易带静电。

从这一机理出发，便可想而知，油中混入少量的水，粉体带有少量的可燃性液滴，可燃性气体中混入少量的粉尘等等，都极易产生危险性的带电，如国外有资料说，轻油中含有6%的水，静电发生量将增大20倍。

三、材料的划分和带电系列表：

1．材料的划分

从静电角度说，一般按各物质的所具有的导电性（或电阻率大小），有以下两种划分方法：

（1）静电导体、静电亚导体和静电非导体

静电导体：

在任何条件下，体电阻率等于或小于106Ω·

m（即导电率等于或大于10-6S/m）的物料及表面电阻率等于或小于107Ω的固体表面。

静电非导体：

在任何条件下，体电阻率等于或大于1010Ω·

m（即导电率等于或小于10-10S/m）的物料及表面电阻率等于或小于1011Ω的固体表面。

静电亚导体：

介于二者之间。

（2）静电导电型材料、静电耗散型材料、静电屏蔽材料和不易带电型材料

导静电型材料：

①表面电阻率小于1×

105Ω或体积电阻率小于1×

104Ω·

cm的材料（YD/T754-1995）

②该材料表面电阻、体积电阻应小于1×

106Ω（SJ/T31469-2002）

静电耗散型材料：

③表面电阻率大于1×

105Ω和小于或等于1×

1012Ω，或体积电阻率大于1×

cm或等于1×

1011Ω·

④该材料表面电阻、体积电阻应在1×

106Ω～1×

1010Ω之间（SJ/T31469-2002）

屏蔽材料：

电阻率很低的导电体，表面电阻率≤102Ω，一般摩擦不起静电。

不易产生静电材料，摩擦起电电压小于或等于2KV的材料。

（3）导静电地板、静电耗散地板和不易产生静电地板

导静电地板（ECF）：

电阻2.5×

104Ω～1×

106Ω；

耗散地板（DIF）：

电阻1×

109Ω；

不易产生静电的地板（ASF）：

摩擦起电应小于2KV。

2．带电系列表

二种材料摩擦带电，必然是一种材料带正电，另一种材料带负电，而带电量大小，则取决于二种材料的性质、摩擦力大小、分离速度、表面粗糙度以及周围环境状况而异。

下表的带电系列揭示的二个规律：

（+）正极性

铅

镉

银

丙烯腈混纺品

人手

棉纱

铬

硫磺

石棉

真丝

纸

黑橡胶

玻璃

粘胶丝

黑硬橡胶

铂

碳化钙

兔毛

毛发

皮肤

麻

维尼龙

聚乙烯、聚氨酯

云母

酪素

铁

聚苯乙烯

赛路路

尼龙

醋酸酯

铜

腈纶

玻璃纸、聚炳烯、聚氨乙烯

羊毛

铝

镍

沙兰树脂

聚四氟乙烯

皮毛

人造丝

锌

黄铜

聚脂树脂

负极性（-）

（1）二种材料摩擦带电，处于表中前面的材料带正电，处于表中后面的材料带负电。

（2）二种材料摩擦带电，处于表中相对位置错开越多，带电便越显著。

四、ESDS元器件、组件和设备的分级

1级：

易遭受0-1999VESD电压危害的电子产品；

2级：

易遭受2000-3999VESD电压危害的电子产品；

3级：

易遭受4000-15999VESD电压危害的电子产品。

对大于16000VESD电压危害电子产品，则认为是非静电敏感产品。

列于ESDS产品的还包括所有安装ESDS元器件的印刷电路板，高于1GHz频率工作的半导体器件及微型计算机控制装置。

五、术语（英文缩写注解）

1）ESD（ElectrostaticDischarge）静电放电

2）EMC（Electro-MagneticCompatibility）电磁兼容

3）ESDS（ElectrostaticDischargesensitive）静电放电敏感（的）

4）ESSD（ElectrostaticSensitiveDevice）静电敏感器件

5）EPA（ElectrostaticDischargeProtectivearea）防静电工作区

6）EBP（EarthBondingPoint）接地连接点

7）IC（IntegratedCircuit）集成电路

8）MOS（MetaloxidationSemiconductor）金属-氧化物-半导体

9）CMOS（ComplementaryMos）互补金属-氧化物-半导体

10）HMOS（HighDensityMos）高密度金属-氧化物-半导体

11）PMOS（P-channelMos）P沟道金属-氧化物-半导体

12）NMOS（N-channelMos）N沟道金属-氧化物-半导体

13）VMOS（VerticalMos）垂直槽金属-氧化物-半导体

14）MIS（MediumScaleIntegration）中规模集成电路

15）LSI（largeScaleIntegration）大规模集成

16）VLSI（VeryLargeSI）超大规模集成

17）VHSI（VerylargeSpeedIntegration）超高速集成

六、常用有机化工材料缩写字

PE聚乙烯HDPE高密度聚乙烯LDPE低密度聚乙烯

PP聚丙烯PVC聚氯乙烯PVAC聚乙酸乙烯酯

PS聚苯乙烯PET季戊四醇（聚酯）PMMA聚甲荃丙烯酸甲酯

ER环氧树脂PA6尼龙PC聚碳酸酯

PU聚氨脂ABS工程塑料HIPS耐冲击性聚苯乙烯

（二）电子工业静电危害

一．电子行业生产中的静电

1．半导体IC生产线的静电。

①穿着尼龙衣、塑料基底鞋缓慢在清洁地板上走动，人身会带7KV-8KV电压。

②玻璃纤维制成的晶体载料盒滑过聚丙烯桌面时，易产生10KV静电。

③晶片装配线：

晶片5KV，晶片装料盒35KV，工作服10KV，桌面10KV，有机玻璃盖8KV，石英晶体1.5KV，晶片托盘6KV。

④光刻间塑料地面500V-1000V，扩散间塑料地面500V-1500V，瓷砖地面也是500V-1500V，塑料墙纸700V，塑料顶棚0-1000V，铝板送风口，回风口500V-1000V，金属活动皮革椅面500V-3000V。

⑤修理电路板用的吸锡器，使用时新的吸锡器可产生50000V，旧的可产生小于1000V。

2．TFT-LCD生产流程中的静电

（1）

程序

测量点

静电电位（V）

光刻胶层

ResiscCoater

有载基板架

热玻璃

无载基板架

＋3000

-6000---4000

-5000

提升器

Stepper

-4000

-16000

显影

-14000

-6000

蚀刻

＋3000--＋5000

-2000---4000

湿洗

＋2000

-19000

薄片分层

CVD

-1000

＋10000

（2）

玻璃块之位置

静电电场

Kv/m

在装载基板架上的玻璃块

-152

涂表层前的玻璃块

0—-40

涂表层后的玻璃块

＋160

预烘的玻璃块

-120

排列后的玻璃块

-20

在机械手上的玻璃块

-8

在下载带上的玻璃块

-656

在有离子消电器系统的下载卡带上的玻璃块

-4

3．工作实验室中产生静电典型例

表：

典型静电电压V

静电产生的方法

静电电压

相对湿度

10%--20%

65%--90%

在地毯上走动

35000

1500

在乙烯基地板上走动

12000

250

工作人员在工作台上操作

6000

100

包工作说明书的乙烯封皮

7000

600

从工作台上拾起普通聚乙烯袋

20000

1200

坐垫有聚氨酯泡沫材料的工作椅

18000

二．电子工业的静电危害

1．静电危害的一般特点

（1）库仑力的危害；

（2）静电放电的危害：

①电击；

②绝缘击穿，产品报废；

③干扰误动作；

④爆炸火灾。

（3）静电感应的危害。

2．静电危害表现：

（1）静电库仑力的危害：

吸上粉尘、污物，带给元器件，增大泄漏或造成短路，使性能受损，成品率大大下降。

这种情形多发生在外延、氧化、腐蚀、清洗、光刻、点焊和封装等工艺过程中。

实例：

①如半导体的光刻对尘埃特别敏感，在曝光工序时，无论是在晶片上还是在防护罩上的任何级别的尘埃都能引起管芯图形的失效。

②外延生产工序中，晶片表面沾染尘埃，其后果可能是工序生长率的偏离、不完美，晶粒的生长或晶体结构错位。

③MOS和EPROM器件栅极氧化工序中，由于尘埃的沾染使器件的成品率和可靠性大受影响。

氧化层是一种由硅和氧原子的无规则网结成的玻璃多晶体形状，任何尘埃的污染可能破坏这无规则结构，或破裂栅极氧化层，使其器件因ESD失效更敏感。

（2）静电放电引起的危害：

如有数千、数万伏的高电位物体发生脉冲刷形放电或火花放电时，瞬间会有很高的放电电流流过，若人体带上10KV（100pF）的电荷，其放电电流流向大地时是形成瞬间脉冲电流峰值为20A，造成可观的影响，静电放电（ESD）还伴随着电磁波发射，会引起种种危害。

①MOSIC、EPROM等半导体器件将被静电放电（ESD）击穿或半击穿

MOS场效应管其栅极是硅氧化膜引出，栅极与衬底间是隔着一层氧化膜，当栅极与衬底间的电压超过一定值，氧化膜便被击穿，如果是MOSIC，则全部报废了。

当SiO2耐压场强E=（5～10）·

106V/cm，SiO2膜厚1000-2000Å

之间时（取D=1000Å

），其施加电压大于UB=50-100V氧化膜便会被击穿。

栅极电容很小（约几个PF），输入阻抗很高（约1014Ω以上），这样，少量的电荷就会产生很高电压，电荷也很难泄漏，只要大于50V（无保护）就会烧毁，所以，只要人手一摸栅极，元件就坏了，因为人带电超过50V是平常事。

②半导体P-n结，P-i-n结和肖特基势垒结，对ESD的敏感性取决于几何图形、尺寸、电阻率、杂质、结电容、热阻、反向漏电流和反向击穿电压。

如双极型晶体管中的发射结比集电结，或集电极—发射极更容易受ESD损害，是因发射结的尺寸和几何结构比较小；

具有高阻抗栅极的结型场效应管对ESD特别敏感，是因为其具有小于1nA的栅漏、栅源的低漏电流，大于5OV高击穿电压。

而肖特基势垒二极管和TTL肖特基集成电路对ESD也特别敏感，是因为它属于浅结，能够使金属通过此种结而渗透。

③薄膜电阻器对ESD的敏感取决于电阻器材的成分，配方和电阻器的功率，其后果是造成电阻值的变化，含膜的电阻对ESD特别敏感，经常发生ESD问题的是0.05w金属膜电阻。

④组装中要损坏器件，或造成电子仪器设备故障或误动作

A．静电放电损坏元器件使整块印刷电路板失去作用，造成经济损失；

B．静电放电的噪声引起机器设备的误动作或故障—间接放电影响，电容放电测得结果，除产生瞬间脉冲大电流外，还会产生跨越数兆赫兹，甚至数百赫兹的强大噪声。

近年来，静电放电噪声引起计算机误动作的基础研究取得很大进展。

C．放电时产生的电磁波进入接收机后，会产生杂音，干扰信号，从而降低信息质量，或引起信息误码差。

（3）静电感应的危害

受静电感应的物体与带电体完全等价，并有静电力学现象和放电现象的发生，如果感应物体的电阻是较小的良导体时，还会发生火花放电造成危害。

①生产操作的车间里

高电压设备、线路附近，人员在操作焊接、摆弄MOS器件或MOSIC时，由于静电感应，极易引起人体对器件的静电放电，从而损环器件。

②管道输送的空调气流（离子流），对人体吹风时相当于充电，当带电人体接触敏感器件，静电放电会击穿损坏器件。

归纳起来，静电引起的现象足以造成电子器件和电子仪器设备性能失调，其对电子器件设备危害的状况见下表所示。

器件或仪器种类

危害状况

半导体器件

施加超过耐压能力的电场导致器件击穿、半击穿、性能劣化。

磁带录相机

由于静电吸附灰尘，促使磁头磨损，磁带运转不良，由于制造时混入灰尘而漏失信息，产生噪声、颤音。

电子计算机

静电放电引起的噪声使系统停机、记录错误、漏失信息。

计算机外围设备

由于静电使卡片难整理、磁鼓不良、机械性能不稳定。

测量仪器类

零点变动，误信号。

三、半导体静电击穿现象

1．静电击穿的部位

器件静电击穿主要发生在ΡΝ结区域或氧化膜中，其次有时也发生焊（布）线膜部分的熔断现象。

查找故障发生的位置，可以从以下全过程去进行：

①观察易于受到静电脉冲电流作用的地方，如输入或输出回路，阻抗较高的地方；

②从器件结构上较弱的部位去查找，如热容量较小之处，场效应管的栅极氧化膜等耐压性能较差的地方；

③从电场较为集中的边缘部分去查找。

对于二板管、三板管等分流器件，发生故障的模式比较简单，但是，对于集成度较高的IC、MSI、LSI、VSI之类，发生故障部位查找判断就不是那么容易。

通常是通过实验，再现故障现象，将其与实际故障的模式进行分析对比，从而判断出静电的冲击来自何处。

2．半导体器件静电击穿机理——一般可以考虑为热击穿的多。

结区击穿———表面——漏电痕迹——距离│

││离子│

││灰尘│—————绝缘击穿

││──放电────吸湿─│

│──内体──正向────杂质─│

│缺陷│──非均匀性──热散逸│

│反向────针孔││

│热击穿

焊（布）线膜击穿────（布）焊线膜────热熔断──────────

│───（布）焊线───│

氧化膜击穿────结合击穿────非均匀性────绝缘击穿

││

│─────本征击穿────────│

说明：

①结区的击穿

Si器件通电时，温度随之升高，Si的电阻也随之增高，当温度超过一定，Si的电阻反而下降，从而又导致输入电流增大和温度上升，进而降低电阻，形成所谓的热散逸现象。

这是热击穿中的最基本形态。

可以认为在静电作用下产生的正向击穿就属这一机理。

至于反向偏压加于结区上，由于极薄的PN结合面几乎要承受全部电压，结区的热耗变大，而在结区非匀质之处，即由热散逸，温度急剧上升，而形成所谓热点，导致击穿。

②膜（铝）布线击穿

其原因可能是静电放电，或放电电流，或是受结区温度的影响，总之，都是热的因素击穿。

如热的作用下，铝线熔断而形成开路，或者由于熔融的铝而产生跨接短路。

③氧化膜的击穿

a单孔型击穿：

形成几μm—几百μm的圆孔，这时的电场是在0.5MV∕cm以上，静电能量与电容存的能量差不多

b传播型击穿：

在高静电压，串联10KΩ以下的电阻时产生象虫子咬过一样的击穿模式，这种形式似乎的单孔型击穿作为触发源，通过介质使孔中气体击穿形成。

C自动恢复型击穿，当SIO2膜很薄时（几千Å

—几万Å

）击穿后。

由于该部分的蒸发、消失，具有自动恢复性能。

3．在判断器件故障的模式时，应注意以下问题

①考虑通常使用情况下，与正品相比，废品发生了哪些异常，为此可以测量两者输出波形和绝缘阻抗的变化，从而确定异常的状态。

②对难易再现故障状态，若用电容的放电实验进行检验，则可以改变电容大小，观察击穿电压与电容的关系，若利用短时脉冲放电方法检验，观察击穿电压与脉冲宽度之间的关系，然后将以上电容或脉冲宽的变化所形成的不同故障方式。

与废品故障模式进行对比，从而推测出引起器件损伤的静电能量值。

（三）电子工业的静电防护措施

主要从元器件和整机的设计考虑静电防护、静电防护工作区设计、防静电安全操作程序等三个方面进行。

一．元器件和整机的静电保护设计

1．静电保护设计要求

为使用静电敏感器件、电子仪器及设备具有较强的抗静电能力，在新产品设计上要仔细考虑静电保护，要求：

①静电敏感器件的设计在满足技术性能的前提下，要尽量采用耐静电损坏的材料、器件和线路设计中要考虑一定保险系数的保护电路。

②在整机产品设计中应选择不易受静电损坏的元器件，对于必须采用静电敏感元器件时，应将它们设置在受保护的位置上。

③随着电子产品的小型化使其元器件组装密度日趋提高，其它结构件在空间位置设计的合理性与否将决定静电危害的大小，如机壳内部通风的散热问题，静电屏蔽，开关接地等静电抑制技术问题。

④为抑制静电噪声的影响，印刷