ESD Test.docx

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ESDTest

静电测试

一、静电物理参数

1、材料起电带电能力物理参数

（1）导电性物理参数

1绝缘电阻R：

绝缘体上安放两个电极，其间施加一直流电压V时，电极间便有电流I流过，我们将电压V与电流I之比值称为绝缘电阻R。

对电工材料来说，103～106Ω为半导体，>1×106Ω为绝缘体。

而对静电材料来说，104Ω～106Ω是静电导体，1×106～1×1011Ω为静电亚导体，>1×1011Ω为静电非导体。

2电阻率ρ：

绝缘体的绝缘电阻当该绝缘体的尺寸和电极的形状确定后，绝缘体的绝缘电阻只随决定材料性质的系数而变，这系数通称为电阻系数，或叫电阻率。

3导电率1/ρv

（2）放电时间常数τ：

一般的带电物体，当其停止摩擦时，其带的静电荷或静电电位是自行衰减消散，并会按指数曲线规律衰减V=Voe-t/τ。

式中的τ是放电时间常数，它的定义是电位值（或电荷量），衰减到e分之一时（即e＝2.71828，1/e＝0.37）所需的时间。

半衰期τ半＝ln2*τ。

（3）介电常数εr：

按法拉第的定义，介电常数是充满此介质电容的电容量C与真空为介质同样尺寸电容量CO的比值（C/CO=ε）,也有认为介电常数是由极板上一定电荷在介质中产生的电场强度E比在真空中所产生的电场强度Eo减小的倍数（EO/E=ε）。

无论怎样看，介电常数ε是表征介质在电场中的极化能力（两物体摩擦，介电常数大的产生正电荷，介电常数小的产生负电荷）。

决定静电荷衰减的时间常数τ。

严格说来，C/CO或EO/E叫相对介电常数εr。

真正的介电常数是ε＝εr*εO，这εO是真空的介电常数εO＝8.85×10-12F/m。

εr空＝1，εr介质＝1～8，εr水＝81。

（4）静电电容（对地电容）：

被测物体的测试点对地间的电容。

在防静电研究和试验研究中，常常需要测量静电电容数据。

（a）为得知材料的介电常数（平板试样εO＝C•d/s）,需测量C，计算出εr＝ε/εO＝C•d/s•1/εO；（b）为分析仪器的测量精度和响应速度，必须掌握仪器的输入电容（Q=CV）；（C）在防爆场所，静电能否放电，放电能否引起爆炸火灾，或对电子元件能否击穿，是看静电电场强度E的高低。

放电能量（W＝1/2•CV2）大小，也需要测静电电容（C）。

（d）在现场或某些实验装置，由于某些条件限制，通常通过很长线引出测量，这无疑中引入一只并联引线分布电容。

根据Q=CV，测量的静电电位便低，需通过测量引线电容对静电电位的校正。

2、静电带电大小的物理参数

（1）电荷量、电荷密度、微小电流

①电荷：

两种不同物体摩擦，如毛皮摩擦胶木棒，就能吸引轻小的羽毛、纸片和

尘埃等，这种现象称为带了电荷。

而这二物体带的电荷理论上讲是极性相反数量相等。

如毛皮带正电荷，胶木棒带负电荷。

带电荷多少是以电量Q来表示，在常用的“实用单位制”（即米、公斤、秒制）中，电量的单位是库仑（C）。

1C=3•109[静电制电量单位]

习惯上谦[库仑]作电量单位太大，使用不便，往往以mc（毫库）、µc（微库）作为工程上常用的电量单位。

②电荷密度：

（a）线电荷密度σL：

对于直径远小于长度的线带电，截面远小于长度的带电情况时，单位长度的电量即σL=Q/L库/米（c/m）或微库/米（µc/m）L——为长度

（b）面电荷密度σS：

带电物体单位面积的电荷量，即σS=Q/S单位

库/米2（c/m2）或微库/米2（µc/m2）S——为面积

（c）体电荷密度σV：

带电物体单位体积的电荷量，即σV=Q/V单位

库/米3（c/m3）或微库/米3（µc/m3）V——为体积

（d）荷质比σM：

带电物体单位质量的电荷量，即σg=Q/M，单位

库/千克（c/kg）或微库/千克（µc/kg）

3微小电量：

静电放电电流、静电释放电流均是很小的，属nA（毫微安）级。

（2）电场强度和静电电位

1电场强度E：

为定量描述电荷周围的空间中各点的电场强弱，引入一个电场强度E物理量，其定义是单位正电荷q0在电场中某一点所受到的作用力F，即E=F/q0，而电场强度的方向与单位正电荷所受到作用力的方向一致。

其单位是N/C（牛顿/库仑）或V/m（伏/米）。

2静电电位V：

电场中某一点电位在数值上等于单位正电荷从该点经过任一路径，移到无限远（或0电位点）处对电场力所作的功。

V=∫a∞Ecosθdl，其单位是伏特（V）。

电场中任意二点静电电位之差又称为电压，如果取大地为0电位，则某一点的对地的电位差即为该点的静电电位。

（3）静电能量

静电能量又分静电积蓄能量和静电放电能量，一个带电系统的积蓄能量可以概括表示如下：

W=∫0αudg

如果这个带电系统是二个平板电容器，极板带电的电荷为Q。

两板间的电位差为Uab,电容量为C，则平板电容器所积蓄的能量为W=1/2*Q2/C，且因Q=CUab，故

W=1/2•CUab2=1/2•QUab。

静电能量W的单位是焦耳（J）或毫焦耳（mJ）、微焦耳（µJ）。

二、常用测量及其方法

1、绝缘电阻R（电阻率ρ）的测量

（1）电阻率ρ

ρ测量通常是采用三电板系统。

一般在实验室材料测量使用。

方法参看GB1410-1989“固体绝缘材料体积电阻率和表面电阻率实验方法。

”

圆板试样ρV=RV·A/h=RV·π（d1+g）2/4/h

圆柱电极ρS=RS·ф/g=RS·π（d1+g）/g

（2）对软固体材料，如导电和抗静电（即现在讲的静电耗散）塑料橡胶片、板的测试，可参看GB2439-1981“导电和抗静电橡胶电阻率的测定方法”。

适用范围：

对具有导电或抗静电性能的硫化试样，按规定条件测量体积电阻率。

本法适用于电阻率小于106Ωm的胶料。

试样：

宽10～150mm，长70～150mm,厚度2±0.2mm，均匀度允许公差为±0.1mm。

试样可用刀片或冲模裁切，尽量使变形减少到最低程度，以免影响其电阻值。

表面必须平滑清洁、无裂纹气泡和杂质等缺陷。

表面一定不能抛光和打磨。

取三个相同规格的试样。

设备：

电源为功率不大于1W直流电源，对地最小电阻为1012Ω。

电流电极为长5～15mm纯金属，用合适接线夹子夹紧，在试样施加接触压力约为65N/m。

静电计是>1011Ω的输入电阻的电压表，精度为5％。

绝缘垫板的电阻率为1013Ωm。

恒温箱能控制70±1℃。

试验步骤：

①、硫化后试样停放时间不少于16h，然后将试样放在绝缘材料上，置于恒温箱中70±1℃停放2h。

②、从恒温箱取出在20～27℃、湿度65±5％实验室放置16h以上，不要移动试样。

③、将电流电极夹到试样的端部，保证两刃口与试样中电流方向垂直，电压电极任一刃口与电流电极距离都不小于20mm。

测量电压电极两刃口距离，测量精度为±2％，通电1min后用静电计测定电压电极两刃口之间的电压。

在同一试样上重复两次，每测量一次移动一次电压电极，以测定整个试样长度上电压分布的情况。

同样方法测定另外两个试样。

结果

R=U/I

式中：

R─电阻值Ω；

U─电压电极两刃口间电压U

电阻率公式：

ρ＝R•S/L=R•b•d/L

式中：

ρ——电阻率（Ω•m）

S——试样断面积（m2）

b——试样宽度（m）

d——厚度（m）

L——电压电极两刃的距离（m）

图（5.3）橡胶绝缘电阻系数测量装置

取三个试样电阻率的中值表示实验结果，取两位有效数字。

（3）对管状的橡胶或软塑料绝缘电阻率的测量。

橡胶或软塑料为基料的管状材料绝缘电阻的测量

如图所示，图（α）是长度大于6米的软管，将电极附在管的内表面，距3米和6米处外表面上附加另一电极，电极宽25毫米，然后在电极施加500V电压E，用电流表量取电极间电流I，则电阻R=E/I；如发现电流超过2mA（电阻低于250KΩ）,则用100V电压，这时若电流超过10mA（电阻低于10KΩ）,则再改用电压45V测量，试管内的耗散功率超过1瓦，试验不再有效。

图（b）是长度小于6米的试管，需连续测量二此，即如图变换电极位置测量。

测得结果，对图（α）管长大于6米的其单

位长度电阻ρt为：

ρl＝（R6-R3）/3[Ω/m]

式中：

R6—内外电极间距为6米时的电阻[Ω]

R3—内外电极间为米时的电阻[Ω]

对图（b）管长小于6米的其单位长度

电阻ρl为

ρl＝R平/l[Ω/m]

式中：

R平—为电极变换位置二次测得数据

的平均值[Ω]

l—为管材长度[m]图（5.4）软管绝缘电阻测量

无论前种方法还是后种方法，均用于抗静电或导电的橡胶和软塑料。

（4）现场测量和实例

考虑实用性大多用二电极测量绝缘电阻R

表面电极间电阻RS、体积电阻RV、系统电阻（或对地电阻）RE。

测试方法许多标准均有规定。

如SJ/T10694-1996“电子产品制造防静电测试方法”、SJ/T11159-1998“地板覆盖层和装配地板静电性能的实验方法”、ASTMF150-1998“导电及静电耗散型地板电阻的测试方法”、EN1801-1998“弹性地板电阻的测试”。

测试中应注意：

①电极尺寸国内外通用是ф63mm左右，重2.27kg左右，电极F的引导层贴有邵示强度为50～70的导电材料（电阻应≤1kΩ）

②实验电压：

1•104Ω～1•109Ω使用100v，也有1•103Ω～1•105Ω使用10v。

③电极间距：

30cm、500cm、914mm

④读数时间：

5s、10s、30s、60s

⑤环境的温湿度

实例

①人体防静电系统器材的测量

2、静电释放半衰期

时间常数也是表征材料静电特性的一个重要物理参数。

时间常数的大小反应材料的绝缘性和带电能力。

这里所说的时间常数是指放电时间常数。

放电时间常数可根据下式计算，也可进行测量。

τ＝ερ＝RC

（1）、测量原理

一个带电物体，其电位自行衰减消散是满足指数规律的。

V=Voe-t/τ

放电时间常数τ的物理意义是电位值衰减到原电位的e分之一（e=2.71828）所需的时间。

即

t=τ时，V=Vo/e=0.37V

为了使用和测量上的方便，有时不用放电时间常数，而用带电体电位衰减到一半所需的时间，即称为半衰期，用半值时间半来表征。

由于

τ半＝τ×ln2

所以，只要测量出半衰期τ半，便可以算出放电时间常数τ。

（2）、测量方法

（a）、用静电电位仪表或带打印机的静电电位仪每隔一定时间间隔记录电压衰减数值，量取静电电位V0下降到0.37V所需的时间，即为放电时间常数τ；量取静电电位V0下降到1/2V0所需的时间，也就是半衰期τ半。

（b）、用光线示波器等一类高输入阻抗且反应快的记录仪记录静电位衰减曲线，在曲线上可以根据曲线上的时标，分别量取静电电位衰减到0.5V、0.37V0时所经过得时间，则分别为半衰期τ半和放电时间常数τ。

图4.2－10是材料放电时间常数和半衰期测量装置，图4.2－11是显示或记录的衰减变化曲线。

（c）、已知或分别测出材料电阻率ρ介电常数ε，也可计算出放电时间常数和半衰期。

测试前要系统检查，可用绝缘板与头发摩擦后，迅速放于测量转盘上，读下静电电位V0，开始计时，由于泄漏，V0要衰减，到V0衰减到1/2U0的时间>2min，这测量系统粗略判为符合要求。

2、静电电位的测量方法

（1）测量仪器的种类

①利用库仑力测量

该类仪表的测量原理和方法见下图。

QV型系列就属此类。

图（5.29）导体电位的测量图（5.30）接触式仪表的原理

V=C0/（C0+C2）·V0·e-t/R2（C0+C2）

本类仪表是直接接触测量，故一般用于测量导体静电电位。

②利用静电感应测量：

此类仪表是将探极放置于靠近带电体表面，应用静电感应原理。

直接测量带电体表面电位。

见右图所示。

V=C0/（C0+C2）·V0·e-t/R2C2

式中：

R2——测试仪表的输入阻抗

C2——测试仪表的输入电容

t——放电时间

V0——带电体的静电电位

V——探极上的感应电位

图（5.31）感应式仪表测试测量原理

由于探头上感应信号很弱，必须进行放大，由表头显示，根据放大方式的不同，此类表面静电电位计又分为直流放大式表面静电电位计，交流放大型的振动电容式静电电位测试仪和旋转叶片式静电电位计。

见下图（5.33）、图（5.32）：

图

3利用放射性同位素测试

本仪表是利用放射同位素，将带电体附近的空气电离，电荷引至仪表集电极，电阻电压分压测量出带电物表面静电电位。

如下图（5.34）所示：

（2）摩擦起电的静电电位测量

SJ/T10694－1996“电子产品制造防静电系统测试方法”第5节摩擦起电电压测试。

问题：

①选纯棉或防静电面料为摩擦物不是很恰当，②手掌适当施加压力，是含糊的，每个人操作结果不一样，③表“立即接近”是含糊的，每次不可能一样，慢了静电位降低，快了距离难保证，测量有误。

4、电荷和电荷密度的测量方法

（1）、静电电荷测量的一般方法

静电电荷的测量方法一般不是直接测量，而是通过测量其他有关参量来计算电荷量的多少。

1电位电容计算法

由1.3.1节电容的定义可知，电容器的电荷量Q为其电容量C和两电极间电压U的乘积，如果其中一电极接地，则只要测出另一电极的电位V，该电容器的电荷量可由下式计算出。

Q=CV

据此，实际测量中常测量带电物体的静电容和静电位，从而计算其电荷量，通常的方法有：

a、法拉第筒，参看图（5.35），此时Q=CV中的C是包括内外筒间的电容、测量用电容器电容、引线的分布电容和静电位计的输入电容，而V是静电位计的读数。

b、近似法拉第筒，实际测量中按图（5.36）法拉第筒方法是困难的其一是因带电物质投入后盖上内外筒盖子时间上没这么快，其二是试验和生产现场多数情况下没有没有这样的条件，应用受到限制，为此，往往采用近似法拉第筒法，如图（5.36）所示。

近似法拉第筒没有了内外筒的盖子，其大小要求其高度的百分之几十以内就能容纳下带电物体；外筒的高度应比内筒高出10％左右，内外筒间隙（即内筒的静电容）要视测试灵敏度的要求和测量仪表的测量范围而定。

2电流时间计算法

测量带电体放电电流随时间的变化i（t）,便可计算出带电体总的带电量

Q=∫0ti（t）dt

a、一金属容器注入带电介质，或两端绝缘的管道输送带电介质，或前面叙述的法拉第筒、近似法拉第筒注入带电介质时，均可接入检流计，让带电体通过检流计对地释放，测出其放电电流i（t），按式计算出其总带电量Q。

如若每隔相同的Δtk时间读取一次电流数值i（tk），则近似的有：

Q=Σi（tk）·Δtk=ΔtΣi（tk）

b、在管道中输送带电物料，或管口喷注、喷雾和排放，亦可用微小电流计直接测带电物料的放电电流IK,或通过测量管壁、喷嘴的放电电流IK，可计算带电物料的总电荷

Q=ΣIK·Δt

若测出其平均电流

I=1/n·ΣIK

则总的带电量

Q=n·Δt·I=t·I

c、一个容器（或罐、舱）注入带电液体，如已知该液体的时间常数为τ，管道注入口的带电液体用微小电流计测得流动电流IS不变，当注入液体的时间为t,且t>>τ,则容器（或罐、舱）内液体所带电荷

Q=IS·τ

（2）、表面电荷的测量

带电物体的局部表面为等电位面时，便可视为静电导体表面，这样，该表面电荷可由表面电位VS和该面的视在静电容CS乘积算出，即

QS＝CS·VS

1厚带电物体表面电荷的测量

将厚带电物体表面看为上述理想的带电状态，表面电荷测量方法如图（5.37）所示。

（a）被测表面与电极之间的距离应小到不产生放电，保护电极应有足够的宽度，且希望能具有与带电物体表面相同的形状。

（b）测量表面电位之前，应先将测量表面部位的视在静电电容测出或近似计算出。

（c）测量的表面电位和视在静电容按式计算出表面电荷。

图（5.37）后带电物体表面电荷的测量

②薄带电物体表面电荷的测量

在薄带电物体背面紧贴一金属板，这样的结果是：

a、使带电物体表面的视在静电电容增加、表面电位降低，因而能使用测量精度及分辨率较高的测量仪表；

b、具有缓和带电物体内面电荷影响的效应。

测量方法如图（5.38）所示，在带电体背面设置紧贴的接地金属板，然后同（5.37）一样，测量表面电位和视在静电电容，算出表面电荷。

图（5.38）薄形带电物体表面电荷的测量

③表面电荷分部的测量

a、表面电荷密度σS可通过前

（1）或

（2）算出的表面电荷QS和检测电极的表面积S求得

σS＝QS/S

b、求带电表面电荷分布时，可按前

（1）或

（2）对不同局部表面测量算出表面电荷，然后按上述a方法计算该局部表面的电荷密度，便可了解带电物体表面的电荷分布。

c、为提高测量分辨率，应将该检测电极的表面积及测量距离缩小，并且应使用灵敏度高的测量仪，如振动电容式静电电位计，有补偿的电位测试仪表。

④表面电荷测量值的评价

a、在带电状态呈现与导体相同的理想表面带电，其测量值为真表面电荷，并非导体不均匀带电物体的测量值，则是这种假想时的表面电荷，称之为视在表面电荷。

b、在测量电荷分布不均匀的带电体、混和存在正负极性电荷的物体，或内部存在电荷的物体时，其测量值与实际带电物体表面上的电荷真实值相差甚大，当用此值来评价带电体的安全和危险性，应给予充分的注意。

（3）、带电物体电荷的测量

绝缘物体的带电其电荷并不完全分布在表面上，在物体的内部也有电荷存在，因此，带电物体（包括带电粉尘和油品等）电荷量的测量除可用图（5.36）的近似法拉第筒法外，还可根据不同带电物体的形状，使用模拟法拉第筒的不同测量电荷方法，测量出模拟法拉第筒的静电电位V和测量系统的静电电容C，便可计算出带电物体的电荷量Q。

①线、带及膜等带电体的电荷量测量

丝线、薄膜、布及胶带等连续移动物体的带电量测量如图（4.3－5）所示。

这个方法是将移动中的带电物体的一部分围起来，模拟法拉第筒的结构进行测量。

②管道中输送物料的电荷测量

当管道中输送油品、溶剂和粉粒等的带电量也可用模拟法拉第筒进行测量，如图（5.39）所示。

在1大于管道直径d的2.5倍，且内外筒间距小于管道直径d时，那么可以近似地通过内外筒的电容C0和内筒的静电电位V,计算出流过该管道液体的电荷量Q（=CV）。

注意式中的电容C包括内外筒电容C0、内外筒边缘电容Ca、测量用电容器电容Cs和仪表的输入电容Cin。

③带电体的电荷密度

a.电荷均匀分布的体积型带电物体、用体积去除按前述

（1）或

（2）测得的电荷量，其商便为体积密度。

b.电荷均匀分布的表面型带电物体，用表面积去除按前

（1）或

（2）测得的电荷量，其商便为表面电荷密度。

④电荷测量值是带电物体全电荷的代数和（积分值）

注：

粉体电荷和空间电荷及他们的电荷密度略取。

（4）、工作服带电电荷量的测试

GB12014－1989“防静电工作服”中规定的测量装置和测试方法均值磋商。

（1）摩擦对象（黄蜡绸带）不合理。

（2）选转、滚动摩擦中衣服始终接触滚筒，一边摩擦产生静电荷，一边在结合中和，测出的电荷有部分是取出剩削产生的静电荷。

（3）靠人工取出投入法拉第筒的方法也有疑问。

不同人操作时间不一样，取出时很难确保不接触其他金属物体。

总之，测出的数据比实际偏低许多。

5、静电屏蔽袋的测量

EIA541评价方法是采用“电容探测法”－电压波形法

EOS/ESDS-11.31-1994“电流波形法”如图（5.40）、（5.41）所示

表

（1）测试条件比较

测试条件

EIA-541附录E

ESDS-11.31-1994

MIL-883C3015.7

放电电压

放电电容量

放电电阻

测试项目

1000V

200PF

400KΩ

电压和衰减时间

1000V

100PF

1.5KΩ

电流和衰减时间

1000V

100PF

1.5KΩ

电流和衰减时间

MILB81705C规定EIA541（1000V,200PF,400KΩ）最大30V.

6.电场强度测试方法

目前国内只有高频、交流电场产品，直流静电的电场强度仪市场上尚未见到，国外有，但不适用于生产线上。

我研制过一支电容探极试数字显示静电强度仪（调制交流放大型和直流放大型）

DE型静电场强度测量仪是同心球微小电容器探极，至于空间电场E中同心球间距为d中间介质的介电常数为ε，探极上取得的电荷为Q,球极上电压为U。

Q=E·d·C/ε；U=E·d/ε；E=U·ε/d=K·U（K=ε/d）

本仪器可以遥测十米远距离的电场强度。

7．离子风机的测试方法

（1）离子风机的主要技术指标：

①离子平衡度（残留电压）

②静电消散时间

③消电范围

（2）测量方法

参看标准ANSIEOS/ESDS3.1-1991静电放电敏感产品防护－离子化静电消除器