静电的危害及预防

日常生活中的静电从地毯上走过，抓住门的把手，梳头，脱毛线衣，火花产生了。这个现象就是人们所知的静电放电(ESD,electrostaticischarge)。人类通过日常活动可产生高达25,000V的静电放电。人类手的神经可感觉到低至大约3,000V的静电放电。只需要10V的ESD就可毁坏今天IC内部的某些极小零件和迹线。其结果是，虽然ESD看不见、听不到或感觉不到，但可重大地损伤或毁坏电子产品。人类对静电的认识•静电学是电学中最古老的学科•据有资料记载,古希腊哲学家塔勒斯(Thales)公元前640-546年在研究天然磁石的磁性时发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀（Amber）之后也有类似于磁石能吸引轻小物体的性质。电这个词起源于希腊语（琥珀）二十世纪中后期静电危害震惊世界•美国从1960年到1975年由于静电引起的火灾爆炸事故达116起。•1969年底在不到一个月的时间内荷兰、挪威、英国三艘20万吨超级油轮洗舱时产生的静电引起相继发生爆炸以后引起了世界科学家对静电防护的关注。•我国在石化企业发生了30多起较大的静电事故，其中损失达百万元以上的有数起。高科技工业生产中静电危害的形成•高工业生产的高速发展以及高分子材料的迅速推广应用，一些电阻率很高的高分子材料如塑料，橡胶等的制品的广泛应用以及现代生产过程的高速化，使得静电能积累到很高的程度，•另一方面，静电敏感材料的生产和使用，如轻质油品，火药，固态电子器件等，工矿企业部门受静电的危害也越来越突出，静电危害造成了相当严重的后果和损失。静电放电防护意义•1、减少损失（例如：美国一年的损失达200多亿美金，仅电子工业的损失超过100多亿美金）•2、提高产品质量和可靠性•3、提高生产效率•4、静电防护回报达1：95以上静电放电的培训人员•领导管理人•设计工程师•现场工程师•维护、修理技术人员•仓储人员•质量控制和检测人员代表性的培训内容•基本知识与基本原理•静电防护操作要求•防护器材•测量与标准•敏感度分类•包装、标志•防静电工作区静电起电定义•静电起电包括使正、负电荷发生分离的一切过程，如通过固体与固体表面、固体与液体表面之间的接触、摩擦、碰撞，固体或液体表面的破裂等机械作用产生的正、负电荷分离。也包括气体的离子化、喷射带电以及在粉尘、雪花和暴风雨中的带电现象。金属与金属的接触起电•两种不同的金属I和II相接触时，当它们之间的距离小于25×10-10m时，由于量子力学的隧道效应，两种金属内的电子穿过界面而互相交换。•由于两金属的功函数不同，对电子的吸引力不同，当达到平衡时，一种金属失去电子带正电，另一种金属得到电子带负电，界面两侧出现了等量异号电荷（偶电层），两金属之间产生了一定的电位差（接触电势差）。摩擦起电的实质•接触分离起电•任何不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电静电是如何产生的•接触分离起电（本质）•摩擦起电•摩擦实质上是一种接触分离造成正负电荷不平衡的过程•工作时常接触到的物体有：•桌面、地板、椅子、衣服、纸张、卷宗、包装材料、流动空气。1.3静电带电序列•（+）兔毛玻璃云母人发尼龙羊毛毛皮铅丝铝棉花钢木材琥珀封腊硬橡胶铜、镍银、黄铜金、白金硫磺醋酸酯纤维聚酯赛璐珞硅聚四氟乙烯序列表中的物质离得越远，各自所带的电荷数量也越大。常见物质的磨擦起电序列如下表所示：感应静电起电物体不接触也能起电•当带电物体A接近不带电物体C时•在导体C的a端和b端分别感应出负电和正电••ACB静电感应引起放电•++++++++++图1其他起电方式•热电起电•压电起电•断裂起电•电解带电•亥姆霍兹层•喷射起电等人活动产生的静电电压(参考数据)•人体活动静电电压(KV)静电电压(KV)相对湿度(10-20)%相对湿度(65-90)%人在地毯上走动351.5在工作台上操作60.1从工作椅上站起181.5器件所能承受的静电电压•器件类型静电破坏电压(V)VMOS30~1800OP-AMP190~2500几十伏到几百伏几千伏到几万伏器件人体静电电压要密切注意元件在不易察觉的放电电压下发生的损坏，这一点非常重要。人体有感觉的静电放电电压在3000—5000V之间，然而，元件发生损坏时的电压仅几百伏。生产场所中的静电危害源物体或工艺加工材料或活动人站起行走操作工作服椅子组装、清洗、测试和维修区静电是如何产生的小结•任何两个不同材质的物体接触后现分离即可产生静电。•摩擦的实质是一种接触分离过程。•当带电物体接近不带电物体时会感应静电。•大部分器件的静电破坏电压都在几十至几百伏，而在干燥的环境中人活动所产生的静电可达几千伏到几万伏。静电放电造成火箭飞行失败统计表•序号火箭名称飞行试验代号发射时间高度/KM真空度/mmHg故障简况及原因1民兵IFTM-50219627.6316静电放电造成制导计算机故障,I级发动机关闭前自毁,发射失败2民兵IFTM-503196221.839.6静电放电造成制导计算机故障,I级发动机关闭前自毁,发射失败3欧罗尼IIF-II1971277.94静电放电使制导计算机阻塞,姿态失控,约一分钟后,火箭I、II级过载自毁发射失败4侦察兵S-112196438-423.09-1.86电爆管桥丝和壳体之间因电弧击穿，II级发动机自毁系统爆炸，发射失败5侦察兵5128196438-423.09-1.86电爆管桥丝和壳体之间因电弧击穿，II级发动机自毁系统爆炸，发射失败6大力神IIICC-101967268.94静电放电使制导计算机故障后自动转移到应急后备状态7大力神IIICC-1419671752静电放电使制导计算机故障后，经地面发射指令，修正到预定轨道8德尔安23131974制导系统控制器件故障，火箭翻滚，发射失败电子工业中静电问题的产生静电是时时刻刻到处存在的，但是在二十世纪40－50年代很少有静电问题，因为那时是晶体三极管和二极管，而所产生静电也不如现在普遍存在。在60年代，随着对静电非常敏感的ＭＯＳ器件的出现，静电问题也出现了，到70年代静电问题越来越来严重。80－90年代，随着集成电路的密度越来越大，一方面其二氧化硅膜的厚度越来越薄(微米－纳米），其承承受的静电电压越来越低，另一方面，产生和积累静电的材料如塑料，橡胶等大量使用，使得静电越来越普遍存在，仅美国电子工业每年因静电造成的损失达几百亿美圆，因此静电防护已成为电子工业的隐形杀手。是电子工业普遍存在的＂硬病毒＂，在某个时刻内外因条件具备时就要发作。电子工业中静电问题的产生静电对电子产品损害的四种形式•吸尘（缩短寿命）•放电破坏（完全破坏）•放电产生热（潜在损伤）•放电产生电磁场（电磁干扰）静电的基本物理特性为：吸引或排斥，与大地有电位差，会产生放电电流。这三种特性能对电子元件的三种影响：1．静电吸附灰尘，降低元件绝缘电阻（缩短寿命）。2．静电放电破坏，使元件受损不能工作(完全破坏)。3．静电放电电场或电流产生的热，使元件受伤（潜在损伤）。4．静电放电产生的电磁场幅度很大（达几百伏/米）频谱极宽（从几十兆到几千兆），对电子产器造成干扰甚至损坏（电磁干扰)。•如果元件全部破坏，必能在生产及品管中被察觉而排除，影响较小，如果元件轻微受损，在正常测试下不易发现，在这种情形下，常会因经过多层之加工，甚至已在使用时，才发现破坏，不但检查不易，而且其损失亦难以预测。要耗费多少人力及财力才能清查出所有问题，而且如果在使用时才察觉故障，其损失将可能巨大。静电对电子产品损害静电对电子产品损害的四个特点•隐蔽性：人体感知的静电放电电压2-3KV•潜在性：操作后性能没有明显的下降•随机性：从一个元件产生以后，一直到它损坏以前的所有过程•复杂性：分析困难，掩盖了失效和真正原因静电对电子产品损害的特点1.隐蔽性人体不能直接感知静电除非发生静电放电,但是发生静电放电人体也不一定能有电击的感觉,这是因为人体感知的静电放电电压为2－3KV,所以静电具有隐蔽性。2.潜在性有些电子元器件受到静电损伤后的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。因此静电对器件的损伤具有潜在性。静电对电子产品损害的特点•3.随机性•电子元件甚么情况下会遭受静电破坏呢?可以这么说，从一个元件产生以后，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动性性。其损坏也具有随机动性性。•4.复杂性•静电放电损伤的失效分析工作，因电子产品的精、细、微小的结构特点而费时、费事、费钱，要求较高的技术并往往需要使用扫描电镜等高精密仪器。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他失效。这在对静电放电损害未充分认识之前，常常归因于早期失效或情况不明的失效，从而不自觉地掩盖了失效的真正原因。所以静电对电子器件损伤的分析具有复杂性。静电放电造成微电子电路损伤的模式•金属布线与扩散区（或多晶）接触孔产生火花，使金属和硅的欧姆接触被破坏。•使节点的温度超过半导体硅的熔点（1415℃）时,使硅熔解，产生再结晶，造成器件短路。•金属化电极和布线熔解、“球化”，造成电路开路。•大电流流过PN结产生焦耳热，使结温升高，形成“热斑”或“热奔”，导致器件损坏。•静电放电引发的瞬时大电流（静电火花）引燃引爆易燃、易爆气体混合物或电火工品，造成意外燃烧、爆炸事故。•静电放电使人体遭受电击引发操作失误造成二次事故、静电场的库仑力作用使纺织、印刷、塑料包装等自动化生产线受阻。第三类静电危害是由于静电放电的电磁辐射或静电放电电磁脉冲（ESDEMP）对电子设备造成的电磁干扰引发的各种事故。静电放电造成微电子电路损伤的模式机理分析•一般说来，静电放电都是在微秒或钠秒量级完成的，因此这一过程是一种绝热过程，放电瞬间通过回路的大电流，形成局部的高温热源。对微电子器件而言，其静电放电能量通过器件集中释放，其平均功率可达几千瓦，热量很难从功率耗散面向外扩散，因而在器件内形成大的温度梯度，造成局部热损伤，电路性能变坏或失效。静电放电造成微电子电路损伤的模式静电放电强电场效应•强电场导致MOS声效应器件的栅氧化层被击穿，使器件失效。•强电声导致微电子电路绝缘介质击穿，或使器件性能下降。•强电场使集成电路和精密的电子组件老化，降低设备寿命。电子工业哪些过程会产生静电危害•元件从生产到使用的整体过程中都会产生静电，依各阶段的可分为：•1.元件制造过程•在这个过程，包含制造，切割、接线、检验到交货。•2.印刷电路版生产过程•收货、验收、储存、插入、焊接、品管、包装到出货。•3.设备制造过程•电路板验收、储存、装配、品管、出货。•4.设备使用过程•收货、安装、试验、使用及保养。为什么要提升静电防护意识•在本世纪70前代以前，很多静电问题都是由于人们没有静电意识而造成的，即使现在也有很多人怀疑静电会对电子产品造成损坏。这是因为大多数静电损害发生在人的感觉以下,因为人体对静电放电的感知电压约为3ＫＶ，而许多电子元件在几百伏甚至几十伏时就会损坏，通常电子器件被静电损坏后没有明显的界限，把元件安装在PCB上以后再检测，结果出现很多问题，分析也相当困难。特别是潜在损坏，即使用精密仪器也很难测量出其性能有明显的变化，所以很都电子工程师和设计人员都怀疑静电，近年但实验证实，这种潜在损坏在一定时间以后，电子产品的可靠性明显下降•静电是即古老又年轻的学科•任何物质接触分离后都会产生静电•静电的产生与材料、接触分离的速度、湿度等因素有关•工业生产中静电危害的特点主要有：隐蔽性、潜在性、随机性、复杂性•静电也可以利用。高科技工业中静电控制原理•在操作等过程中控制静电，使其不能达到危害的程度（所有工作人员）•提高元器件、组件（线路板）及整机的搞静电能力（设计人员）人体静电放电控制原理•人体是最普遍存在的静电危害源•对于静电来说，人体是导体。•对人体采取接地的措施可以控制人体静电。静电放电控制原理—接地•在大多数情况下，第三条导线（保护接地）交流设备接地是接地的最优先选择。•当第三条交流设备接地导线不能用到或不适用时，工作人员应该通过腕带或其它接地系统与静电放电敏感物件的一个导