静电学手册(第二册)

静电学手册第二册各种静电相关问题人体对静电的感觉各行各业中的静电问题静电故障的作用过程静电力吸附的作用过程静电释放引发的火灾与爆炸II各种静电相关问题··········································································II-2II-1人体对静电的感觉········································································II-2II-2各行各业中的静电问题·······························································II-2II-3静电故障的作用过程····································································II-4半导体设备相关问题···············································································II-4静电释放（ESD）模型·············································································II-5引起静电故障的带电物体·········································································II-5II-4静电力吸附的作用过程·······························································II-6作用在“表面积/重量”之比极大的物体上的静电力····································II-6作用在平面物体上的静电力······································································II-6作用在导体与绝缘体之间的静电力····························································II-7灰尘相关问题静电消除实例······································································II-8II-5静电释放引发的火灾与爆炸······················································II-9电磁干扰（EMI）··················································································II-10II-3II.各种静电相关问题静电实用手册II各种静电相关问题II-1人体对静电的感觉由于人体的电容很小，因此人体在未接地的情况下四处走动就会形成电荷。在实际的工作场合中，有很多机会会促使人体形成静电，例如站立和坐下时（接触或离开椅子），或在四处走动时。当人体形成电荷时，静电会在体内积蓄并产生很多问题。如果一个带有静电的工人不小心触碰了静电敏感电子元件（例如半导体），这样就会发生静电故障。人体与带电物体接触时会释放静电，从而产生干扰。此类问题可能会造成计算机设备故障。表2-1-1显示人体内的电荷电位与电击程度的关系。如该表所示，当电荷电位达到3kV时，人就会感到刺痛。当超过10kV时，就会觉得眼前发黑。尽管在任何场合都会不断地产生静电，但人体对于1kV左右的静电几乎没有任何感觉。然而在生产设施中，这个1kV甚至更弱的静电都会在工人毫无知觉的情况下产生许多问题，从而在生产过程中造成次品或问题。表格2-1-1：人体内的电荷电位与电击程度的关系摘自产业安全研究所发布的“静电安全指南”人体内的电荷电位[kV]电击程度1.02.03.05.06.07.08.09.010.011.012.0无感觉手指产生感觉，但无痛感。有针刺般的刺痛感。手掌及前臂有痛感。手指有强烈痛感，上臂沉重。手指及手掌有强烈痛感及麻痹感。手掌及前臂有麻痹感。手腕有强烈痛感，手感觉麻痹。整只手有痛感并感觉有电流通过。手指有强烈的麻痹感，整只手有强烈的电击感。整只手感觉遭受重击。II-2各行各业中的静电问题静电所带来的问题不仅仅针对电子设备业，而是已经扩大到了各行各业。这些问题包括：在半导体业的芯片安装过程中发生产品损坏，在电子元件业中发生产品互相混淆以及在塑料业中将互相粘在一起的两片薄膜当作一片取出。以上这些问题都是由静电引起的。表格2-2-1通过划分行业来举例说明一些主要的静电问题。表格2-2-1：以行业划分的主要静电问题如上一章所示，发生这些问题的原因都是因为产生静电的缘故。电荷的存在行业中的静电问题示例半导体（堵塞细管）电子部件（由于静电被小型部件堵塞）半导体/LCD/LCD相关产品（玻璃基板吸附灰尘）化工（灰尘吸附在薄膜上造成损伤）细管小型部件LCD基板薄膜II-4静电实用手册II.各种静电相关问题导致电场的形成，然后带电物体进入电场通过库伦力产生吸力或斥力。行业带电物体问题实例半导体、LCD包装、内部电路损伤电路，减弱特性，减少产量工厂设施、包装材料、工人出厂后发现次品玻璃面板、工人、设施损伤晶体管，在生产期间损坏玻璃面板电/电子绝缘材料、工人等损伤电路/设备，电路故障，计算机运行当机，自动机械故障化学纤维有瑕疵的原丝束，缠绕或破损的丝线薄膜灰尘吸附，薄膜缠绕滚轴，静电释放（点火源，电击，形成针孔）其它灰尘吸附，产品相吸/相斥，产品粘附在设备上医药衣物等氧气罐内部燃烧/爆炸，麻醉气体燃烧其它粉末结块，散乱，筛滤故障，静电释放（灰尘爆炸，电击）运输管道灰尘吸附，静电释放（点火源，电击）纸张因墨水溅射引起的打印故障，数张纸粘在一起，在背面进行多余的打印在日常生活中，有时衣服会粘在身上或泡沫塑料的微粒会附在周围的物体上。这些现象也是由库伦力所造成的。在这些情况中，当表面积与重量相差甚远的物体（例如薄膜）或重量相对较轻的物体（例如泡沫塑料）内形成静电时，产生的静电力远大于施加在物体上的重力，从而造成静电问题。其作用过程如下：当此类小物体（重量小）带有相同的电极时，它们会相斥。当这些带电物体接近另一个导体，在导体内部会发生静电感应，然后该导体表现出与带电物体相反的电极。由于导体和带电物体的电极相反，于是在它们之间形成一股吸力。如果带电物体比导体轻，则会吸附在导体上。如果比导体重，则会将导体吸附过来。在一个干净的房间里，可以看见灰尘微粒吸附在设备的金属部分上，有时还会形成很大一团。这是因为，周围的带电物体使空气中的灰尘微粒带上电荷或产生极性，然后灰尘微粒被吸附到比它们重的带电物体的表面上。像薄膜这类柔软的材料往往会比硬质材料带有更多静电，即便施加的电荷是一样的。这是因为薄膜的有效接触面积更大。1.当晶片从晶片架中取出的时候3.当芯片在芯片安装过程中被取出时晶片架2.当保护膜从基板上剥落时保护膜芯片安装II-5II.各种静电相关问题静电实用手册II-3静电故障的作用过程静电故障就是由静电造成电子元件（例如IC（集成电路））损坏的一种现象。当IC中发生静电故障时，由于静电释放，高压电流瞬间穿过IC内部，破坏了高绝缘性二氧化硅（绝缘层）并损坏内部电路。尤其是现今的电子元件，它们被设计的更轻更小，以至于对静电问题十分敏感。例如，当施加80到100V的电压时，MOS半导体就是失去其“半导体”的特性。你可以想象这股电压是多么微不足道，因为人类对3KV的电压也只是感到刺痛。在现实中，当氧化膜厚度不够时，即使是更小的电压也会使元件损坏。由于半导体设备的电路在设计上更精密更复杂，因此电线之间的间隔也更狭窄。随着设备的小型化，这些因素降低了其对静电的免疫力，导致需要更加完善的静电控制措施。半导体设备相关问题表格2-3-1举例说明了一些与半导体设备相关的静电问题。1.当从晶片架上取出晶片时：由于在传送晶片或从晶片架上取出晶片时会因分离电荷而使晶片形成电荷，因此可能会因静电释放而造成静电故障。2.当从基片上撕下保护膜时：从LCD玻璃基片上撕下保护膜时，分离电荷会使电荷积蓄，因此可能会造成静电故障。3.当在芯片安全过程中拿走芯片时：从晶片膜上取下芯片时，分离电荷会使电荷积蓄，因此可能会造成静电故障。图2-3-1：半导体设备相关静电问题实例人体模型(HBM)当一个带有静电的工人不当心靠近半导体设备时，在设备端口与工人的手指之间发生了静电释放。（工人似乎非常容易带电，因为他们四处走动并且进行各种操作。）机器模型(MM)当半导体设备接触一个带有静电的导体时，该设备就会带电。当设备接地时，就会发生静电击穿。带电设备波形(CDM)当半导体设备的内部电路带电且设备端口接近附近的导体时会发生放电，而内部电路也因为静电击穿而损坏。类别人体模型(HBM)机器模型(MM)带电设备波形(CDM)电流半导体设备导体半导体设备半导体设备电流电流II-6静电实用手册II.各种静电相关问题静电释放（ESD）模型有三类带电物体可能会造成半导体设备的静电故障：工人，工厂设施以及半导体设备本身。这些起因可表示为“人体模型（HBM)”、“机器模型（MM）”以及“带电设备模型（CDM）”。引起静电故障的带电物体当带有静电的人体接触设备的导线且该设备因静电释放也带上电荷时，一股释放电流在设备接地的情况下瞬间穿过电路，导致静电故障。类似情况下，当外部带电物体是人体时从人体向半导体设备释放电流的这种模型就称为“人体模型（HBM）”。当外部物体是人体时，大量电荷从人体释放出去，释放的能量远大于相同情况下绝缘体释放的能量。当外部物体是工厂设施（例如机器）时，该现象就称为“机器模型（MM）”。如果在生产过程中使用的设施没有接地，即便是导体也会积蓄电荷。当这些带电设施接触到半导体设备的外部端口时，一股电流穿过该设备，导致静电故障。此外，即便针对HBM与MM这两类静电释放（ESD）模型采取可靠的措施，仍有可能会因为半导体设备的生产与组装过程中产生的静电释放而导致故障。此类故障的原因是半导体设备自身形成电荷时所产生的静电释放（ESD），该现象就称为“带电设备模型（CDM）”。在CDM中，设备因表面摩擦形成电荷，同时在导体（如电路和电线）内部因外部电场而产生静电感应。在这种情况下，当导线接地时，内部电场产生剧烈变化，一股释放电流穿过电路，从而导致静电故障。图2-4-1：吸引力作用于带电微粒绝缘体图2-4-2：吸附力作用于平面物体II-7II.各种静电相关问题静电实用手册II-4静电力吸附的作用过程如上述内容所示，当带电物体互相接近时，在它们之间有一股力量在产生作用，使相同电极的静电荷相斥，相反电极的静电荷相吸，就如同磁铁的N极和S极。这种力被称为库伦力，并且就是这种作用在带电物体上的吸力/斥力造成各种静电问题。本节根据作用类型说明静电力的作用过程。作用在“表面积/重量”之比极大的物体上的静电力对于“表面积/重量”之比极大的物体（例如微粒、纤维或薄膜），库伦力远比作用在物体上的重力大。图2-4-1显示使带电微粒吸附在薄膜表面的静电的作用过程。当薄膜（绝缘体）表面带有电荷且表面上的电荷密度为σ[C/m2]时，电场可表示为E=σ/2ε0[V/m]。当带电微粒的电荷量为Q[C]时，靠近薄膜的微粒被F=Qσ/2ε0[N]大小的力吸附到带电薄膜表面。F=QE例如，当摩擦绝缘片表面时电荷量约为每单位面积10-5[C/m2]。将该值套用公式后，得出带电表面的电场约为F=5.65x105[V/m]。假设小微粒的直径约为1[μm]，并且有10-5[C/m2]（这些值非常接近实际）的表面电荷向绝缘片靠近。由于该微粒的电荷量为Q=3.14x10-17[C]，因此它被一股约为(F=QE)F=1.8x10-11[N]的