5_静电放电及其危害分析

1第五章静电放电及其危害分析2第五章静电放电及其危害分析本章主要内容是静电放电的特点及分类，分析静电危害的特点及作用机理，以及形成静电危害的条件与阈值。§5-1静电放电的特点及分类§5-4静电危害的预测和分析§5-2静电危害的特点及作用机理§5-3形成静电危害的条件与阈值3§5-1静电放电的特点与分类一、静电放电的特点随着现代科学技术的发展，静电危害日益严重，人们对静电起电、放电机理及其放电特性等都进行了深入研究，静电放电（ESD）及其危害防护成为静电安全工程学的核心内容。1.静电放电的定义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。通常我们把非故意，偶然产生的ESD称为ESD事件。第五章静电放电及其危害分析142.静电放电的特点（1）静电放电是高电位、强电场、瞬时大电流的过程。过去人们一直以为静电是一种高电位、强电场、小电流的过程，事实上也的确有些静电放电过程产生的放电电流比较小，比如我们后面要讲到的电晕放电。但是在大多数的情况下，静电放电过程往往会产生瞬时脉冲大电流。尤其是带电导体或手持金属物体（如钥匙或螺丝刀等）的带电体对接地体产生火花放电时，产生的瞬时脉冲电流的强度可达到几十安培甚至上百安培。第五章静电放电及其危害分析152.静电放电的特点（2）静电放电会产生强烈的电磁辐射形成电磁脉冲（EMP）。近年来随着静电测试技术、测量仪器及测试手段的发展，人们对ESD这一瞬态过程认识越来越清楚。在ESD过程中会产生上升时间极快、持续时间极短的初始大电流脉冲，并产生强烈的电磁辐射，形成静电放电电磁脉冲。它的电磁能量往往会引起电子系统中敏感部件的损坏、翻转，使某些装置中的电火工品误爆，造成事故。第五章静电放电及其危害分析16二、静电放电的类型由于带电体可能是固体、流体、粉体以及其他条件不同，静电放电可能有多种形态，根据其特点，并从防止静电危害方面来考虑，放电类型主要有7种，即电晕放电，火花放电，刷型放电，传播型刷型放电，大型料仓内的粉堆放电，雷状放电，电场辐射放电。后面还要专门讲气体放电理论，现在只作简单介绍。第五章静电放电及其危害分析171.电晕放电电晕放电是发生在极不均匀的电场中，空气被局部电离的一种放电形式。如要引发电晕放电，通常要求电极或带电体附近的电场较强。对于两极间的静电放电，只有当某一电极或两个电极本身的尺寸比起极间距离小得多时才会出现电晕放电。电晕放电根据电极形状的不同可以分为：线－线，线－筒，线－板，尖端－平板式等。以尖端和平板电极结构为例简单介绍电晕放电的机制及其主要特点：8A1410两极间电压小于某一定值时，极间任何部分的场强均未超过空气的击穿强度，两极间任何地方都不会产生显著的空气电离现象。但两极间却有一定的电流通过，随着外电压升高而增加，最终达到一饱和值。饱和电流的量级为当极间电压升高到某一特定值时，尖端附近的场强开始超过空气的击穿场强，进入这一区域的电子被电场加速获得足够的能量。当与中性分子或原子碰撞时引起电离，产生正离子和新的电子，新的电子也会以同样的方式产生下一代的离子、电子对，这样在尖端附近就像雪崩式的形成了电子崩。但是这一过程仅在尖端附近才能维持，而极间其它地方由于场强较小不能维持这一过程。cU尖端和平板电极结构9在电晕放电过程中，空气被电离的同时，也会产生空气分子或原子的激发，处于激发状态的分子或原子回到基态时会放出光，因此，在电晕放电时尖端附近可以看到淡蓝色的光晕，所以叫做电晕放电。但是形成标志为放电电流由饱和电流10－14A突然上升到10－6A左右.根据放电尖端的极性不同，电晕放电被分为正电晕和负电晕两种类型。当放电尖端为阴极时，产生的电晕放电为负电晕；当放电尖端为阳极时，产生的电晕放电被称为正电晕。从电晕放电产生的电晕的形状来看，负电晕是包围着放电尖端的均匀光晕圈，而正电晕则呈现出非均匀的丝状。一般来讲，正电晕的起晕电压要比负电晕的起晕电压要高。10电晕放电的电流很小，一般在1微安到几百个微安之间，一般不具备引燃、引爆能力。而且电晕放电的许多特点还被人们广泛利用，如在静电除尘、静电分离和静电消除等都用到了电晕放电技术。当然，电晕放电也有其有害的一面，尤其严重的是电晕放电会给许多系统造成电磁干扰。飞机、航天器的通讯或导弹在飞行过程中，机壳或弹体上会因摩擦而产生静电，当静电电位足够高时可引发电晕放电，而电晕放电形成的电磁干扰会对飞机、航天器或导弹的指导系统产生干扰，造成通讯中断或指导失灵，引发事故。另外，高压输电线上的电晕放电会造成不必要的电力浪费。第五章静电放电及其危害分析1112.静电火花放电•当静电电位比较高的带电导体或人体靠近其他导体、人体或者接地导体时，便会引发静电火花放电。静电火花放电是一个瞬变的过程，放电时两放电体之间的空气被击穿，形成“快如闪电”的火花通道，与此同时还伴有噼啪的爆裂声，爆裂声是由于火花通道内的空气温度急剧上升形成的气压冲击波造成的。•在发生火花放电时，静电能量瞬时集中释放，其引燃、引爆能力较强。另外静电火花放电产生的放电电流及电磁脉冲具有较大的破坏力，可以对一些敏感的电子器件和设备造成损害。12第五章静电放电及其危害分析1带电导体产生的静电火花放电与人体产生的静电火花放电是不完全相同的，在多数情况下，导体上的静电放电，产生一次火花通道就能释放掉绝大部分静电电荷。而对于人体来说，由于人体阻抗是随人体静电电位变化的，在一次放电过程中可能包含了多次火花通道的形成、消失过程，即重复放电。每次放电过程中仅仅放掉一部分静电电荷，即每次仅释放人体静电能量的一部分。13第五章静电放电及其危害分析13.刷形放电这种放电往往发生在导体与带电绝缘体之间，带电绝缘体可以是固体、气体或低电导率的液体。产生刷型放电时形成的放电通道在导体一端集中在某一点上，而在绝缘体一端有较多分叉，分布在一定空间范围内，根据其放电通道的形状，这种放电被称为刷形放电。刷形放电所释放的能量和在绝缘体上产生的放电区域及形状，与绝缘体相对于导体的电位极性有关。当绝缘体相对于导体为正电位时，在绝缘体上产生的放电区域为均匀的圆状，放电面积比较小，释放的能量也比较小。14第五章静电危害及其分析1当绝缘体相对于导体为负电位时，在绝缘体上产生的放电区域是不规则的星状区域，区域面积比较大，释放的能量也比较多。一般来说，刷型放电释放的能量可高达4mJ，因此它可引燃、引爆大多数的可燃气体，但它一般不会引起粉体的爆炸。4.传播型刷型放电传播型刷形放电又称为沿面放电，只有当绝缘体表面电荷密度大于2.7X10－4C／m2时，才可能发生。但在常温、常压下，如此高的电荷面密度较难出现。一般当绝缘板一侧紧贴有接地金属板，或者当电介质被高度极化时，才有可能出现。因为在空气中单极性绝缘体表面电荷密度的极限值约为2.7*10-4C/m2，超过时就会使空气电离。只有当绝缘体两侧带有不同极性的电荷且厚度小于8mm时，才有可能出现这样高的电荷密度，此时绝缘体内部场强很强，而在空气中则较弱。15第五章静电放电及其危害分析1当金属导体靠近带电绝缘体表面时，外部电场得到增强，也可引发刷形放电。刷形放电导致绝缘板上某一小部分的电荷被中和，与此同时，它周围部分高密度表面电荷便在此处形成很强的径向电场，这一电场会导致进一步的击穿，这样放电沿着整个绝缘板的表面传播开来，直到所有的电荷全部被中和。传播型刷形放电释放的能量很大，有时候可以达到数焦耳，因此其引燃、引爆能力极强。实际生产中，这种很高的表面电荷密度，在气流输送粉料和灌装大型容器的设备为绝缘材质或者带有绝缘层的金属材质时，比较容易发生。16第五章静电放电及其危害分析15.大型料仓内的粉堆放电当把绝缘性很高的粉粒由气流输送，经过管道和滑槽进入大型料仓时，在沉积的粉堆表面可能发生强烈的放电，放电能量可达10mJ。粉料沉积后，其体电荷密度迅速增加，表面的场强也相应增强，当场强增加到一定程度时，首先在粉堆的顶部产生空气的电离，形成从仓壁到粉堆顶部的等离子体导电通道，产生粉堆与仓璧之间的静电放电。一般来说，料仓的体积越大，粉体进入料仓时流量越高，粉粒绝缘性能越好，越容易形成放电。这种放电一般可能发生在容积达到1003或者更大的料仓中。17第五章静电放电及其危害分析16.雷状放电这是一种大型的空间放电形式，最初在火山爆发的尘埃中出现过，近年来在试验中得到证实。但在实际工业生产中尚未发生过。有研究者认为，容器体积小于60m3或者柱形容器的直径小于3m时不会发生这种放电。7.电场辐射放电电场辐射放电依赖于高电场强度下的气体电离，当带电体附近的电场强度达到3MV／m时，这种放电就有可能发生。放电时，带电体表面可能发射电子。这类放电能量比较小，引燃引爆能力弱，出现这种放电的概率比较低。18§5-2静电危害的特点及作用机理静电危害主要来源于静电的力学效应、热效应、电磁效应、静电电击等。一、静电力学效应造成的危害——生产的障碍在积聚有静电荷的物体周围存在着静电场，静电场可以使介质极化，在库仑力的作用下，悬浮在空气中的尘埃被吸附在物体上污染环境，影响产品质量。⑴产品吸附尘埃，影响产品质量；⑵微电子业，尘埃吸附芯片上，使成品率下降；⑶纺织业，影响产品质量及生产效率；⑷印刷业，使自动化生产受到影响；⑸粉体加工行业，造成气力输送管道不畅通。第五章静电放电及其危害分219第五章静电放电及其危害分析2二、ESD热效应造成的危害——危险场所的点火源和引爆源，微电子器件的损伤源一般来说，静电火花放电和刷型放电都是在微秒或纳秒量级完成的。放电瞬间回路通过数安培的大电流使空气电离、击穿、发光、发热，形成局部的高温热源。这种局部高温热源可以引起易燃、易爆气体燃烧、爆炸，也可以使火炸药、电雷管、电引信等各种电发火装置意外发火，引起爆炸事故。在微电子领域，放电过程是在0.1us时间内释放的，其平均功率可达几千瓦。如此大的短脉冲电流作用在器件上，可以使得硅片上微区熔化，使得铝互连局部区域发生球化，甚至烧毁PN结和金属互连线，形成破坏性的“热电击穿”，导致电路损坏失效。20第五章静电放电及其危害分析2三、高压静电场引起的介质击穿和潜在性危害静电荷在物体上的积累往往使物体对地具有高电压，在附近形成强电场。高压静电场也可以使多层布线电路间介质击穿或金属导线间介质击穿，造成电路失效。因为绝缘材料的雪崩击穿需要一定的时间，所以高压静电场也常常导致潜在的危害，使设备或者电路的可靠性降低。高压静电场也可能造成同步发电机、大型变压器的绝缘绕组间的绝缘层击穿，产生破坏性后果。据报道，曾有同步发电机因绕组槽绝缘嵌条运转中与空气摩擦产生静电导致绝缘介质击穿短路，电机烧毁。21第五章静电放电及其危害分析2四、ESD的电磁效应是信息化时代电子装备的主要危害源之一静电放电过程是电位、电流随机瞬时变化的电磁辐射过程。无论是放电能量较小的电晕放电，还是放电能量较大的火花放电，都可以产生电磁辐射。这种近场的静电放电、电磁辐射对各种电子设备、信息化系统都可以造成电磁干扰。ESD电磁干扰属于宽带干扰，从低频直到几个G赫兹以上。22•电晕放电是出现在飞机机翼、螺旋桨及天线和火箭、导弹表面等尖端或细线部位，产生兆到吉赫兹范围的电磁干扰，使飞机、火箭等空间飞行器与地面的无线通讯中断，导弹系统不能正常工作，使卫星姿态失控，造成严重后果。另外，电晕放电产生的噪声，对某些家用电器和电信号检测工作也会造成电磁干扰。•传播型刷型放电和火花放电都是静电能量比较大的ESD过程，即使采取了比较完备的电磁屏蔽措施，ESD的大电流脉冲仍会在仪器外壳上产生大压降，这种瞬时的电压跳变，会造成被屏蔽的内部电路出现感应脉冲而引起电路故障。23第五章静电放电及其危害分析2五、ESD对人体电击可以造成“二次”危害事故当带电人体接近接地导体或机器设备等较大金属物体时，会形成火花放电，相反的情况是当人体接近带有高电压的导体时，也会形成火花放电，这两种静电放电都会使人体受到电击。由于人体受到电击而带来的精神紧张，往往会造成手脚动作失常，被机器设备