静电敏感元件和部件的防护

1第五章静电敏感元件／部件的防护在维修过程中还要注意一个不可忽视的问题——静电防护。由静电导致的损坏会以一种间歇的、随机的和不可见的模式在制造业的工厂中和航线设施之间出现。人们正在最大程度的遭受静电敏感装置的威胁。本章对防静电符号、静电的产生及危害、防静电措施、静电敏感元件的运输和储藏、防静电测试等都作了具体的说明。5．1．概述ESDS是electrostatic-discharge-sensitive(静电放电感应)的缩写。随着数字系统和微电子装置在商用航空器上的广泛应用，由于静电放电造成组件损坏的影响范围也正在增加。这些十分精密的组件被称作静电放电敏感(ESDS)组件。这些ESDS组件能够通过在航线可更换组件(LRU)和标志卡上的防静电符号进行识别。当两种不同材料发生摩擦的时候，静电电荷(自由状态下的电子能量)就产生了。这些材料能产生正的或是负的电荷。包括普通塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、泡沫材料、聚亚安酯以及人造纺织品、玻璃纤维和橡胶，通常这些被使用的材料都能产生电荷。在这些材料和其它材料之间的滑动、摩擦或是分割动作都会频繁的产生高达15,000V以上的静电电压。所以人体、工作台、地板(特别是上过蜡的)、家具、衣服、干净的工作服、封装材料、高压气体或液状装置都会产生静电。最常摧毁静电敏感元件的低能源是人体，因为人体穿着不导电衣服并和地板接触，产生并且保持一定能量的静电。一个人在航空器的地毯上走动或是简单地蹭一蹭他的头发都能积累1,000V以上的静电电荷。大多数人都不会感觉到3,000V以下的静电放电。静电放电过程中如果可以看见火花，那么静电电压一定是在12,000V以上。如果静电放电能被看见或是感觉到，就能设定放电前的电势差高达数千伏。然而，足以损坏ESDS组件的电压只需100V或是更少。当静电放电通过或穿过一个装置表面的时候，它的物理或电特性就会发生改变。静电放电(ESD)是在具有不同静电电势的物体之间的一种静电电荷的传输过程，它是通过直接接触引起的或是通过一个静电场感应的。和二极管、TTL逻辑门等传统的半导体装置一样，ESDS元件也容易受到过大的电压及电流的损害。但是能正常地保护半导体的预防措施却不足以保护静电敏感元件。因为静电敏感元件阻抗很高，这些部件更容易受电能量的损害，而这种电能量没有足够的能量损坏传统的半导体。由于静电放电而损坏一个ESDS航线可更换组件的内部器件就能够导致故障。大量的静电放电，随着时间的推移还会使电子系统的特性发生改变。静电和交、直电流的性质是不一样的，主要有以下几个方面：1、起电方式的不同一般工业用电是由电磁感应原理产生的，而静电大部分是因触摸、摩擦、分离而起电的。2、能量相差很大静电在空间积蓄的能量密度一般最大不超过45焦耳／米^3，而电磁机器空间积蓄的能量密度却很容易达到10^8焦耳／米^3，二者能量相差10^5倍。3、表现形式不同静电电位往往高达几千伏，甚至几万伏，而工业用电的相电压为220伏，线电压为380伏，静电电流很小，常为毫微安(10^-9A)数量级，而工业用电则常为安培，几十安培数量级。4、欧姆定律的实用性不同正业用电的电路符合欧姆定律，R=V／I，然而，静电释放电路则很难适用欧姆定律，因为静电的泄漏和释放的途径，除物体内部和表面外，还有空间，且随物体和周围状态而变化，故无法准确计测静电泄漏电流和泄漏电阻。5、静电电量不大，而静电电压很高2静电放电：静电消失有两种主要方式，即中和及泄漏。中和主要是通过空气消失的，中和静电的主要方式有三种，即电晕放电、刷形放电和火花放电。泄漏主要是通过带电体本身消火的，如绝缘体上的静电的消失，由于绝缘体表面电阻和体电阻很大，所以静电泄漏很慢。静电感应：静电感应就是导体在静电场中，其表面不同部位感应出不同电荷或导体上原有电荷重新分布的现象。由于静电感应，不带电的导体可以变成带电的导体，即不带电电导体可以感应静电。在现场，由于静电感应和感应起电，可能在导体(包括人体)上产生很高的电压，有时是导致危险的火花。这是很容易忽视的危险因素。静电屏蔽：在爆炸危险场所，可利用静电屏蔽原理，防止雷云等静电的危害。5．2．防静电标识航空设备维修中常见的防静电标识和符号如下：一、包装标识(图5．2．—1)：二、航线可更换组件装配标识(图4．2.2—2)：三、防静电符号(图5．2．—3)：3四、一套典型的ESDS装置(图5．2．—4)5.3．静电电荷的产生物质都是由分子组成，分子是由原子组成，原子是由带负电的电子和带正电荷的质子组成。在正常状况下，一个原子的质子数和电子数量相同，正负平衡，所以对外表现出不带电的现象。但是电子环绕于原子核周围，一经外力即脱离轨道，离开原来的原子，而侵入其它4的原子，原来的原子因缺少电子数而带有正电现象，称为阳离子、接收电子的原子因增加电子数而呈带负电现象，称为阴离子。造成不平衡电子分布的原因是电子受外力而摆脱轨道，这个外力包括各种能量(如动能，位能，热能，化学能……等)在日常生活中，任何两个不同材质的物体接触后再分离，即可产生静电。当两个不同的物体相互接触时就会使得一个物体失去一些电荷如电子转移到另一个物体使其带正电，而另一个体得到一些剩余电子的物体而带负电。若在分离的过程中电荷难以中和，电荷就会积累是物体带上静电。所以物体与其它物体接触后分离就会带上静电。通常在从一个物体上剥削一张塑料薄膜时就是一种典型的“接触分离”起电，在日常生活中脱衣服产生的静电也是“接触分离”起电。固体、液体甚至气体都会因接触分离而带上静电。气体也是由分子、原子组成，当空气流动时分子、原子液会发生“接触分离”而起电。所以在我们的周围环境甚至我们的身上都会带有不同程度的静电，当静电积累到一定程度时就会发生放电。非导体(绝缘)材料会在它们的表面存储静电电荷。由于这种材料是绝缘体，正极性充电面和负极性充电面能同时存在于同一表面。同样道理，在这个表面也可能共同存在同一种极性的两个不同电位。任意接触或是覆盖这个表面的薄膜导体材料将会短路掉存储的电荷。这种短路作用的范围仅仅存在于接触这种导体材料的表面上。碳注入或是镀金属等等，都是用来减少静电产生和绝缘体电荷存储容量的方法。导体材料也能在它们的表面存储静电电荷。因为它们是导电的，所以在导体材料的表面没有电势差。取而代之的，他们存在着同一种电荷或是同一电势。电荷的存储容量随着材料的表面积增大而增加。电荷的消除可以通过将导体材料的任意一点接地来完成。所以，通常物体保持电中性状态，这是由于它所具有的正负电荷量相等的缘故。如果两种不同材料的物体因直接接触或静电感应而导致相互间电荷的转移，使之存在过剩电荷，这样就产生了静电。带有静电电荷的物体之间或者它们与地之间有一定的电势差，称为静电势。如前所述，在现实生活中，静电产生的方式很多，如接触、摩擦、冲流、冷冻、电解、压电、温差等，但主要是两种形式，即摩擦产生静电和感应产生静电，如图5．3-1所示。前者是两种物体直接接触后形成的，通常发生于绝缘体和绝缘体之间或者绝缘体与导体之间；后者则发生于带电物体与导体之间，两种物体无需直接接触。一、摩擦产生静电只要两种不同的物体接触再分离就会有静电产生。但由于摩擦产生的热能为电子转移提供了足够的能量，因此使静电产生作用大大增强。当两种物体相互摩擦的时候，接触和分离几乎同时进行，是一个不断接触又不断分5离的过程。分离速度快、接触面积大，使得摩擦所产生的静电荷比固定接触后再分离所产生的静电荷的数量要大得多。摩擦生电主要发生在绝缘体之间，因为绝缘体不能把所产生的电荷迅速分布到物体的整个表面，或迅速传给它所接触的物体，所以能产生相当高的静电势。表5．3-2列出了常见物体带电顺序表，从带正电依次排列到带负电，其中任何两种物体摩擦时，可以按此表来判断它们带电的极性，还可以大致估计所带电荷的多寡程度。排在前面的材料与排在后面的材料相互摩擦时，前者带正电，后者带负电。同种材料与不同种材料相互摩擦时所带电荷的极性可能不同，如棉布与玻璃棍摩擦带负电，但与硅片摩擦时带正电。棉布与玻璃摩擦后所带电量大于它与尼龙摩擦所带电量。摩擦产生静电的大小除了与摩擦物体本身的材料性质有关外，还要受到许多因素的影响，如环境的湿度、摩擦的面积、分离的速度、接触压力、表面洁净度等。6二、感应产生静电静电产生的另一个重要来源是感应生电。当一个导体靠近带电体时，那么在它们之间不必互相接触就会产生一个静电场，导体会受到该带电体形成的静电场的作用，在靠近带电体的导体表面感应出异种电荷，远离带电体的表面出现同种电荷。尽管这时导体所带净电荷量仍为零，但出现了局部带电区域。显然，非导体不能通过感应产生静电。此时只有通过一个导体的屏障才能屏蔽这些电场。三、影响静电产生和大小的因素静电的产生及其大小与环境湿度和空气中的离子浓度有密切的关系。在高湿度环境中由于物体表面吸附有一定数量杂质离子的水分子，形成弱导电的湿气薄层，提高了绝缘体的表面电导率，可将静电荷散逸到整个材料的表面，从而使静电势降低。所以，在相对湿度高的场合，如海洋性气候地区(如我国的东南沿海地区)或潮湿的梅雨季节，静电势较低。在相对湿度低的场合，如大陆性气候地区(如我国的北方地区)或干燥的冬季，静电势就高。与普通场所相比，在空气纯净的场所(如超净车间)内，因空气中的离子浓度低，所以静电更加容易产生。表5．3-2是电子生产中产生的静电势的典型值。从中可以看到，同样的动作在不同的湿度下，产生的静电电压可以相差一个量级以上。5．4静电的来源在电子制造业中，静电的来源是多方面的，如人体、塑料制品、有关的仪器设备以及电子元器件本身。一、人体静电人体是最重要的静电源，这主要有三个方面的原因。其一，人体接触面广，活动范围大，很容易与带有静电荷的物体接触或摩擦而带电，同时也有许多机会将人体自身所带的电荷转移到器件上或者通过器件放电。其二，人体与大地之间的电容低，约为50～250pF，典型值为150pF，故少量的人体静电荷即可导致很高的静电势。其三，人体的电阻较低，相当于良导体，如手到脚之间的电阻只有几百欧姆，手指产生的接触电阻为几千至几十千欧姆，故人体处于静电场中也容易感应起电，而且人体某一部分带电即可造成全身带电。影响人体静电的因素十分复杂，主要体现在以下几个方面：1、人体静电与人体所接触的环境以及活动方式有关。表5．3-2列出了在几种活动中人体的静电势，图5。4—1给出了操作人员在做不同的动作时手上静电势的变化曲线。72、人体静电与环境湿度有关，湿度越低静电势越高。从表5．4-1可以清楚地看到这一点。下表是在两种不同湿度条件下人体活动产生的静电电位。在干燥的季节，人体静电可达几千伏甚至几万伏。3、人体静电与所穿着的衣物和鞋帽的材料有关，化纤和塑料制品较之棉制品更容易产生静电。工作服和内衣摩擦时产生的静电是人体静电的主要起因之一，表4．2．4—2列出了质地不同的工作服和内衣摩擦时人体所带的静电势。若穿上化纤衣服和绝缘鞋在绝缘的地面行走等活动，人体身上的静电可达几千伏甚至几万伏。4、人体静电与个体人的体质有关，主要表现在人体等效电容与等效电阻上。人体电容越小，则因摩擦而带电越容易，带电电压越高，人体电阻越小，则因感应带电越容易。人体电容与所穿戴的衣服和鞋的材料以及周围所接触的环境(特别是8地板)有关，人体电阻则与皮肤表面水分、盐和油脂的含量、皮肤接触面积和压力等因素有关。由于人体电容的60％足脚底对地电容，而电容量正比于人体与地之间的接触面积，所以单脚站立的人体静电势远大于双脚站立的人体静电势。5、人体静电与人的操作速度有关，操作速度越快，人体静电势越高。由图5．4—1可以看出这一点。6、人体各部位所带的静电电荷不是均等的，一般认为手腕侧的静，电势最高。除静电对人体电击外，近期的研究表明，静电放电产生的电磁场强度很强(近场峰值电场可达几百伏／m到几千伏／m)且频率非常宽，几十兆至几千兆以上。这种强电磁场作用时间短但其强度远比手机辐射的电磁场强，且人体活动多时放电的次数非常多(通常在2千伏以下的放电人体是没有电击感觉的)，其对人体的作用是不可忽视的。而人体