静电技术培训教材

1. 静电技术培训教材 编 著 者：钟同雄、刘 银、曾继祥 责任编辑：汤 勇 防静电组

2. 教材内容提要 第一部分：基础理论 一、静电，静电的产生； 二、电子工业中的静电问题； 三、静电放电损坏、模型； 四、静电防护； 五、防护管理。 第二部分：各部门的管理规范与程序文件

3. 第一部分：基础理论 一、静电，静电的产生

4. 1.0 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年在研究天然磁石时发现用丝绸、法兰绒摩擦琥珀（Amales)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ελεκτρου （琥珀）。 • Willian Gilbert(英国人，1540-1603）重复了塔勒斯的实验。 • Electrics，no-electrics • 发明了第一台验电器（versorium)用来检验带电物体，他被称为是电学之父。

5. 富兰克林 (Benjamin franklin) • 富兰克林 (Benjamin franklin,1706-1790)。摩擦后的玻璃棒带正电，而树脂带的电为负电。 • 风筝实验在风筝上固定一根金属线，以便从雷云中获取更多的电，雨淋湿了连接风筝的细线，而这细线的一端连在莱顿瓶的一端。当雷雨来临时，莱顿瓶上不断产生火花。德国科学家Richman1753年被电死。

6. 静 电 • 物质的组成： 物质→分子→原子→原子核＋电子 • 在自然状态下，物质处于电平衡的中性状态，即不带电。在静电学中称不带电物体为电的中性体。 • 在某种状态下，当物质原子中的电平衡状态被打破，丢失或获得电子，物质即由中性状态改变为带电状态。

7. 物体呈现带电的现象称为带电现象，它是一种 自然现象。按照物体所带电荷的存在与变化状 态可分为动电（流电）相象和静电现象。 • 静电现象指相对于观察者而言，所带的电荷处于静止或缓慢变化的相对稳定状态。动电现象则与此相反。 • 在静电情况下，由于电荷静止不动或其运动 非常缓慢，故它所引起的磁场效应较之电场 效应来说可以忽略不计。

8. 库仑（Charle Augustine de Coulomb,1736-1806) 与静电学研究相关的物理量 • 法国物理学家 • 1777年发明了库仑秤 • 1785年库仑设计制作了一台精确的扭秤，用扭秤实验证明了同号电荷的斥力遵从平方反比率---库仑定律

9. 库仑定律 ƒ12 = -ƒ21 =ｋ●q1q2/ｒ212 • 在真空中， q1和q2两 个点电荷之间的相互作用力的方向沿着这两个点电荷的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸，作用力的大小与电量q1和q2的乘积成正比，而与这两个点电荷的距离成反比。 • 电荷量的单位就是以他的名字命名的。 • 单电子或质子所带电量以e来表示，e=1.6021892×10-19C。 • 单位库仑和静电制电量单位之间的关系： 1C =3 ×10 9 [静电制电量单位] • 13年前1772年英国物理学家Cavendish发现了平方反比率，但他的研究成果都没有发表。是一百年后Mmxwell整理他的大量手稿时才将上述结果公诸于世的。

10. 法拉弟（Michael Faraday） • 法拉弟（Michael Faraday，1791-1867，英国人）法拉弟笼实验 • 法拉弟桶（Faraday ice-pail）实验，当一带电体接触金属桶的内壁时，电荷转移到桶的外表面。 • 电容量的单位就是以他的名字命名。

11. 家尔瓦尼，电流的发现人 • 家尔瓦尼（Luigi Galvani，1737-1798），意大利解剖医学家及物理学家，发现了一种不用摩擦就能产生的电。 • 把青蛙腿放在铁锅中，然后用铜线触及青蛙的神经，发现青蛙腿抽畜，当用铁丝触及青蛙的神经时不会抽畜，他发现两种不同的金属接触青娃时会发生抽畜 • 两种不同的金属接触后会产生电位差

12. 二十世纪初，静电学也从实验和科学 阶段走向实际应用阶段 • 1907年Frederik G。Cottrell才制造了世界上第一台的实际应用的静电除尘器用于捕集硫酸酸雾。 • 1922年Van de Graff发现了实用的静电起电机。 • 1923年Detroit Edison 公司安装了第一台静电除尘器。 • 静电除尘、静电喷涂、静电分离、静电复印等。 （利用静电在实际生活中的应用。）

13. 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。 • 我国在石油企业发生了30多起较大的静电事故，其中损失达百万元以上的有数起。

14. 工业生产中静电危害的形成 • 工业发展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，使得静电能积蓄到很高的程度。 • 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，工矿企业部门受到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。

15. 世界静电科研组织 • 1953年英国物理学会（Inst。of Phys。）在伦敦召开了第一次静电学术会议，共有24篇论文，其中8篇有关静电防护，7篇有关静电应用论文，以后每4年召开一次。 • 1970年在维也纳奥地利召开了欧洲静电学会（EFCE）第一次学术交流会，以后每4年开一次。 • 1970年美国静电学会（ESA）成立，以后每年召开一次静电学术年会，1994年开始与日本静电学会（IESJ）联合召开多次会。

16. 世界静电科研组织（续） • 1971年IEEE-IAS-EPC第一次召开静电学术会议 • 1976年日本静电学会（IESJ）成立，增田闪一会长 • 1981年我国成立了中国物理学会静电专业委员（李瑞年主任），以后各省市及行业静电专业委员会成立 • 1982年国际静电放电协会（EOS/ESD）成立并每年召开一次大规模的国际静电放电会议。从此，ESD问题越来越受到重视。

17. ESD是什么意思 • ESD是Electro Static Discharge“静电放电”的缩写。 • 在20世纪中期以后，随着工业技术的迅速发展，ESD问题越来越受到人们的重视

18. ESD防护意义 • 1、减少损失（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。

19. ESD的培训人员 • 领导管理人员 • 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

20. 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 • 防静电工作区

21. 静电产生的机理 • 原子结构：原子核+电子 • 摩擦起电 1、接触 2、分离 • 摩擦起电的实质： 接触分离起电。 • 任何不同材质的物质接触后再分离，即可产生静电。

22. 静电是如何产生的 • 静电可因多种原因而发生，例如物体间的摩擦、电场感应、介质极化、带电微粒附着等许多物理过程都有可能导致静电。 • 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。 • 工作中接触到的物体有： —桌面、地板、椅子、衣服、电子元件、包装材料、仪器设备、 料盒、机器、纸张、流动空气等等。 • 为什么流动空气会产生静电呢？加温室内为何要放水？

23. 感应静电起电 B _ _ _ _ _ A + + + + + + b a • 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 C 一 一 一 + + + · ◎ • 当一个带静电的人，如经理、领班、工程师、来宾· · · · · ·突然靠近您，会有什么静电危害？

24. 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

25. 不同湿度下各种操作时的人体电位

26. 器件所能承受的静电电压

27. 几千到几万伏 人体静电电压 几百到几千伏 器件

28. 生产产所中的静电危害源

29. 静电是如何产生的小结 • 任何两个不同材质的物体接触后再分离即可产生静电。 • 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百伏至几千伏，而在干燥的环境中人活动所产生的静电电压可达几千伏到几万伏。 静电危害的特点：隐蔽性、潜在性、随机性、复杂性。

30. 二、 电子工业中静电问题 • 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 • 静电对电子产品损害的四种特点 • 哪些过程会产生静电危害

31. 电子工业中静电问题的产生 • 40-50年代晶体三极管和二极管 • 60-70年代MOS器件的出现 • 80-90年代二氧化硅膜的厚度越来越薄（微米-纳米），其承受的静电电压愈来愈低，另一方面，生产和积累静电的材料如塑料、橡胶等大量使用，使得静电积累到很高的程度。

32. 静电已成为电子工业的隐形杀手！ • 静电是电子工业普遍存在的一种“病毒”！！

33. 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 （潜在损坏） • 放电产生电磁场 （电磁干扰）

34. 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：损伤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，掩盖了失效的真正原 因

35. 电子工业哪些过程会产生静电危害 • 元件制造过程：切割、连线、检验 • 印刷电路版生产过程：储存、装配 • 设备使用过程：安装、试验 • 设备维修过程：拆卸、检验 从元件的制造、使用到维修的任一环节， 静电已成为电子工业的隐形的致命杀手。

36. 三、静电放电损坏模型 • 人体模型 • 带电器件模型 • 场增强模型 • 机器模型 • 电容偶合模型

37. 人体模型HBM • 人体模型的建立 电容为100PF，电阻为1.5KΩ GJB1649

38. 人体模型放电电流波形 Tri:＜10ns Tdi:150±20ns Ip: ±10﹪ Ir: 15﹪ Ip :＜100ns

39. 人体模型放电电压与峰值电流的关系 Es Ip是电流波形检测过程中流过R的峰值电流表,大约为Vs/1500Ω .

40. 带电器件模型 (CDM) • 器件本身积累静电而迅速放电造成元件,如一个集成电路损坏. • 管脚上电荷的典型值为3nC(库仑),塑料包装上的电荷小于0.2nC

41. CDM波形图 ● 几个纳库的电荷能 导致器件损坏 上升时间约 0. 5ns， 持续时间小于10ns。 小于10ns过程太快，以致输入保护电路来不及 导通。典型的情况是导致芯片内或氧化区的损坏。 Current A

42. 机器模型 • 由2000PF电容窜500Ω 电阻和一个500nH电感代替通常串联的电阻构成。机器模型是如带电绝缘的面板、小车、金属盒或任何绝缘的导体等常用静电电源 Current A • 典型的机器模型放电的峰值电流可达几百安培， • 持续时间为几百纳秒。 • （上升时间约为5~8ns，周期约80ns。）

43. 人体金属模型（场增强模型） • 人体通过手握金属体如镊子放电模型。场集中在工具的最尖处，有效放电电阻减小。这模型由电阻为350Ω~500Ω ，电容与人体模型相同的电容构成。 • 在电压相同时，其放电电流比人体模型更大，所以人手持金属体如镊起子时的静电放电危害更大。

44. 国内外典型ESD模型器参数

45. 敏感度分类 • 为定量描述元件的静电敏感程度进行分类 • 大部分敏感度实验都是以人体模型为依据 • 组见设计应用能为最敏感的元器件提供最低2000V的静电放电 设计保护 • 整机设计应能为最敏感的元器件提供最低4000V的设计保护

46. 静电放电敏感度实验参考

47. 总 结 • 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； • 工业产生中静电危害的特点主要有：隐蔽性、浅在性、随机性、复杂性； • 静电也可以利用。

48. 四、 静电防护 （一）ESD防护的意义(如前所叙述)1、减少损失（美国一年的损失200多亿美金，其中电 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 （二）静电产生主要有下列几点1、尽量减少静电荷的产生2、对已产生的静电荷尽快予以消除3、最大限度地减少静电危害4、严格静电防护管理，以保证各项措施的有效执行