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靜電的原理

日期：2024-10-23 06:01
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摘要：
靜電的原理
 
一、概述
    在人們的日常生活和工作中, 經(jīng)常會(huì)遇到靜電現(xiàn)象。那么, 靜電到底是什么, 它的產(chǎn)生機(jī)理以及它有哪些危害, 如何預(yù)防和消除這些危害, 這是我們必須考慮和解決的問(wèn)題。
    1． 什么是靜電？
    靜電是一種電能，它存在于物體表面，是正負(fù)電荷在局部失衡時(shí)產(chǎn)生的一種現(xiàn)象。靜電現(xiàn)象是指電荷在產(chǎn)生與消失過(guò)程中所表現(xiàn)出的現(xiàn)象的總稱(chēng)，如摩擦起電就是一種靜電現(xiàn)象。
    2． 為什么要防靜電？
    由于電子行業(yè)的迅速發(fā)展，體積小、集成度高的器件得到大規(guī)模生產(chǎn)，從而導(dǎo)致導(dǎo)線間距越來(lái)越小，絕緣膜越來(lái)越薄，致使耐擊穿電壓也愈來(lái)愈低。而電子產(chǎn)品在生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)運(yùn)等過(guò)程中所產(chǎn)生的靜電電壓卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其擊穿電壓閾值，這就可能造成器件的擊穿或失效，影響產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)，降低其可靠性。由此可見(jiàn)，靜電是電子行業(yè)發(fā)展中的一大障礙。所以預(yù)防靜電必須提到議事日程上來(lái)，以確保產(chǎn)品的質(zhì)量。
    為使電子器件及產(chǎn)品在購(gòu)買(mǎi)、入庫(kù)、發(fā)料、檢驗(yàn)、儲(chǔ)存、調(diào)測(cè)和安裝等過(guò)程中免受靜電危害,了解靜電產(chǎn)生的機(jī)理和一些防止靜電產(chǎn)生危害的相關(guān)知識(shí)是非常必要和重要的。
    二、電子行業(yè)中靜電障害的形成
    電子行業(yè)中靜電障害可分為兩類(lèi)：一是由靜電引力引起的浮游塵埃的吸附；二是由靜電放電引起的介質(zhì)擊穿；
    1． 靜電吸附
    在半導(dǎo)體元器件的生產(chǎn)制造過(guò)程中, 由于大量使用了石英及高分子物質(zhì)制成的器具和材料，其絕緣度很高，在使用過(guò)程中一些不可避免的摩擦可造成其表面電荷不斷積聚, 且電位愈來(lái)愈高。表1列出了半導(dǎo)體元器件及其使用環(huán)境中部分物品表面的靜電電位。  
       
    從表1可見(jiàn)，它們的靜電電位都很高。由于靜電的力學(xué)效應(yīng)，在這種情況下, 很容易使工作場(chǎng)所的浮游塵埃吸附于芯片表面，而很小的塵埃吸附都有可能影響半導(dǎo)體器件的良好性能。所以電子產(chǎn)品的生產(chǎn)必須在清潔環(huán)境中操作，并且操作人員、器具及環(huán)境必須采取一系列的防靜電措施，以防止和降低靜電危害的形成。
    2．介質(zhì)擊穿的分類(lèi)
    由靜電引起元器件的擊穿是電子工業(yè)中靜電危害的主要方式。在強(qiáng)電場(chǎng)中，隨著電場(chǎng)強(qiáng)的增強(qiáng)，電荷不斷積累，當(dāng)達(dá)到一定程度時(shí)，電介質(zhì)會(huì)失去極化特征而成為導(dǎo)體，*后產(chǎn)生介質(zhì)的熱損壞現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電介質(zhì)的擊穿。介質(zhì)擊穿分熱擊穿、化學(xué)擊穿和電擊穿三種形式。
    （1）熱擊穿 介質(zhì)工作時(shí)，當(dāng)損耗產(chǎn)生的熱量大于介質(zhì)向周?chē)l(fā)的熱量時(shí)，介質(zhì)的溫度迅速升高，導(dǎo)電隨之增加，直至介質(zhì)的熱損壞。可見(jiàn)熱擊穿的核心問(wèn)題是散熱問(wèn)題。所以熱設(shè)計(jì)是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)之一。
    （2）化學(xué)擊穿 在高壓下，強(qiáng)電場(chǎng)會(huì)在介質(zhì)表面或內(nèi)部的缺陷小孔附近產(chǎn)生局部空氣碰撞電離，引起介質(zhì)電輝，生成化學(xué)物質(zhì)--臭氧和二氧化碳，使絕緣性能降低，致使介質(zhì)損壞。
    （3）電擊穿 電擊穿是介質(zhì)在強(qiáng)電場(chǎng)作用下, 被擊發(fā)出自由電子而引起的。自由電子隨電場(chǎng)強(qiáng)度的增加而急劇增加，從而破壞介質(zhì)的絕緣性能。可見(jiàn)電擊穿的本質(zhì)是電荷積聚所致, 因而防止電荷積聚就可防止電擊穿。一般把擊穿的臨界電壓稱(chēng)為擊穿電壓, 臨界場(chǎng)強(qiáng)稱(chēng)為擊穿場(chǎng)強(qiáng)。例如: E空氣 = 3 kV/m, MOS管結(jié)構(gòu)的E柵氧化摸 = 1.0×106kV/m。
    3．靜電的擊穿與放電
    （1）靜電放電 靜電放電與外加穩(wěn)定電源產(chǎn)生的放電雖然同為電荷積聚所致，但又有著明顯的區(qū)別。首先，在靜電放電的情況下，起放電電源是空間電荷，因而它所儲(chǔ)存的能量是有限的，不像外加電源那樣具有持續(xù)放電的能力，故它僅能提供短暫發(fā)生的局部擊穿能量。雖然靜電放電的能量較小, 但其放電波形很復(fù)雜，控制起來(lái)也比較麻煩。半導(dǎo)體器件的軟擊穿就與它有關(guān)。
    （2）靜電擊穿 由靜電擊穿引起的元器件擊穿損壞是電子工業(yè)中，特別是電子產(chǎn)品制造中*普遍、*嚴(yán)重的危害。
    靜電放電可能造成器件硬擊穿或軟擊穿。硬擊穿是一次性造成器件的長(zhǎng)久性失效，如器件的輸出與輸入開(kāi)路或短路。軟擊穿則可使器件的性能劣化，并使其指標(biāo)參數(shù)降低而造成故障隱患。由于軟擊穿可使電路時(shí)好時(shí)壞（指標(biāo)參數(shù)降低所致），且不易被發(fā)現(xiàn)，給整機(jī)運(yùn)行和查找故障造成很**煩。軟擊穿時(shí)設(shè)備仍能帶"病"工作，性能未發(fā)生根本變化，很可能通過(guò)出廠檢驗(yàn)，但隨時(shí)可能造成再次失效。多次軟擊穿就能造成硬擊穿，使設(shè)備運(yùn)行不正常，既給用戶造成損失，也影響廠家聲譽(yù)和產(chǎn)品的銷(xiāo)售。
    4．人體靜電
    在工業(yè)生產(chǎn)中，引起元器件損壞和對(duì)電子設(shè)備的正常運(yùn)行產(chǎn)生干擾的一個(gè)主要原因是人體靜電放電。人體靜電放電既可能造**體遭電擊而降低工作效率，又可能引發(fā)二次事故（即器件損壞），因此人體靜電應(yīng)引起足夠重視。人體形成靜電的原因是人體在日常工作中，把人體所消耗的機(jī)械能在活動(dòng)中轉(zhuǎn)換為電能。人體是一個(gè)靜電導(dǎo)體，當(dāng)與大地絕緣時(shí)（如穿的鞋底為絕緣物質(zhì)），人體與大地就形成一個(gè)電容，使電荷儲(chǔ)存起來(lái)，其充電電壓一般 ≤50kV。當(dāng)電荷儲(chǔ)積到一定程度時(shí)，一旦條件成熟會(huì)放電形成火花，瞬時(shí)放電電壓可達(dá)數(shù)千千伏，放電功率可達(dá)幾千千瓦。
    （1）人體靜電的起電方式
    ① 起步電流當(dāng)人行走在絕緣地板上時(shí)，抬起的一只腳由于鞋底電阻的存在可產(chǎn)生一個(gè)充電電流I1，而另一只腳也由于鞋底電阻的存在，落地時(shí)有一個(gè)泄露電流I2 。這種電流一般小于10-8A，其大小和步行方式與地板材料有關(guān)。
    ②摩擦帶電及其它帶電　人體在日常工作中, 會(huì)與所穿的衣服、鞋帽、手套產(chǎn)生摩擦，并且衣服與周?chē)矬w之間、鞋子與地板之間、手與工件之間等都可產(chǎn)生摩擦。此外，當(dāng)人體靠近帶電物體時(shí)，也會(huì)感應(yīng)出大小相等、符號(hào)相反的電荷以及帶電顆粒的吸附，所有這些都是人體產(chǎn)生靜電電荷的誘因，進(jìn)而通過(guò)傳導(dǎo)和靜電感應(yīng), *終使人體呈帶電狀態(tài)。
    （2）影響人體帶電的因素
    ①起電電流 操作者的起電電流一般為I0=10-8～10-6，IMAX=10-4。當(dāng)人體對(duì)地電阻一定時(shí)，起電電流I越大，人體帶電量q就越大，電位就越高。I0一定時(shí)，人體對(duì)地電阻R越大，電壓就越高，人體帶電荷q就越多。即：
    U↑=I↑R↑ q↑=U↑C
    ②人體對(duì)地電阻　人體電阻分兩種：表面電阻和體積電阻。由公式U = I R和 q =U C可見(jiàn)，對(duì)地電阻R越大，其帶電量q也越高。表面電阻的大小與皮膚的干燥程度和空氣的濕度有關(guān)。干燥時(shí)一般為100～600kΩ，潮濕狀態(tài)為11kΩ，人體手到腳的體積電阻一般為500Ω～800Ω。
    ③人體電容 一般指人體對(duì)地的電容和人體對(duì)周?chē)矬w的電容。由公式q = UC可見(jiàn)：電量一定時(shí)，電壓U隨電容C的減小而增大。由公式W=q2/2C可見(jiàn)：人體所儲(chǔ)存的靜電可隨人體電容的減小而增大。
    （ 3） 人體放電電擊感度 人體帶電放電時(shí)，人體會(huì)有不同程度的反映，這種反映稱(chēng)為電擊感度。當(dāng)人體受到靜電電擊時(shí)，雖不會(huì)發(fā)生重大生理障礙，但可能影響人的工作效率，或造成精神緊張和二次破壞等。
 
 
 

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