[科普中国]-静电干扰

产生原理

如概述图所示，图中A为浮充电源，当开关B闭合时，电流将流过电感储能。在打开开关B的瞬间，电流将通过B的电弧而衰减，当电流衰减到某一数值时电弧熄灭，储存在电感中的磁能将对线间杂散电容充电，转化为电能储存起来，或通过杂散电容耦合到其他灵敏的信号电路，产生静电干扰。有时，载有高压静电的操作人员，在触摸到电子设备外壳时会形成放电电流，经外壳、地线进入大地，并产生电场和磁场，可能耦合到设备内部线路，并且地线上的放电电流所产生的压降也将传导性地进入电子线路，并引起设备故障。1

静电危害在静电起电-放电过程中，有时会形成瞬态大电流和电磁脉冲(EMP)，产生频谱很宽的电磁辐射场。另外，与常规电能量相比，静电能量比较小。在自然起电-放电过程中，ESD参数是不可控的，是一种难以重复的随机过程。因此，它的作用往往被人们忽视。但是它给人类造成的危害却是惊人的。电力系统的微机保护系统、二次侧测量控制系统大多由弱电设备构成，微电子设备已在电力系统中得到了广泛的应用。在微电子技术领域，由于静电危害每年损害上百亿美元；在弹药、火工品及易燃易爆气体、粉尘等“静电危险场所”(关于静电危险场所的定义和等级划分见GJB2528--1995)，因静电危害造成许多燃烧、爆炸等恶性事故；在航天、航空方面，静电危害曾使飞机坠毁、火箭发射失败、卫星发生故障。在科学技术飞速发展和工业技术高度自动化的今天，静电在工业生产中的危害已是显而易见的。2

一、静电力学效应造成的危害或生产障碍

在积累静电荷的物体周围，存在着静电场。静电场可以使介质极化，在库仑力作用下，悬浮在空气中的尘埃被吸附在物体上，污染生产环境，影响产品质量。在半导体器件生产车间，由于尘埃吸附在芯片上，集成电路(IC)、特别是超大规模集成电路(VLSI)的成品率大大下降；由于静电的吸附作用，给纺织工业造成很大的危害，如抽丝过程由于静电力作用，会使丝线飘动、黏合纠结；在织布过程中，由于橡胶辊轴与丝纱摩擦产生静电，导致乱纱、缠花、断头，降低了针尺梳理能力，影响产品质量和生产效率；在粉体加工业，由于静电作用，使筛空变小或堵塞，气力输送管道不通畅，球磨机不能正常工作留在印刷行业和塑料薄膜包装生产中，由于静电的吸引力和排斥力，影响正常的纸张分离、叠放、塑料薄膜不能正常包装和印花，甚至出现“静电墨斑”，使自动化生产造成困难。2

二、ESD热效应造成的危害——危险场所的点火源、引爆源、微电子器件的损伤源

一般来说，静电火花放电或刷状放电都是在微秒或纳秒量级完成的，所以，可以认为ESD过程是一个绝热过程。放电瞬问回路通过数安培的大电流使空气间隙电离、击穿、发光、发热，形成局部的高温热源，这种局部的高温热源可以引起易燃、易爆气体的燃烧爆炸，也可以使炸药、电雷管、电引信等各种电发火装置意外发火，引起爆炸事故。

在微电子技术领域，ESD过程是静电能量在0.1μs时间内通过器件电阻释放的，其平均功率可达几千瓦。如此大功率的短脉冲电流作用于器件上，足以在绝热情况下，使硅片上微区融化，电流集中处使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。2

三、高压静电场引起的介质击穿和潜在性危害

静电荷在物体上的累积往往使物体对地形成高电压，在附近形成强电场。很强的静电场会导致MOS场效应器件的栅氧化层被击穿，使器件失效。一般MOS器件的栅氧化膜厚度为10-7m数量级，当电路设计没有采用保护措施时，即便是致密无针孔的高质量氧化层，也会在100V的静电电压下被击穿。对于有保护措施的电路，虽然击穿电压高于100V，但危险经电源的电压可能是几千伏甚至上万伏。因此，高压静电场的击穿效应仍然是MOS电路的一大危害。另外，高压静电场也可能使多层布线电力间介质击穿或金属化导线间介质击穿，造成电路失效。需要强调的是，介质击穿对电路造成的危害是由于过电压、强电场而不是功率造成的。因为绝缘材料雪崩击穿需要一定的时间，所以击穿电压是电脉冲上升时间的函数。甚至这种危害(失效)机理，常常导致潜在危害，使设备或电路的可靠性降低。

潜在性静电危害是一般静电危害中最棘手的问题。这种不易及早被发现，而在器件生产和储运过程中已形成初始的不良状态使器件的寿命降低。这种情况下对于MOS器件和双极性器件都可能存在，但MOS器件更为典型。当MOS器件栅极上外加电场时，在该电场作用下，如果栅极没有被击穿，则也可以使SiO2膜中及Al/SiO2界面处所俘获的Na+离子漂移而群集在SiO2/Si界面的缺陷中心处，为器件使用中局部击穿埋下隐患，造成潜在的静电伤害。

在其他领域，高压静电场使电介质击穿也会造成危害。据报道，曾有一同步发电机因绕组槽绝缘嵌条在运转中与空气摩擦产生静电，导致绝缘介质击穿短路而烧毁电机。日本一500kVA大变压器，用泵打循环油冷却，油流动中与绕组线圈摩擦产生静电高电压击穿了绕组绝缘，引起短路，发生了火灾和爆炸。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，都会产生电磁辐射。这种近区场ESD/EMP(电磁脉冲)对各种电子装备、信息化系统都可能造成电磁干扰。在航空、航天、航海领域和各种现代化电子设备中形成ESD电磁辐射危害也是众所周知的事实。

ESD电磁辐射干扰属于宽带干扰，从低频一直到几个吉赫兹以上。其中电晕放电是出现在飞机翼、螺旋桨及天线和火箭、导弹表面等尖端或细线部位，产生兆～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电通信中断，导航系统不能正常工作，使卫星姿态失控，造成严重的后患。另外，电晕放电产生的噪声对某些家用电器和电信号检测也会造成电磁干扰。

传播型刷状放电或火花放电都是静电能量比较大的ESD过程。其峰值电流可达几百安培。它可能形成电磁脉冲串，对微电子系统造成强电磁干扰及浪涌效应，引起电路错误翻转或致命失效。即使采用完善的屏蔽措施，当电路屏蔽盒上发生静电火花放电时，ESD的大电流仍会在仪器外壳上产生大压降。这种瞬时的电压跳变，会使被屏蔽的内部电路出现感应脉冲而引起电路故障。另外，日本人通过模拟实验已证实，ESD产生的磁场也能够使控制设备发生误动作，影响设备正常工作。2

五、ESD对人体可以造成“二次”伤害

当带电人体接近接地导体或机器等较大金属物体时，会形成电火花放电；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。由于人体电击刺激带来的精神紧张，往往会造成手脚动作失常，被机器设备碰伤或从高空坠落，构成静电危害的“二次”事故。

六、静电感应放电引发的事故

人体和金属这类静电导体，在静电场中会发生静电感应现象，造成意外的火花放电。带电体1距离接地体2甚远，本来不会发生静电放电。但是由于人体或其他带电导体移动到它们之间，则人体可能同时向物体1、2发生火花放电，引发静电危害。如果人体只是向两物体之一发生火花放电，则人体将成为带电体(假设人体未采取静电防护措施，人体对地绝缘)，当他走近其他物体时，还可能形成二次ESD危害。

某兵工厂曾发生过这样的事故：当一个人脱换衣服进人车间，走进危险品操作工人时，一操作员手中的电爆元件发生爆炸，造成意外伤人事故。2

防护措施1．正确接地

接地是消除静电危害最简单的办法。接地主要是消除导体上的静电，而不宜用来消除绝缘体上的静电。在有火灾和爆炸危险的场所，为了避免静电火花造成事故，应采取下列接地措施。

(1)凡用来加工、贮存、运输各种易燃液体、气体和粉状易燃品的设备、池、罐等都必须可靠接地。

(2)厂区及车间的氧气、乙炔等的运输管道必须连接成一个连续的整体，并予以接地。其他所有能产生静电的管道和设备都必须连接成连续整体，并予以接地。

(3)注油漏斗、浮动罐顶、工作站台等辅助设备或工具均应接地。2

2．泄漏法

采取增湿措施和采用抗静电添加剂都能促使静电电荷从绝缘体上自行消散，都属于泄漏法。增湿就是提高空气的湿度。这种消除静电危害的方法应用比较普遍。增湿的主要作用在于降低带静电绝缘体的绝缘性，或者说增强其导电性，这就减小了绝缘体通过本身泄放电荷的时间常数，提高了泄放速度，限制了静电的积累，从而可以减少成灾条件。应当指出，增湿只是增加了静电电荷通过绝缘体本身的泄放，并不能增加通过空气的泄放。至于允许增湿与否以及提高湿度的允许范围，需要根据生产的具体情况确定。从消除静电危害的角度和效果来看，有关专家把相对湿度确定在70%以上是比较适宜的，也是比较科学的。加抗静电添加剂的方法，在一些发达国家应用的已很普遍，在我国对抗静电添加剂进行了研制，并制成了多种抗静电添加剂。抗静电添加剂主要用在化工部门、石油化工部门。抗静电添加剂是一种特制的辅助剂。有的添加剂加入产生静电的绝缘材料以后，能增加材料的吸湿性或离子性，从而大幅度降低材料的电阻率，以加速静电电荷的泄放；有的添加剂本身具有较好的导电性，以其本身的导电性泄放生产过程中绝缘材料上产生的静电。2

3．工艺控制法

增湿是一种从工艺上消除静电危险的措施。不过，增湿不是控制静电的产生，而是加速静电的泄漏，避免静电电荷积累到危险程度。在工艺上，还可以采取以下适当措施，限制静电的产生，控制静电的积累。

(1)用齿轮传动代替皮带传动，除去产生静电的根源。

(2)降低液体、气体或粉体的流速，限制静电的产生，严格限制烃类油料在管道中的最大流速。

(3)倾倒和注入油料时，防止飞溅和冲击，为了安全，油罐加油必须从罐底压入，如要求取样，要待油面静止30min以后才能从罐口取样。在注油管口，可以加装分流头，降低管口附近油流上的静电，且减小对油面的冲击。2