静电知识

序言

随着微电子工业制造技术的飞速发展，集成电路的集成度不断提高，采用 0.1 5~0.25m m制造工艺的CMOS和GaAs（砷化镓）器件被广泛使用，其耐击穿电压下限通常只有50V~100V。有着更高集成度的超高速、高频IC器件，采用了特殊的制造工艺，如薄膜技术、浅PN结、GaAs材料、微小封装等，其对ESD、电浪涌、机械应力、热应力等更为敏感，有的VMOS器件耐压只有30V。这就给含有上述静电敏感器件产品的生产制造过程提出了更严格的静电防护要求。

A、静电现象

一、何为静电？

静电就是物体表面过剩或不足的相对静止电荷，它是电能的一种表现形式。静电是正负电荷在局部范围内失去平衡的结果，是通过电子转移而形成的。这些不平衡的电荷，就产生了一个可以衡量其大小的电场，称为静电场，它能影响一定距离内的其它物体，使之感应带电，影响距离之远近与其电量的多少有关。

二、静电放电(ESD)现象

静电放电（ESD），就是具有不同静电势的实体之间发生电荷转移。例如：

1、雷电。
2、小实验：有机玻璃用丝绸或棉布摩擦后产生静电，能吸住小纸屑。
3、在空气较干燥的冬天，脱下合成纤维衣服时发出劈啪声，夜间可见火花（空气击穿场强为30KV/cm）。
4、穿化纤内衣容易皮肤过敏是怎么回事？换棉质内衣试试！

三、静电的可利用之处与危害

可利用之处：力学效应 —— 异性相吸，同性相斥

静电吸附特性已被广泛用于静电成像、复印、喷涂、植绒、除尘等实践中。

静电的危害：

就电子工业而言，静电放电能够改变半导体器件的电气特性，使之退化或者完全毁掉。静电放电还可能干扰电子系统的正常运行，导致器件故障或瘫痪。

1、第一艘阿波罗载人宇宙飞船，由于静电放电(ESD)导致火灾和爆炸，三名宇航名全部丧生。

2、日本IC生产中的不合格器件有45%是由静电造成的。

3、88年美国因ESD影响损失50亿美元。

4、90年代初北京某公司试生产的高档数字万用表，由于IC没注意防静电，使其产品大部分不合格。

5、华为公司：① 今年3月份某批含E-5射频放大器的GSM单板失效率达15%，失效形式表现为功能完全丧失，分析表明是受偶然的电浪涌烧伤，如漏电、ESD所致。② 也是3月份，某批CC08ASL用户板上二极管RD5和RD6不良率达90%，经分析确定为静电损伤。

6、工业领域的有关专家曾作过估计，由于静电所造成的平均产品损失大约在8~33%之间，见下表：静电平均损失报告

描述	最小损失	最大损失	估计平均损失
制造商	4%	97%	16-22%
分包商	3%	70%	9-15%
承包商	2%	35%	8-14%
用户	5%	70%	27-33%

数据来源： Stephen Halperin《Guidelines for Static Control Management》，Eurostat，1990

四、静电的特点

高电位：可达数万至数十万伏，操作时常达数百和数千伏（人通常对3.5KV以下静电不易感觉到）

低电量：静电流多为微安级（尖端放电例外）

作用时间短：微秒级

受环境影响大：特别是湿度，湿度上升则静电积累减少，静电压下降，如下表：

产生方式	10-25% RH	65-90% RH
在地毯上行走	35000V	1500V
在乙烯瓦上行走	12000V	250V
坐在椅子上的工人	6000V	100V
从椅子上拿起涤纶包	20000V	1200V
带有聚氨酯泡沫的椅子	18000V	1500V

五、静电的度量

1、静电荷单位：库仑(C)。通常我们讲到静电势，则以“伏特(V)”为单位。

2、面电荷密度：

σ = Q/S （ σ 单位：C/m 2 ）

式中：Q — 电量，S — 表面积

3、库仑定律：

Q = C V

式中：Q — 电量，C — 电容，V — 电压

六、从静电学来区分材料的导电情况

静电导体：≤10 5 W cm（体电阻）例：金属

静电亚导体：10 6 ~ 10 10 W cm 防静电器材

静电绝缘体：≥ 10 11 W cm 普通塑料

注意：由于静电的特点（电位高，电量小），因此它与普通电工学中导体和绝缘体划分有所不同。

B、静电产生的物理过程

一、静电起电原理

造成不平衡电子分布的原因是电子受到外力而脱离轨道，这个外力包括各种能源，如动能、位能（势能）、热能、化学能等等，它使电子获得足够能量而做功逃逸。

二、静电的产生方式

∙摩擦、接触（传导）、分离、感应、冲流、辐射、压电、温差、电解等

∙固体、液体、粉末流体都可能产生静电

三、摩擦静电序列

＋（正极）: 空气→人手→石棉→兔毛→玻璃→云母→人发→尼龙→羊毛→铅→丝绸→铝→纸→棉花→钢铁→木→琥珀→蜡→硬橡胶→镍、铜→黄铜、银→金、铂→硫黄→人造丝→聚酯→赛璐珞→奥轮→聚氨酯→聚乙稀→聚丙稀→聚氯乙稀(PVC)→二氧化硅→聚四氟乙稀 : －（负极）

上述任意两种介质摩擦后前者带正电，后者带负电，且相距较远的两种介质通常比相距较近的两种介质所产生的摩擦电量大。但也不是绝对的，与材料表面清洁程度、环境条件、接触压力、光洁程度、表面大小、分离速度等有关。

四、固体起电

除摩擦起电之外，其它表现形式：

1、断裂带电：材料因机械破裂使带电粒子分离，使两侧带等量、异性电荷。

2、压电效应：石英 0.5V电位差，如：电光鞋、煤气打火器
3、热电效应：压电晶体加热时，一端带正电，一端带负电；冷却时，反极性
4、剥离起电：相互密切结合的物体剥离时，会引起电荷分离，引起分离物体双方带电，如：叠在一起的塑料袋分离时。
5、感应起电：静电场范围内的物体会因感应而带电。
6、辐射起电：射线冲击使部分电子获得能量而摆脱原子引力束缚，如：视保屏

五、粉末流体起电

粉体与器壁、粉体与粉体碰撞，接触分离、摩擦、碎裂而引起的静电颗粒越小，相互作用越强烈，碰撞面积越大，起电越强烈。

弹药库、纺织厂、面粉厂均须严格控制空气中的粉尘浓度。

六、液体起电

1、液体的偶电层

液相与固相界面亦能形成偶电层：液体（如石油）中的可电离杂质和其它离子被吸引到金属壁上。正负离子对金属不可能具有相同的亲和力，亲和力大的就被金属表面所吸引并吸附着，而液体中电荷量相等的异性离子留在液相内，并聚集在界面附近。在界面处形成偶电层，内层是紧贴在固体表面上的离子称固定层，而外层离子是可动的称活动层或扩散层。

2、流体带电

当液体流动时，流动层的带电粒子随液体流动形成流动电流，异性带电粒子留在管道中，如管道接地则流入大地，流动的电荷形成电流。稳态时，带电粒子不断被流动液体所带走，固定层电荷经接地管道而被中和，此现象有点像电解。不同的亲和力，扩散与液体流动的综合作用取代了电解中的电场作用。影响电量大小与极性的因素有：1、液体种类及特性；2、管道材料及表面光滑度；3、流速、温度、含水量和空气、混合物及杂质微粒。

七、人体静电

∙人体是最主要的静电源之一

∙人体的活动使部分机械能转换为电能，每日耗热量：4.18×10 7 J ＝ 10KWh，瞬间放电功率达90KW。

∙人体对地电阻主要由鞋、袜、地面决定

∙人体等效电容：100PF （电容有充放电效应）

∙人体等效电阻：1K W (~1.5K W )

∙安全静电电压：100V（国标 SJ/T 10630－95）。华为公司《静电放电控制规范》（DKBA0.100.0027）已采用此标准。

C、静电损伤

一、静电损伤的两种失效形式

1. 硬损伤：又称“突发性完全失效”、“一次性损坏”，约占10%

表现为器件电参数突然劣化，失去原有功能。主要原因是静电放电造成过压使得介质被击穿，或过流使得内部电路金属导线熔断、硅片局部融化等。

硬损伤可通过常规的性能测试手段及时发现，相对软失效而言危害要小得多。