二、靜電的產(chǎn)生及靜電放電

通常我們知道摩擦能起電，例如干燥天氣下，塑料梳子梳理頭發(fā)以后，梳子能吸起細(xì)小紙片，這就有了靜電。那么為什么會產(chǎn)生靜電呢?或者說產(chǎn)生靜電的機理是什么?靜電產(chǎn)生的機理有多種解釋。例如有雙電層和接觸電位差、靜電感應(yīng)等說法。

(一)靜電產(chǎn)生的機理

1.雙電層和接觸電位差

上述的實例一是由于摩擦產(chǎn)生的靜電，兩種不同物質(zhì)發(fā)生摩擦可以產(chǎn)生靜電。但摩擦不是產(chǎn)生靜電的唯一方法，兩種物質(zhì)緊密接觸后再分離、物質(zhì)受壓或受熱、物質(zhì)發(fā)生電解以及受到其他帶電體的感應(yīng)等，均可能產(chǎn)生靜電。

平時，物質(zhì)的正電荷與負(fù)電荷是平衡的，呈現(xiàn)中性，沒有帶電;當(dāng)電荷發(fā)生轉(zhuǎn)移時，使正負(fù)電荷不平衡了，物質(zhì)成為帶電體。

兩種物質(zhì)相接觸時，由于某物質(zhì)的原子中外層電子所處能級不同，或者說該電子被捕獲的能力不同，此時會發(fā)生電子的轉(zhuǎn)移，在接觸面的兩面會出現(xiàn)電荷量相等電性不同的電荷，在界面上形成了兩層電荷，這就是所謂雙電層。其間的電位差就是接觸電位差。只有當(dāng)兩種物質(zhì)緊密接觸的間距小于25×10^－8 cm時，才會出現(xiàn)雙電層和接觸電位差。

物質(zhì)包括固體、液體或氣體。

有實驗表明金屬與絕緣材料緊密接觸時，接觸界面上電荷密度約為10^－9～10^－8C/cm²。

按照兩個物質(zhì)接觸后的雙電層的解釋，雙電層兩邊電荷的極性，把帶正電的物質(zhì)排在前面，帶負(fù)電的排在后面，各種物質(zhì)可以排列起來，稱為靜電序列或靜電起電序列。試驗表明，如果試驗條件不同(例如純度、環(huán)境條件、接觸的壓力、摩擦和分離的速度、發(fā)生摩擦?xí)r的接觸面積等)，結(jié)果不完全一致;不同試驗者使用不同的材料，得出稍有不同的結(jié)果。如表2－15所示。

即使同一種材料，將其兩片摩擦后分離，同樣可以產(chǎn)生靜電。生活中的例子，如塑料薄片壓緊后分離會產(chǎn)生靜電。

表2－15　典型靜電序列

注:各序列中兩種物質(zhì)摩擦?xí)r，位于上面的物質(zhì)帶正電，位于下面的物質(zhì)帶負(fù)電

2.靜電感應(yīng)

導(dǎo)體在靜電場中，不帶電的導(dǎo)體在其表面不同部位，可以感應(yīng)出不同的電荷或者可以使原有的電荷重新分布，稱為靜電感應(yīng)。靜電感應(yīng)強弱與電場的強弱及變化速度、被感應(yīng)導(dǎo)體的大小以及位置等因素有關(guān)。

(二)靜電產(chǎn)生方式

1.接觸分離起電

任何兩個不同材質(zhì)的物體接觸后再分離，即可產(chǎn)生靜電。當(dāng)兩個不同的物體相互接觸時就會使得一個物體失去一些電荷如電子轉(zhuǎn)移到另一個物體使其帶正電，而另一個得到一些剩余電子的物體帶負(fù)電。若在分離的過程中電荷難以中和，電荷就會積累使物體帶上靜電，所以物體與其他物體接觸后分離就會帶上靜電。

2.摩擦起電

實質(zhì)上摩擦起電是一種接觸又分離所造成正負(fù)電荷不平衡的過程。摩擦是一個不斷接觸與分離的過程。因此摩接起電實質(zhì)上是接觸分離起電，而產(chǎn)生靜電的最普通方法，就是摩擦生電。材料的絕緣性越好，越容易產(chǎn)生摩擦生電。

摩擦起電是一個機械過程，依靠相對表面移動傳送電量。傳送的電量取決于接觸的次數(shù)、表面粗糙度、濕度、接觸壓力、摩擦物質(zhì)的摩擦特性以及相對運動速度。一個人或一輛車所帶電量產(chǎn)生的與地之間的電壓值很大程度上由它們的電容決定。

表2－16列出了一些情況下產(chǎn)生靜電電壓的大小。

表2－16　典型靜電電壓

靜電出現(xiàn)在物體的表面，而不是物體的內(nèi)部。由此，絕緣體中的電荷僅保持在產(chǎn)生靜電的那些區(qū)域，而不會出現(xiàn)在整個表面。因而，絕緣體的接地點不在那些區(qū)域時，那些區(qū)域上的電荷不會失去。與絕緣體相反，充電導(dǎo)體接地會失去自身電荷。

接觸分離起電和摩擦起電有時統(tǒng)稱為摩擦起電。

3.感應(yīng)起電

針對導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如將其置于一電場中，由于同性相斥，異性相吸，正負(fù)離子就會轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)電荷重新分布，稱為感應(yīng)起電。

由于靜電感應(yīng)和感應(yīng)起電，可能在導(dǎo)體或人體上產(chǎn)生很高的電壓，可能導(dǎo)致火花放電的危害性。這一危害往往容易被人們疏忽。

表面靜電感應(yīng)電荷Q_S可以用公式2－52表示

這個感應(yīng)電荷與帶電體的總電荷相比雖然比較小，但在一般情況下都不應(yīng)忽略，而且電位也會因受靜電感應(yīng)而上升，有時也可達(dá)數(shù)十千伏(U= Q/C)。

在生產(chǎn)、測量等實際過程中，不難找到靜電起電的例子。纖維在電場中帶電就是感應(yīng)起電的一例。棉花纖維在均勻電場作用下，由于極化作用，其兩端出現(xiàn)電量相等極性相反的電荷也是這種情況。

4.傳導(dǎo)起電

對于導(dǎo)電材料而言，因電子能在它的表面自由流動，如果與帶電物體接觸，將發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移。

(三)靜電放電(ESD，Electro Static Discharge)

靜電放電(ESD，Electro Static Discharge)是兩個具有不同靜電電位的物體，由于直接接觸或靜電場感應(yīng)引起兩物體間的靜電電荷的轉(zhuǎn)移。

1.靜電放電的形式

當(dāng)物體處在靜電場中時，會感應(yīng)到靜電。靜電荷在一定條件下會發(fā)生轉(zhuǎn)移，即靜電放電。靜電放電有兩種形式。其一，若該物體與地短接，將引起對地的放電，形成放電電流。其二，當(dāng)靜電電場的能量達(dá)到一定程度后，擊穿其間介質(zhì)也產(chǎn)生放電的現(xiàn)象。例如，當(dāng)人體(在最壞情況下，手持一個金屬物，例如一把鑰匙)接近一導(dǎo)電物體時，如果氣隙上的電壓梯度足夠高而使氣隙擊穿，則人體電荷將通過電火花轉(zhuǎn)移到那個物體上。這兩種形式都是靜電放電，從而高速傳送足夠的電量。這個高速電量的傳送過程即為ESD。在這個過程中，將產(chǎn)生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場。電介質(zhì)被擊穿后，靜電電荷會很快泄放得到平衡。這種電荷的快速中和，由于在很小的電阻上快速泄放電壓，泄放電流會很大，可能超過20A，如果這種放電通過集成電路或其他靜電敏感元件進(jìn)行，這么大的電流將對設(shè)計為僅導(dǎo)通微安或毫安級電流的電路造成嚴(yán)重?fù)p害。ESD產(chǎn)生強大的尖峰脈沖電流，這種電流中包含豐富的高頻成分，其上限頻率可以超過1GHz，取決于電平、相對濕度、靠近速度和放電物體的形狀。在這個頻率上，典型的設(shè)備電纜甚至印制板上的走線會變成非常有效的接收天線。因而，對于典型的模擬或數(shù)字電子設(shè)備，ESD傾向于感應(yīng)出高電平的噪聲，它會導(dǎo)致電子設(shè)備嚴(yán)重?fù)p壞或操作失常。

當(dāng)距ESD位置的距離較近時，無論是電場還是磁場都是很強的。因此在ESD位置附近的電路一般會受到影響。圖2－63示出了一個4kV靜電放電在不同距離上產(chǎn)生的電磁場。

圖2－63　ESD產(chǎn)生的電磁場

2.靜電放電對電路的干擾機理

ESD對電路的干擾有兩種機理:一種是靜電放電電流直接流過電路，對電路造成損壞;另一種是靜電放電電流產(chǎn)生的電磁場通過電容耦合，電感耦合或空間輻射耦合等途徑對電路造成干擾。

ESD電流產(chǎn)生的場可以直接穿透設(shè)備，或通過孔洞、縫隙、通風(fēng)孔、輸入輸出電纜等耦合到敏感電路。當(dāng)ESD電流在系統(tǒng)內(nèi)部流動時，它們激發(fā)路徑中所經(jīng)過的天線，這些天線的發(fā)射效率主要依賴于尺寸。ESD脈沖所導(dǎo)致的輻射波長從幾厘米到數(shù)百米，這些輻射能量產(chǎn)生的電磁噪聲將損壞電子設(shè)備或騷擾它們的運行。ESD對電路工作影響的機理可參見圖2－64。

圖2－64　ESD對電路工作影響的機理

3.靜電放電干擾耦合路徑

產(chǎn)生的幾十安的亞納秒瞬態(tài)放電電流沿著復(fù)雜的路徑流經(jīng)設(shè)備再到地，如果它流經(jīng)電路布線，則很可能要干擾數(shù)字電路運行。放電電流更多的是經(jīng)過分布電容、機殼連接、走線或電纜電感等路徑，而非設(shè)計者預(yù)期設(shè)計的電路。由放電電流產(chǎn)生的強磁場能夠在附近導(dǎo)體內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生瞬態(tài)電壓，而這些導(dǎo)體并不在放電電流的路徑內(nèi)。即使不直接對設(shè)備放電，對鄰近物體的放電(如對金屬的桌子或椅子)也將產(chǎn)生很強的輻射場，這一輻射場可以耦合進(jìn)無防護措施的設(shè)備。

能夠作為ESD放電吸收點的關(guān)鍵區(qū)域包括外露的金屬制品、孔隙、前面板元件及連接器等。即使機殼本身是絕緣的，元件及孔隙仍然可以容許經(jīng)過放電表面與機殼內(nèi)部電路之間的漏電產(chǎn)生放電。

耦合路徑見圖2－65。

圖2－65　ESD耦合路徑

(四)ESD的模型

為了深入研究并防護ESD，通過長期大量的觀測，實驗研究已經(jīng)總結(jié)出許多ESD產(chǎn)生危害的模型，其中，最常用的3種ESD模型如下所述。

(1)人體模型

1)人體模型概述人體模型即指將“人體——絕緣材料——大地”等效成一個電容器，來研究當(dāng)人體活動時身體和衣服之間摩擦產(chǎn)生的摩擦電荷以及人體產(chǎn)生的靜電電壓的大小。人在活動過程中，人的衣服、鞋以及所攜帶的工具與其他材料摩擦或接觸—分離時，可能產(chǎn)生靜電。人在脫衣(指合成纖維及毛料)或經(jīng)頭部脫下毛衣時，在衣服之間或衣服與人之間均可能發(fā)生放電。若人和椅子的對地絕緣都很高，則“人體——絕緣材料——大地”構(gòu)成的電容器的電容量C很小，根據(jù)U= Q/C的關(guān)系式，由于衣服與椅面之間的摩擦和接觸——分離使人體帶靜電Q，則人體與地之間的靜電電壓U可高達(dá)10 000V以上。

經(jīng)驗表明，人在合成纖維的地毯上行走，通過鞋子與地毯的摩擦，只要行走幾步，人體上積累的電荷就可以達(dá)到10^－6 C以上(這取決于鞋子與地毯之間的電阻)，在“人——地毯——大地”系統(tǒng)里的平均電容約為幾十至上百皮法，可能產(chǎn)生的電壓要達(dá)15kV。

人在活動過程中，衣服與衣服之間也因摩擦而產(chǎn)生靜電，但所產(chǎn)生的靜電電荷是相反的，脫衣之前一般不顯示出來。脫衣時由于摩擦和接觸——分離，靜電電壓可高達(dá)數(shù)萬伏。

對于靜電來說，人體相當(dāng)于良導(dǎo)體。因此，人體在靜電場中，或者在靜電電荷的作用下會感應(yīng)起電，甚至成為獨立的帶電體。

如果空間存在著帶電微粒，如帶電的水珠或其他離子，并為該空間的人體所吸附，人體也能帶電。

由于人體對于靜電來說是導(dǎo)體，而在達(dá)到靜電平衡時，導(dǎo)體是等位體。因此，人體某一部位帶電部將造成全身帶電。

當(dāng)人體靜電電壓為2 000V、人體對地電容為200pF時，放電火花的能量W為:

W=(1/2) CU²=(1/2)200×10^－12×2 000²= 0.4(mJ)

這個能量是足以引燃爆炸性混合物。

2)人體電容人體電容是指人體與大地之間的電容。人體的表面積大概相當(dāng)于直徑1m的球體，因此人體的電容大約為250pF。

人體電容值范圍很寬，從100～4 000pF，典型值是在50～250pF。有將近80%的人體其電容值為100pF，或更小。

人體電容C _B可近似用經(jīng)驗公式2－53表示:

上式由兩部分組成，第一項中，設(shè)人體最大高度為2.2m，算得的電容量約120pF;第二項中，由于不同的鞋底尺寸和材料，算得的電容量約110pF，二者合計為230pF，可取為250pF。

在潮濕條件下，若穿皮鞋，其電容量則很大，可達(dá)1.16μF，盡管電容量很大，但并聯(lián)等效電阻很小，不會積累電荷，不致產(chǎn)生靜電危害。

3)人體電阻

人體電阻是非線性的，并與測試方法及測試條件有關(guān)，其值在1 500～300 000Ω之間，推薦值為1 500Ω，典型值為1 000～5 000Ω。實測的數(shù)據(jù)可見表2－17。

影響人體電阻的因素有皮膚表面水分、鹽和油、皮膚接觸面積和壓力等。

表2－17　人體電阻實測例子

4)模型

人體是損壞器件的主要靜電放電(ESD)源。對人體進(jìn)行靜電放電試驗的電路稱人體帶電模型，由一個電容和一個電阻串聯(lián)組成。其中電容是“人體——絕緣材料——大地”等效電容器的電容，電阻是人體所具有的電阻。標(biāo)準(zhǔn)推薦100pF、1 500Ω的人體模型試驗電路認(rèn)為對元器件靜電放電(ESD)敏感度試驗是合理的。

人體的放電模型是LCR串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。電感常常被忽略，但電感值決定了放電電流的上升時間。R的范圍是500Ω～10kΩ。取決于人體的哪一部分放電。手指放電，R約為10kΩ，手掌約為1kΩ，若用手握住金屬體，約為500Ω。

當(dāng)人們手持ESD敏感的裝置而不先泄放電荷到地，摩擦電荷將會移向ESD敏感的裝置而造成損壞。

人體靜電的極性與衣服等因素有關(guān)，符合靜電序列的規(guī)律。兩種材料在靜電序列中的位置相隔越遠(yuǎn)，產(chǎn)生靜電越多。

人體活動速度越快，人體靜電電壓也越高。如人穿塑料底的鞋在橡膠地面上快走時，靜電電壓高達(dá)2 500V，而慢走時只有800V。

地面電阻、鞋的電阻以及衣服的電阻對人體靜電的影響很大。電阻越大，靜電衰減越慢，積累的電荷越多，靜電壓也越高。空氣溫度與相對濕度對靜電產(chǎn)生影響很大。相對濕度低，產(chǎn)生靜電危險性越大。人體靜電電壓受人體對地電容的影響，二者大體上保持反比關(guān)系。由于人體對地電容的60%是腳底對地電容，所以單腳站立與雙腳站立地面時對地電容相差很大。單腳站立時的人體電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙腳站立時的人體電壓。

關(guān)于人體充電最高電壓，若人體絕緣良好，一般充電電壓高達(dá)20 000V時鞋不致?lián)舸?。但有的文獻(xiàn)介紹，人體充電電壓可高達(dá)39 000V。一般可以認(rèn)為人體充電電壓最高不至超過25 000V。

(2)微電子器件帶電模型

即指這些ESD敏感的裝置，尤其對塑料件，在自動化生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生摩擦電荷。而這些摩擦電荷通過低電阻的線路非常迅速地泄放到高度導(dǎo)電的牢固接地表面，因產(chǎn)生大電流而造成損壞，或者通過感應(yīng)使ESD敏感的裝置的金屬部分帶電而造成損壞。

(3)場感類模型

即有強電場圍繞，這可能來之于塑性材料或人的衣服，會發(fā)生電子轉(zhuǎn)化跨過氧化層。若電位差超過氧化層的介電常數(shù)，則會產(chǎn)生電弧以破壞氧化層，其結(jié)果為短路。MOS型管的擊穿就是場感類模型的代表。