防靜電:預防靜電事故的防護措施-中文百科頻道

靜電産生

靜電是一種客觀的自然現象，産生的方式多種，如接觸、摩擦等。靜電的特點是高電壓、低電量、小電流和作用時間短的特點。

人體自身的動作或與其他物體的接觸，分離，摩擦或感應等因素，可以産生幾千伏甚至上萬伏的靜電。

靜電在多個領域造成嚴重危害。摩擦起電和人體經典是電子工業中的兩大危害。

生産過程中靜電防護的主要措施為靜電洩露、耗散、中和、增濕，屏蔽與接地。

人體靜電防護系統主要有防靜電手腕帶，腳腕帶，工作服、鞋襪、帽、手套或指套等組成，具有靜電洩露，中和與屏蔽等功能。

靜電防護工作是一項長期的系統工程，任何環節的失誤或疏漏，都将導緻靜電防護工作的失敗。

靜電危害

靜電在我們的日常生活中可以說是無處不在，我們的身上和周圍就帶有很高的靜電電壓，幾千伏甚至幾萬伏。平時可能體會不到，人走過化纖的地毯靜電大約是35000伏，翻閱塑料說明書大約7000伏，對于一些敏感儀器來講，這個電壓可能會是緻命的危害。

靜電學主要研究靜電應用技術，如靜電除塵、靜電複印、靜電生物效應等。更主要的是靜電防護技術，如電子工業、石油工業、兵器工業、紡織工業、橡膠工業以及興航與軍事領域的靜電危害，尋求減少靜電造成的損失近年來随着科學技術的飛速發展、微電子技術的廣泛應用及電磁環境越來越複雜，靜電放電的電磁場效應如電磁幹擾（EMI）及電磁兼容性（EMC）問題，已經成為一個迫切需要解決的問題。一方面，一些電阻率很高的高分子材料如塑料,橡膠等的制品的廣泛應用以及現代生産過程的高速化,使得靜電能積累到很高的程度,另一方面，靜電敏感材料的生産和使用, 如輕質油品,火藥,固态電子器件等,工礦企業部門受靜電的危害也越來越突出,靜電危害造成了相當嚴重的後果和損失。它可以在不經意間将昂貴的電子器件擊穿，造成電子工業年損失達上百億美元。在興航工業，靜電放電造成火箭和衛星發射失敗，幹擾興航飛行器的運行。1967年7月29日，美國Forrestal航空母艦上發生嚴重事故，一家A4飛機上的導彈突然點火，造成了7200萬美元的損失，并損傷了134人，調查結果是導彈屏蔽接頭不合格，靜電引起了點火。1969年底在不到一個月的時間内荷蘭、挪威、英國三艘20萬噸超級油輪洗艙時産生的靜電引起相繼發生爆炸。

靜電解釋

為了有效地抗擊和防止靜電放電(ESD, electrostatic discharge)，必須以正确的方式使用正确的設備。由于一系列強有力的閉環ESD預防、監測與離子設備，現在可以把ESD看作一個過程控制問題。

靜電放電(ESD)是在電子裝配中電路闆與元件損害的一個熟悉而低估的根源。它影響每一個制造商，無任其大小。雖然許多人認為他們是在ESD安全的環境中生産産品，但事實上，ESD有關的損害繼續給世界的電子制造工業帶來每年數十億美元的代價。

ESD究竟是什麼？靜電放電(ESD)定義為，給或者從原先已經有靜電(固定的)的電荷(電子不足或過剩)放電(電子流)。電荷在兩種條件下是穩定的：

1.當它"陷入"導電性的但是電氣絕緣的物體上，如，有塑料柄的金屬的螺絲起子。

2.當它居留在絕緣表面(如塑料)，不能在上面流動時。

可是，如果帶有足夠高電荷的電氣絕緣的導體(螺絲起子)靠近有相反電勢的集成電路(IC)時，電荷"跨接"，引起靜電放電(ESD)。

ESD以極高的強度很迅速地發生，通常将産生足夠的熱量熔化半導體芯片的内部電路，在電子顯微鏡下外表象向外吹出的小子彈孔，引起即時的和不可逆轉的損壞。更加嚴重的是，這種危害隻有十分之一的情況壞到引起在最後測試的整個元件失效。其它90%的情況，ESD損壞隻引起部分的降級 - 意味着損壞的元件可毫無察覺地通過最後測試，而隻在發貨到顧客之後出現過早的現場失效。其結果是最損聲譽的，對一個制造商糾正任何制造缺陷最付代價的地方。

可是，控制ESD的主要困難是，它是不可見的，但又能達到損壞電子元件的地步。産生可以聽見"嘀哒"一聲的放電需要累積大約2000伏的相當較大的電荷，而3000伏可以感覺小的電擊，5000伏可以看見火花。

例如，諸如互補金屬氧化物半導體(CMOS,complementary metal oxide semiconductor)或電氣可編程隻讀内存(EPROM, electricall programmable read-only memory)這些常見元件，可分别被隻有250伏和100伏的ESD電勢差所破壞，而越來越多的敏感的現代元件，包括奔騰處理器，隻要5伏就可毀掉。

該問題被每天的引起損害的活動複合在一起。例如，從乙烯基的工廠地闆走過，在地闆表面和鞋子之間産生摩擦。其結果是純電荷的物體，累積達到3~2000伏的電荷，取決于局部空氣的相當濕度。

甚至工人在台上的自然移動所形成的摩擦都可産生400~6000伏。如果在拆開或包裝泡沫盒或泡泡袋中的PCB期間，工人已經處理絕緣體，那麼在工人身體表面累積的淨電荷可達到大約26000伏。

因此，作為主要的ESD危害來源，所有進入靜電保護區域(EPA,electrostaticprotected area)的工作人員必須接地，以防止任何電荷累積，并且所有表面應該接地，以維持所有東西都在相同的電勢，防止ESD發生。

用來防止ESD的主要産品是碗帶(wristband)，有卷毛燈芯絨和耗散性表面或墊料-兩者都必須正确接地。另外的輔助物諸如耗散性鞋類或踵帶和合适的衣服，都是設計用來防止人員在靜電保護區域(EPA)移動時累積和保持淨電荷。

在裝配期間和之後，PCB也應該防止來自内部和外表運輸中的ESD。有許多電路闆包裝産品可用于這方面，包括屏蔽袋、裝運箱和可移動推車。雖然以上設備的正确使用将防止90%的ESD有關的問題，但是為了達到最後10%，需要另一種保護：離子化。

中和那些可産生靜電電荷的裝配設備和表面的最有效方法是使用離子發生器(ionizer)-一種設備吹出離子化空氣流在工作區域，來中和累積在絕緣材料上的任何電荷。

一個常見的謬論是認為因為在工作站帶上了碗帶，該區域的絕緣體，如聚苯乙烯杯或紙闆盒，所帶的電荷将安全地消散。按定義，絕緣體不會導電，除了通過離子化不可能放電。

如果一個帶電荷的絕緣體保留在EPA，它将輻射一個靜電場，引發淨電荷到任何附近的物體上，因此增加對産品的ESD損壞的危險性。雖然許多制造商企圖從其EPA禁止絕緣材料，但這個方法是很難實施的。絕緣材料是日常生活中太多的一部分-從操作員坐落舒适的泡沫墊，到塑料蓋中的一些東西。

由于離子發生器的使用，制造商可以接受一些絕緣材料在其EPA中出現的事實。因為離子發生系統連續地中和可能發生在絕緣體上面的任何電荷累積，所以對于任何的ESD計劃，它們都是合理的投資。

标準電子裝配中的離子發生設備有兩種基本的形式：

*桌面型(單個風扇)

*過頂型設備(在單個過頂的單元内，有一系列的風扇)

也有室内離子發生器，但現在主要用于清潔房的環境。

選擇決定于需要保護區域的大小。桌面型離子發生器将覆蓋單一等工作表面，而過頂式離子發生器将覆蓋兩或三個。另一個優點是離子發生器也可防止灰塵靜電附着于産品，可能使外觀降級。

可是，如果沒有對ESD設備有效性的正常測試和監測，那麼沒有一個保護計劃是完善的。一流的ESD控制和離子化專家報告了使用失效的(因此是無用的)ESD設備而不知其失效的制造商的例子。

為了防止這種情況，除了标準的ESD設備，ESD供應商還提供各種恒定監測器，如果一項表現超出規定即自動報警。監測器可用作一個獨立單元或在網絡中連接在一起。也有自動數據采集的網絡軟件，實時顯示有關操作員和工作站的系統表現。

監測器可通過消除許多日常任務來簡化ESD計劃，如保證碗帶每天适當測量，離子發生器的平衡與正确維護，工作台接地點沒有損壞。

結論

防止ESD的第一步是正确評價如果忽視，怎樣小的細節可能造成不可修複的損壞。一個有效的計劃要求不僅使用有效的ESD保護設備，而且嚴密的運作程序來保證所有工廠地面人員的行為是ESD安全的。

雖然許多制造商使用自動碗帶測試儀，但常常可以看到操作員因為碗帶太松而或者通過測試或者失效。許多操作員企圖通過用另一隻手簡單抓着測試儀靠近其手腕來通過測試。

盡管如此，好消息是ESD是可避免的。投資在正确設備和改善安全程序中的時間與金錢将通過相應的合格率提高而得到回報。

ESD功能

如何在設計PCB時增強防靜電ESD功能

在PCB闆的設計當中，可以通過分層、恰當的布局布線和安裝實現PCB的抗ESD設計。在設計過程中，通過預測可以将絕大多數設計修改僅限于增減元器件。通過調整PCB布局布線，能夠很好地防範ESD。

來自人體、環境甚至電子設備内部的靜電對于精密的半導體芯片會造成各種損傷，例如穿透元器件内部薄的絕緣層；損毀MOSFET和CMOS元器件的栅極；CMOS器件中的觸發器鎖死；短路反偏的PN結；短路正向偏置的PN結；熔化有源器件内部的焊接線或鋁線。為了消除靜電釋放(ESD)對電子設備的幹擾和破壞，需要采取多種技術手段進行防範。

在PCB闆的設計當中，可以通過分層、恰當的布局布線和安裝實現PCB的抗ESD設計。在設計過程中，通過預測可以将絕大多數設計修改僅限于增減元器件。通過調整PCB布局布線，能夠很好地防範ESD。以下是一些常見的防範措施。

盡可能使用多層PCB，相對于雙面PCB而言，地平面和電源平面，以及排列緊密的信号線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合，使之達到雙面PCB的1/10到1/100。盡量地将每一個信号層都緊靠一個電源層或地線層。對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB，可以考慮使用内層線。

對于雙面PCB來說，要采用緊密交織的電源和地栅格。電源線緊靠地線，在垂直和水平線或填充區之間，要盡可能多地連接。一面的栅格尺寸小于等于60mm，如果可能，栅格尺寸應小于13mm。

确保每一個電路盡可能緊湊。

盡可能将所有連接器都放在一邊。

如果可能，将電源線從卡的中央引入，并遠離容易直接遭受ESD影響的區域。

在引向機箱外的連接器(容易直接被ESD擊中)下方的所有PCB層上，要放置寬的機箱地或者多邊形填充地，并每隔大約13mm的距離用過孔将它們連接在一起。

在卡的邊緣上放置安裝孔，安裝孔周圍用無阻焊劑的頂層和底層焊盤連接到機箱地上。

PCB裝配時，不要在頂層或者底層的焊盤上塗覆任何焊料。使用具有内嵌墊圈的螺釘來實現PCB與金屬機箱/屏蔽層或接地面上支架的緊密接觸。

在每一層的機箱地和電路地之間，要設置相同的“隔離區”；如果可能，保持間隔距離為0.64mm。

在卡的頂層和底層靠近安裝孔的位置，每隔100mm沿機箱地線将機箱地和電路地用1.27mm寬的線連接在一起。與這些連接點的相鄰處，在機箱地和電路地之間放置用于安裝的焊盤或安裝孔。這些地線連接可以用刀片劃開，以保持開路，或用磁珠/高頻電容的跳接。

如果電路闆不會放入金屬機箱或者屏蔽裝置中，在電路闆的頂層和底層機箱地線上不能塗阻焊劑，這樣它們可以作為ESD電弧的放電極。

要以下列方式在電路周圍設置一個環形地：

(1)除邊緣連接器以及機箱地以外，在整個外圍四周放上環形地通路。

(2)确保所有層的環形地寬度大于2.5mm。

(3)每隔13mm用過孔将環形地連接起來。

(4)将環形地與多層電路的公共地連接到一起。

(5)對安裝在金屬機箱或者屏蔽裝置裡的雙面闆來說，應該将環形地與電路公共地連接起來。不屏蔽的雙面電路則應該将環形地連接到機箱地，環形地上不能塗阻焊劑，以便該環形地可以充當ESD的放電棒，在環形地(所有層)上的某個位置處至少放置一個0.5mm寬的間隙，這樣可以避免形成一個大的環路。信号布線離環形地的距離不能小于0.5mm。

SMT原理

人體防靜電有三:靜電服,抗靜電鞋(導電鞋),靜電手環.

抗靜電鞋和靜電手環作用都是将人體靜電導走,避免積累在人體上.

普通衣服在走動時會産生很大的靜電電壓(>1000V).而抗靜電服在走動時卻不會發生.這是抗靜電服的主要作用.

長條狀抗靜電服無法屏蔽裡面衣物産生的靜電(穿上後仍>1000V).

網格狀的抗靜電服可以屏蔽(<200V).

産生的靜電通過導電地闆和各處的接地線引入廠房外部的總接地線.

解決方案

靜電是人們非常熟悉的一種自然現象。靜電的許多功能已經應用到軍工或民用産品中，如靜電除塵、靜電噴塗、靜電分離、靜電複印等。然而，靜電放電ESD（Electro-StaticDischarge）卻又成為電子産品和設備的一種危害，造成電子産品和設備的功能紊亂甚至部件損壞。現代半導體器件的規模越來越大，工作電壓越來越低，導緻了半導體器件對外界電磁騷擾敏感程度也大大提高。ESD對于電路引起的幹擾、對元器件、CMOS電路及接口電路造成的破壞等問題越來越引起人們的重視。電子設備的ESD也開始作為電磁兼容性測試的一項重要内容寫入國家标準和國際标準。

1.靜電成因及其危害靜電是兩種介電系數不同的物質磨擦時，正負極性的電荷分别積累在兩個特體上而形成。當兩個物體接觸時，其中一個趨從于另一個吸引電子，因而二者會形成不同的充電電位。就人體而言，衣服與皮膚之間的磨擦發生的靜電是人體帶電的主要因之一。靜電源與其它物體接觸時，依據電荷中和的機理存在着電荷流動，傳送足夠的電量以抵消電壓。在高速電量的傳送過程中，将産生潛在的破壞電壓、電流以及電磁場，嚴重時将其中物體擊毀，這就是靜電放電。國家标準中定義：靜電放電是具有不同靜電電位的特體互相靠近或直接接觸引起的電荷轉移（GB/T4365-1995），一般用ESD表示。ESD會導緻電子設備嚴重損壞或操作失常。靜電對器件造成的損壞有顯性和隐性兩種。隐性損壞在當時看不出來，但器件變得更脆弱，在過壓、高溫等條件下極易損壞。ESD兩種主要的破壞機制是：由ESD電流産生熱量導緻設備的熱失效；由ESD感應出過高電壓導緻絕緣擊穿。兩種破壞可能在一個設備中同時發生，例如，絕緣擊穿可能激發大的電流，這又進一步導緻熱失效。除容易造成電路損害外，靜電放電也極易對電子電路造成幹擾。靜電放電對電子電路的幹擾有二種方式。一種是傳導幹擾，另一種是輻射幹擾。

2.數碼産品的構造及其ESD問題現在各類數碼産品的功能越來越強大，而電路闆卻越來越小，集成度越來越高。并都或多或少的裝有部分接口用于人機交互，這樣就存在着人體靜電放電的ESD問題。一般數碼産品中需要進行ESD防護的部位有：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機及其他各類數據傳輸接口ESD可能會造成産品工作異常、死機，甚至損壞并引發其他的安全問題。所以在産品上市之前，國内或國外檢測部門都要求進行ESD和其它浪湧沖擊的測試。其中接觸放電需要達到±8kV，空氣放電需要達到±15kV，這就對ESD的設計提出了較高的要求。

3.數碼産品中ESD問題解決與防護

3.1産品的結構設計如果将釋放的靜電看成是洪水的話，那麼主要的解決方法與治水類似，就是“堵”和“疏”。如果我們設計的産品有一個理想的殼體是密不透風的，靜電也就無從而入，當然不會有靜電問題了。但實際的殼體在合蓋處常有縫隙，而且許多還有金屬的裝飾片，所以一定要加以注意。其一，用“堵”的方法。盡量增加殼體的厚離，即增加外殼到電路闆之間的距離，或者通過一些等效方法增加殼體氣隙的距離，這樣可以避免或者大大減少ESD的能量強度。通過結構的改進，可以增大外殼到内部電路之間氣隙的距離從而使ESD的能量大大減弱。根據經驗，8kV的ESD在經過4mm的距離後能量一般衰減為零。其二，用“疏”的方法，可以用EMI油漆噴塗在殼體的内側。EMI油漆是導電的，可以看成是一個金屬的屏蔽層，這樣可以将靜電導在殼體上；再将殼體與PCB（PrintedCircuit Board）的地連接，将靜電從地導走。這樣處理的方法除了可以防止靜電，還能有效抑制EMI的幹擾。如果有足夠的空間，還可以用一個金屬屏蔽罩将其中的電路保護起來，金屬屏蔽罩再連接PCB的GND。總之，ESD設計殼體上需要注意很多地方，首先是盡量不讓ESD進入殼體内部，最大限度地減弱其進入殼體的能量。對于進入殼體内部的ESD盡量将其從GND導走，不要讓其危害電路的其它部分。殼體上的金屬裝飾物使用時一定要小心，因為很可能帶來意想不到的結果，需要特别注意。

3.2 産品的PCB設計現在産品的PCB（Printed Circuit Board）都是高密度闆，通常為4層闆。随着密度的增加，趨勢是使用6層闆，其設計一直都需要考慮性能與面積的平衡。一方面，越大的空間可以有更多的空間擺放元器件，同時，走線的線寬和線距越寬，對于EMI、音頻、ESD等各方面性能都有好處。另一方面，數碼産品設計的小巧又是趨勢與需要。所以，設計時需要找到平衡點。就ESD問題而言，設計上需要注意的地方很多，尤其是關于GND布線的設計以及線距，很有講究。有些産品中ESD存在很大的問題，一直找不到原因，通過反複研究與實驗，發現是PCB設計中的出現的問題為此，這裡總結了PCB設計中應該注意的要點：(1)PCB闆邊（包括通孔Via邊界）與其它布線之間的距離應大于0.3mm(2)PCB的闆邊最好全部用GND走線包圍(3)GND與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm (4)Vbat與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm;(5)重要的線如Reset、Clock等與其它布線之間的距離應大于0.3mm;(6)大功率的線與其它布線之間的距離保持在0.2mm～0.3mm(7)不同層的GND之間應有盡可能多的通孔（VIa）相連；(8)在最後的鋪地時應盡量避免尖角，有尖角應盡量使其平滑。

3.3産品的電路設計在殼體和PCB的設計中，對ESD問題加以注意之後，ESD還會不可避免地進入到産品的内部電路中，尤其是以下一些端口：USB接口、HDMI接口、IEEE1394接口、天線接口、VGA接口、DVI接口、按鍵電路、SIM卡、耳機及其他各類數據傳輸接口，這些端口很可能将人體的靜電引入内部電路中。所以，需要在這些端口中使用ESD防護器件。以往主要使用的靜電防護器件是壓敏電阻和TVS器件，但這些器件普遍的缺點是響應速度太慢，放電電壓不夠精确，極間電容大，壽命短，電性能會因多次使用而變差。所以目前行業中普遍使用專業的“靜電抑制器”來取代以往的靜電防護器件。“靜電抑制器”是專業解決靜電問題的産品，其内部構造和工作原理比其他産品更具科學性和專業性。它由Polymer高分子材料制成，内部菱形分子以規則離散狀排列，當靜電電壓超過該器件的觸發電壓時，内部分子迅速産生尖端對尖端的放電，将靜電在瞬間洩放到地。它最大特點是反應速度快（0.5ns～1ns）、非常低的極間電容（0.05pf～3pf），很小的漏電流（1μA），非常适合各種接口的防護。因為靜電抑制器具有體積小（0603、0402）、無極性、反應速度快等諸多優點，現在的設計中使用靜電抑制器作為防護器件的比例越來越多，在使用時應注意以下幾點：

1、将該器件盡量放置在需要保護的端口附近；

2、到GND的連線盡可能短;

3、所接GND的面積盡可能大ESD的問題是衆多重要問題之一。在不同的電子設備中有不同的方式來避免對電路的危害。由于現在的數碼産品體積小、密度大，在ESD的防護上有獨到的特點。通過大量的靜電測試實驗證明，采用本文的設計方法處理，将一個原本±2kV放電就會死機的産品加以保護和改進，在±8kV的靜電放電情況下依然可以穩定工作，起到了很好的靜電防護效果。随着電子設備使用的日益廣泛，ESD設計是每一個結構設計工程師和電子設計工程師需要重點關心的問題，通過不斷總結與學習，ESD問題将不再是一個難題！

靜電系統

作為一個靜電防護的有效系統，主要由硬件和軟件兩部分組成。

硬件部分主要包括有：

*人體靜電防護用品

*防靜電物流傳遞用品

*防靜電地坪

*防靜電操作系統

*防靜電接地

在防靜電工作區必須設置防靜電接地。

*環境控制系統

在防靜電工作區，應設有溫度和濕度控制設備;對有特殊要求的靜電敏感器件組裝時應設有環境潔淨度控制系統，使生産環境達到相應的潔淨度級别。

*專用生産裝聯設備

需采取防靜電措施的生産裝備，如貼片機、Bonding機、插裝拉、焊接拉等。

*特殊防靜電用品

*靜電測量(監控)系統

軟件部分主要包括有：

*培訓

*防靜電工藝和設計文件

*防靜電專業标準

*操作規程和規章制度

*完整的質量保證體系

*防靜電标志

*貯存和運輸要求

生活竅門

人們在日常生活裡，有時由于穿着、氣候、摩擦等原因，常常導緻身體積累靜電，而突然碰處金屬時，就會遭受電擊的疼痛感，某階段常發生時甚至可以造成某種心理壓力。如果暫時回避接觸鐵器，身上的電荷可能會積累更多，早晚會受更大的電擊。

1、在房屋内，地毯與鞋底摩擦後可能産生靜電，在屋外也可能由于刮風導緻身上帶電。這時進出要碰鐵門時小心，手可能挨電打。反複遇到這樣的情況後，可采取如下辦法避免電擊：

在碰鐵門時，不要直接用手直接接觸鐵門，而是用手先大面積抓緊一串你口袋裡的鑰匙(通常這并不會遭電擊)，然後，用一個鑰匙的尖端去接觸鐵門，這樣，身上的電就會被放掉，而且不會遭電擊。

原理：手上放電的疼痛是由于高壓放電，由于放電時手與鐵門突然接觸時是極小面積的接觸，因而産生瞬間高壓。如果拿出來口袋裡的鑰匙，先大面積握住鑰匙(一串鑰匙本身不能傳走多少電荷因而這時也不會有電擊)，再用一把鑰匙的尖端去接觸大的導體，這時，放電的接觸點就不是手皮膚上的某個點，而是鑰匙尖端，因此手不會感到疼痛(也許鑰匙會!----如果它有疼痛感的話)。

2、下出租車時也常發生電擊現象。主要由于下車時身體與座位摩擦産生靜電積累，而下車後關門時，手突然碰鐵門就會遭電擊。

這種情況常發生時，最好注意：下車時，即在身體與座位摩擦時，就提前手扶金屬的車門框，可以在摩擦産生靜電時，随時把身上的靜電排掉，而不至于下車後突然手碰鐵門時放電。