静电与控防措施

朱则刚　朱　彦



静电与控防措施

朱则刚朱彦

Electrostatics & Its Control-prevent Measures

Zhu Zegang Zhu Yan

静电是一种客观的自然现象，产生的方式多种，如接触、摩擦等。静电防护技术，例如常常发生在电子工业、石油工业、兵器工业、纺织工业、橡胶工业以及兴航与军事领域的静电危害，会产生不良后果，寻求静电妁安全防护方法，可以减少由此造成的损失受到关注。

一、静电的危害

静电放电（ESD）定义为给或者从原先已经有静电（固定的）的电荷（电子不足或过剩）放电（电子流）。电荷在两种条件下是稳定的：当它陷入导电性的但是电气绝缘的物体上，如，有塑料柄的金属的螺丝起子；当它居留在绝缘表面（如塑料），不能在上面流动时。可是，如果带有足够高电荷的电气绝缘的导体（螺丝起子）靠近有相反电势的集成电路（IC）时，电荷跨接，引起静电放电（ESD）。ESD以极高的强度很迅速地发生，通常将产生足够的热量熔化半导体芯片的内部电路，在电子显微镜下外表象向外吹出的小子弹孔，引起即时的和不可逆转的损坏。更加严重的是，这种危害只有十分之一的情况坏到引起在最后测试的整个元件失效。其它90%的情况，ESD损坏只引起部分的降级，意味着损坏的元件可毫无察觉地通过最后测试，而只在发货到顾客之后出现过早的现场失效。其结果是最损声誉的，对一个制造商纠正任何制造缺陷最付代价的地方。

控制ESD的主要困难是它是不可见的，但又能达到损坏电子元件的地步。产生可以听见嘀哒一声的放电需要累积大约2000V的相当较大的电荷，而3000V可以感觉小的电击，5000V可以看见火花。例如，诸如互补金属氧化物半导体（CMOS）或电气可编程只读内存（EPROM）这些常见元件，可分别被只有250V和100V的ESD电势差所破坏，而越来越多的敏感的现代元件，包括奔腾处理器，只要5V就可毁掉。该问题被每天的引起损害的活动复合在一起。例如，从乙烯基的工厂地板走过，在地板表面和鞋子之间产生摩擦。其结果是纯电荷的物体，累积达到3-2000V的电荷，取决于局部空气的相当湿度。甚至工人在台上的自然移动所形成的摩擦都可产生400-6000V。如果在拆开或包装泡沫盒或泡泡袋中的PCB期间，工人已经处理绝缘体，那么在工人身体表面累积的净电荷可达到大约26000V。因此，作为主要的ESD危害来源，所有进入静电保护区域的工作人员必须接地，以防止任何电荷累积，并且所有表面应该接地，以维持所有东西都在相同的电势，防止ESD发生。

在化工、炼油、橡胶、制药、印刷、金属粉末等行业的生产中，因静电事故所造成的损失是很大的，这不得不引起人们的重视。静电危害主要有三个方面，即静电放电引起火灾和爆炸，给人以电击和妨碍生产。其中静电放电引起火灾和爆炸是静电最严重的危害。

静电造成的电击可能发生在人体接近带电物体的时候，也可能发生在带静电电荷的人体接近接地体的时候。电击程度与所储存的静电能量有关，能量愈大，电击愈严重。但由于一般情况下，静电的能量较小，虽然不会直接使人致命，但会在电击后产生恐惧心理，工作效率下降。但人体可能因电击坠落、摔倒，引起二次事故。此外，电击还能引起工作人员精神紧张，影响工作。在某些生产过程中，如不消除静电，将会妨碍生产或降低产品质量。

据媒体报道，日本某厂家曾发生高压聚乙烯压缩机因电源电压下降而停止工作。喷口管内存有乙烯气体和聚合用触媒，因此产生聚合反应并放出热量使喷嘴温度升高。压缩机重新启动后，压进管内的新鲜乙烯气体使相应管道冷却，由于此间尚存在乙烯受热裂解的吸热反应，因此更促进了管道的冷却，致使压缩机出口管线、过滤阀等法兰产生间隙，高压乙烯气体由此泄漏喷出，产生静电导致乙烯与空气爆炸性混合物的爆炸。

某树脂厂搅拌槽在加入矿物松节油和树脂白光粉后搅拌2小时发现搅拌轴发红，随即产生爆炸。由于树脂是预先辊压过的，在辊压过程中树脂带上静电，在搅拌操作中，可测得槽壁静电电压约为20 KV，槽中心部分为60 KV。某化工厂塑料粉未在干燥过程中，由于铝管内高速输送，因同铝管内壁磨擦，使塑料颗粒带电产生累积，由静电放电火花导致气升管汽油与空气的混合物爆炸。此外，人体带电同样也可以引起火灾爆炸事故。

二、静电产生的原因

静电特点是指与静电危害密切相关的特点，即静电电压的特点和静电泄漏的特点。生产工艺过程中所产生静电的电量都很小，在局部范围内，静电电量一般都只有微库仑级到毫库仑级。但是，带电体的电容可能在很大范围内变化，有时变得很小，而电压u与电容C和电量Q之间有以下关系：u=Q/C

在电量保持不变的情况下，电压和电容保持反比关系。电容越大，电压越低；电容越小，则电压越高。如果产生静电的两种物体是平面接触的，则其间电容相当于平板对平板的电容。假设两种物体是密接触产生静电时，其间距离d1=25×10-8cm，当两物体分离时，其间距离d2=0.1cm，则两种物体分离后，电容减小为原来的四十万分之一，电压则增加为原来的四十万倍。因此，接触分离产生的静电高压是非常危险的。例如：油品在输油管道内流动时，静电电压并不很高，但当注入油罐，特别是注入较大容积油罐时，由于电容逐渐逐渐减小，而电压大大升高。一旦发生静电放电，将引起燃烧或爆炸。可燃物是指凡能与空气中的氧或其它氧化剂起剧烈反应的物质。如木材、纸张、汽油、乙炔等。凡能帮助和支持燃烧的物质称为助燃物，如空气、氧、高锰酸钾等。爆炸性混合物是指空气与可燃气体或液体蒸汽相混合，遇到火源即能爆炸的混合物。爆炸性混合物有爆炸上限和爆炸下限之分，当爆炸性混合物的浓度处于爆炸上下限范围内时，遇到着火源便能引起燃烧爆炸。

静电放电能量是静电场通过火花放电释放出来的能量。当一体物体产生静电后，其放电能量必须等于或大于物质的最小点火能量时，才会引起燃烧或爆炸。物质的最小点火能量是指物质能引燃的最小火源能量。饱和烃及其衍生物的最小引燃能量大多是0.2mJ数量级的，但乙炔的最小引燃能量只有0.019mJ，二硫化碳的只有0.009mJ等。工业粉尘的最小引燃能量一般在10-100mJ之间；气体和蒸汽爆炸性混合物的最小引燃能量多在0.009-0.29mJ之间。根据实验，甲烷的最小点火能量为0.28mJ，假如一个穿着胶鞋的工人，在充满甲烷气体的场所工作，其脱去化纤制的工作服时，人体带上约3kV的电位，如果人体静电电容为100×10-12F，当人体的某一部分触及接地物体等，则放电的火花能量为0.45mJ的火花放电能量就会引起甲烷气体燃烧或爆炸。

静电的产生是一个复杂的过程，它与很多因素有关：一是接触起电。当两种物质表面互相紧密接触，其间距小于25×（10的8次方）厘米时就会产生电子转移，形成双电层。如果两个接触的表面分离十分迅速，即使是导体也会带电。磨擦能够增加物质的接触机会和分离速度，因此能促进静电的产生；二是感应起电：在工业生产中，带静电物体能使附近不相连的导体如金属管道和金属零件表面的不同部位出现正、负电荷即是感应所致的静电；三是极化起电：静电非导体置入电场内，其内部或外表均能出现电荷，这种现象叫极化起电；四是附着带电：某种极性离子附着到与地绝缘的物体上，也能使该物质带电或改变物质的带电状况。

从大量静电火灾和爆炸事故的分析中得出：发生静电放电引起火灾和爆炸，必须具备有可燃物、助燃物或是爆炸性混合物，这是着火的必要条件；其次是必须具有能击穿电介质的静电电压，引起放电产生静电火花；三是静电放电能量必须等于或大于物质的最小点火能量，成为物质的引火源。这三条是静电放电引起火灾和爆炸的最基本的条件，静电能量虽然不大，但因其电压很高而容易发生放电，出现静电火花，在有可燃液体的作业场所，可能由静电火花引起火灾；在有气体、蒸气爆炸性混合物或有粉尘纤维爆炸性混合物的场所，可能由静电火花引起爆炸。此外，在带电绝缘体与接地体之间产生的表面放电导致着火的概率亦很高。

从静电放电引起火灾和爆炸的三个基本条件来看，是相互依存，缺一不可的。如果有可燃物或爆炸性混合物的存在，而产生静电放电的能量相当小，达不到物质的最小点火能量，燃烧也不可能发生。相反，产生静电放电的能量相当大，则可燃物或爆炸性混合物的数量很少或浓度达不到，也是不能着火的。根据这个道理，我们可以采取一些措施，防止静电火灾的发生。例如对于具有火灾、爆炸危险性厂房，可采取局部排风或全部通风的方法，以降低易燃气体、蒸气或粉尘在厂房空气中的浓度，这样，就可避免火灾事故的发生。

三、静电的消除及预防措施

电子加工企业经常因无法把握静电源的发生而头痛，对于静电不用怕，只要做好各方面的防护措施完全可以控制静电的，静电释放或静电耗散工作表面是一个静电安全工作站必不可少的一部份，特别是那些用人工组装的生产车间，当使用防静电手腕带，对于干净工作表面并且合适地接到一个公共点上接地是必要的，且要经常检测接地是否导通。

静电的消除及其主要预防措施可分为防止静电产生和预防静电损害。生产过程中静电防护的主要措施为静电泄露、耗散、中和、增湿、屏蔽与接地。人体静电防护系统主要有防静电手腕带，脚腕带，工作服、鞋袜、帽、手套或指套等组成，具有静电泄露，中和与屏蔽等功能。地面防静电处理主要有防静电陶瓷钢基复合活动地板，防静电全钢活动地板，防静电瓷质地板砖等。接地对于减少在导体上产生的静电荷是非常重要的，人体是导体，并且是主要静电产生发源地。因此，我们必须减少在接触敏感防静电元件或组件的人身上产生的静电荷。预防在人体上产生静电最好是通过人体接地。

导电或静电耗散工作表面是一个静电安全工作站必不可少的一部份，特别是那些用手组装发生的地方，当使用手腕带，对于干净工作表面并且合适地接到一个公共点上接地是必要的，导电或静电耗散材料能够产生静电荷，但是当合适地把他们接地后，他们可以有效地漏走静电荷。在储存或运输过程中隔离元气件和组件。从带电物体或带电静电场中隔离出来。在储存或运输过程中，绝缘体是最好的方式来阻止静电释放损伤发生。既然接地不能排走静电荷或绝缘体，它是有必要从他们中隔离敏感元气件和组件。在静止工作、出货、搬运区域减少常规塑胶和其它类型的绝缘体是最好方法从绝缘体中隔离产品。

人体防静电可利用接地、穿防静电鞋、防静电工作服等具体措施，减少静电在人体上积累，同时还要加强规章制度和安全技术教育等措施，保证静电安全操作。接地对于减少在导体上产生的静电荷是非常重要的，人体是导体，并且是静电源发生地。因此，我们必须减少在接触敏感防静电元件或组件的人身上产生的静电荷。人体产生的静电最好是通过人体接地，且要确保接地良好有效。

在工业中，手腕带是最常用的接地装置。手腕带将安全且有效地排走你身体上的静电荷，合理地发挥一个手腕带的作用需要合理地接触皮肤。一个脏的或松的手腕带可能保留着漏走的静电荷，使防静电控制失效。导电的鞋类或脚接地可以被使用或补充手腕带不足。

静电引起爆炸和火灾的条件之一是有爆炸性混合物存在。为了防止静电的危险，可采取环境危险程度控制，即取代易燃介质、降低爆炸性混合物的浓度、减少氧化剂含量等控制所在环境爆炸和火灾危险程度的措施。

工艺法控制静电的产生。工艺控制法即从工艺上、材料选择、设备结构和操作管理等方面采取措施控制静电的产生，使其不能达到危险程度。即从工艺流程、设备结构、材料选择和操作管理等方面采取措施，限制静电的产生或控制静电的积累，使之达不到危险的程度。比如，限制输送物料流速，选用合适的材料，改变灌注方式，加速静电电荷的消散方式等。对于输送气体和液体物料主要通过控制流速来限制静电产生。对于输送固体物料所使用的皮带、托辊、料斗、倒运车辆和容器等应采用导电材料制造并接地。输送速度要合适、平稳，不要使物料震动窜位。

泄漏导走法防静电即在工艺过程中，采用空气增湿法，加入抗静电添加剂、静电接地和规定静止时间的方法，将带电体上的电荷向大地泄漏消散，以期得到安全生产的保证。

采用静电中和器又叫静电消除器。静电中和器是能产生电子和离子的装置。由于产生了电子和离子，物料上的静电电荷得到异性电荷的中和，从而消除静电的危险。静电中和器主要用来消除非导体上的静电。中和电荷法就是利用相反极性的离子或电荷中和危险性静电，从而减少带电体上的静电量。属于该法的有静电消除器消电、物质匹配消电和湿度消电等。

封闭削尖法就是利用静电的屏蔽、尖端放电和电位随电容变化的特性，能动地使带电体不致造成危害的方法，将带电体用接地的金属板、网或缠以导电线匝，即能将电荷对外的影响局限在屏蔽层内，同时屏蔽层内物质也不会受到外电场的影响，于是远方放电等问题就可以消除，这种封闭作用保证了系统的安全。

静电荷不能进入由导体材料或导体层做成的容器。这个效应被称作法拉第杯效应。在储存和运输电子元气件或装载线路板时，确保有近似法拉第杯特性的容器被使用，这些容器将会从静电释放击伤当中隔离出来。法拉第杯这种类型法拉第杯通常用在控制静电释放，它是金属袋、导电袋、有盖的周转盒，这些法拉第杯可以携带这些在表面上的静电荷并且在打开之前将它移走。利用静电消除设备，其主要部件为离子发生器。由于接地和隔离将不能从绝缘体诸如人工合成的布或常规塑胶当中释放电荷，所以中和就显得重要了。从绝缘体中中和或移走在制程工作中自然产生的电荷，称之为电离。离子是存在于空气中简单带电物质，离子是由于自然能源物质产生的，它包括太阳光、照明、露天为焰和辐射。我们可以通过离子发生器人造成上万亿的离子，离子发生器使用高电压产生一个平衡的混合带电离子，并且用风扇帮助离子漂移到物体上或区域里中和。离子化可以在8s内中和在绝缘体上的静电荷，因此可以减少他们潜在的引起的伤害。通过离子化中合不是接地或隔离的替代品，离子化仅减少静电释放事故发生的可能性或风险。

加强静电安全管理。防止静电引起火灾、爆炸事故，避免或减少因此造成的人员伤亡和财产损失；规范液体原料、产品在生产、运输、贮存、使用过程中静电危害的管理。静电安全管理包括制订静电安全操作规程、静电安全指标、静电安全教育、静电检测管理等内容。防静电设施的使用、日常维护保养及防腐工作，保证防静电设施完好；所有防静电接地线必须坚固可靠，接地线的截面积应不小于10mm2，单独的防静电接地电阻不应大于100Ω，与其它目的的接地极共用时应满足其他接地的技术要求。

四、人体防静电

人体防静电主要是防止带电体向人体放电或人体带静电所造成的危害，人体静电的防止，既可利用接地、穿防静电鞋、防静电工作服等具体措施，减少静电在人体上积累，又要加强规章制度和安全技术教育保证静电安全操作，具体措施如下所述。

人们在日常生活里有时由于穿着、气候、摩擦等原因，常常导致身体积累静电，而突然碰处金属时，就会遭受电击的疼痛感，某阶段常发生时甚至可以造成某种心理压力。如果暂时回避接触铁器，身上的电荷可能会积累更多，早晚会受更大的电击。

在人体必须接地的场所应装设金属接地棒--消电装置。工作人员随时用手接触接地棒，以清除人体所带有的静电；工作地面导电化，采用导电性地面是一种接地措施，不但能导走设备上的静电，而且有利于导除积累在人体上的静电。用洒水的方法使混凝土地面、嵌木胶合板湿润，使橡皮、树脂和石板的黏合面以及涂刷地面能够形成水膜，增加其导电性；在工作中确保安全操作，应尽量不做与人体带电有关的事情，如接近或接触带电体；在有静电危险的场所，不得携带与工作无关的金属物品，如钥匙、硬币、手表、戒指等，也不许穿带钉子鞋等进入现场。

在房屋内地毯与鞋底摩擦后可能产生静电，在屋外可能由于刮风导致身上带电。这时进出要碰铁门时小心，手可能挨电打。反复遇到这样的情况后，可采取如下办法避免电击：在碰铁门时，不要直接用手直接接触铁门，而是用手先大面积抓紧一串你口袋里的钥匙（通常这并不会遭电击），然后，用一个钥匙的尖端去接触铁门，这样，身上的电就会被放掉，而且不会遭电击。其原理：手上放电的疼痛是由于高压放电，由于放电时手与铁门突然接触时是极小面积的接触，因而产生瞬间高压。如果拿出来口袋里的钥匙，先大面积握住钥匙（一串钥匙本身不能传走多少电荷因而这时也不会有电击），再用一个钥匙的尖端去接触大的导体，这时放电的接触点就不是手皮肤上的某个点，而是钥匙尖端，因此手不会感到疼痛。

坐出租车时也常发生电击现象。主要由于下车时身体与座位摩擦产生静电积累，而下车后关门时，手突然碰铁门就会遭电击。这种情况常发生时，最好注意：下车时，即在身体与座位摩擦时，就提前手扶金属的车门框，可以在摩擦产生静电时，随时把身上的静电排掉，而不至于下车后突然手碰铁门时放电。

为了有效地抗击和防止静电放电，必须以正确的方式使用正确的设备。由于一系列强有力的闭环ESD预防、监测与离子设备，可以把ESD看作一个过程控制问题。静电放电（ESD）是在电子装配中电路板与元件损害的一个熟悉而低估的根源。它影响每一个制造商。虽然许多人认为他们是在ESD安全的环境中生产产品，但事实上，ESD有关的损害继续给世界的电子制造工业带来每年数十亿美元的代价。

五、人体隔静电防护器材设备

人体防静电主要有三：防静电服，防静电鞋，防静电手腕带。防静电鞋和防静电手腕带作用都是将人体静电导走，避免积累在人体上。普通衣服在走动时会产生很大的静电电压（>1000V），而抗静电服在走动时却不会发生，这是抗静电服的主要作用；长条状抗静电服无法屏蔽里面衣物产生的静电（穿上后仍>1000V）；网格状的抗静电服可以屏蔽（<200V）；产生的静电通过导电地板和各处的接地线引入厂房外部的总接地线。

个人静电消除器主要是指接触式个人静电消除器和自动感应式个人静电消除器。接触式手持式个人静电消除器是指用手持设备去接触全属物体将人体上或全属物体上的静电消除的设备，这只是暂时的。在生活中静电每时每刻都在产生。使用接触式个人静电消除器一段时间后，我们的身体再去接触带静电物体/金属导体时又会有一种触电的感觉。因此当我们使用产品后因尽快完成我们要完成的事情。全自动个人静电消除器是指自动探测周围环境中的静电，然后自动将周围环境中的静电消除。这种全自动除静电钥匙扣最大的特点是工艺精美、抗静电负荷达40000伏、能持续性消除静电。

用来防止ESD的主要产品是腕带，有卷毛灯芯绒和耗散性表面或垫料，两者都必须正确接地。另外的辅助物诸如耗散性鞋类或踵带和合适的衣服，都是设计用来防止人员在静电保护区域（EPA）移动时累积和保持净电荷。在装配期间和之后，PCB也应该防止来自内部和外表运输中的ESD。有许多电路板包装产品可用于这方面，包括屏蔽袋、装运箱和可移动推车。虽然以上设备的正确使用将防止90%的ESD，但是为了达到最后10%，需要另一种保护“离子化”。中和那些可产生静电电荷的装配设备和表面的最有效方法是使用离子发生器，一种设备吹出离子化空气流在工作区域，来中和累积在绝缘材料上的任何电荷。

对于离子发生器的使用，制造商可以接受一些绝缘材料在其EPA中出现的事实。因为离子发生系统连续地中和可能发生在绝缘体上面的任何电荷累积，所以对于任何的ESD计划，它们都是合理的投资。选择决定于需要保护区域的大小。桌面型离子发生器覆盖单一工作表面，过顶式离子发生器覆盖两或三个。另一个优点是离子发生器可防止灰尘静电附着于产品使外观降级。可是如果没有对ESD设备有效性的正常测试和监测，那么没有一个保护计划是完善的，一流的ESD控制和离子化专家报告了使用失效的ESD设备而不知其失效的制造商的例子。为了防止这种情况，除了标准的ESD设备，ESD供应商还提供各种恒定监测器，如果一项表现超出规定即自动报警。监测器可用作一个独立单元或在网络中连接在一起。也有自动数据采集的网络软件，实时显示有关操作员和工作站的系统表现。监测器可通过消除许多日常任务来简化ESD计划，如保证碗带每天适当测量，离子发生器的平衡与正确维护，工作台接地点没有损坏。防止ESD的第一步是正确评价如果忽视，怎样小的细节可能造成不可修复的损坏。一个有效的计划要求不仅使用有效的ESD保护设备，而且严密的运作程序来保证所有工厂地面人员的行为是ESD安全的。许多制造商使用自动碗带测试仪，但常常看到操作员因为碗带太松而失效。许多操作员企图通过用另一只手简单抓着测试仪靠近其手腕来通过测试。尽管如此，ESD是可避免的。投资在正确设备和改善安全程序中的时间与金钱将通过相应的合格率提高而得到回报。

人们穿着人造织物衣服极为普遍，人造织物极易产生静电，往往积聚在人体上。为防静电可能产生的火花，需对进入轻油泵房、轻油罐顶上、轻油作业区的操作平台，以及爆炸危险区域等处的扶梯上或入口处设置消除人体静电装置。此消除静电装置是指用金属管做成的扶手，在进入这些场所之前人体应抚摸此扶手以消除人体静电。

目前部分易燃、易爆危险场所采用金属导体直接接地放电方式来消除人体静电，此方式虽能消除人体静电，但是，此方式采用导体间放电的形式释放静电电荷，释放电阻小，静电释放时间短，瞬间释放能量大，从而导致人体电击或引发火灾爆炸事故的可能性和必然性。

人体静电释放报警器弥补了目前人体静电导除方式的不足，合理的人体静电释放电阻，延长人体静电释放时间，降低了人体静电瞬间释放能量，有效规避了火灾爆炸事故的发生和人体被电击的现象。同时，人体静电释放报警器检测人体与静电触摸球接触可靠，声光报警提示静电是否释放完毕。人体静电释放报警器是适用于易燃、易爆及防静电场所的人体静电释放的仪器仪表。能够使人体静电安全释放，能检测人体与静电触摸球接触是否可靠，声光报警提示静电消除是否完全。

六、结朿语

静电严重的危险是引起爆炸和火灾，预防是一个重要措施。这是在静电释放控制中关键的因素。相关人员在与电子元气件接触的工作中必须意识到静电释放的危险。静电防护工作是一项长期的系统工程，任何环节的失误或疏漏，都将导致静电防护工作的失败。通过采取正确和适当的静电防护和控制措施，建立静电防护系统，可以消除或控制静电，防止消除损害。