機電一體化設備外部的大電流載電導體所產生的恆定及瞬變電場，將通過載電導體與電子設備之間存在的雜散電容耦合到受擾設備的導線而形成靜電干擾。大電流開關裝置及晶閘管整流器等在切斷電感性負載電流時也將出現靜電於擾。
基本介紹
- 中文名：靜電干擾
- 外文名：Electrostatic interference
- 類別：物理學、電學
產生原理,靜電危害,防護措施,
產生原理
如概述圖所示，圖中A為浮充電源，當開關B閉合時，電流將流過電感儲能。在打開開關B的瞬間，電流將通過B的電弧而衰減，當電流衰減到某一數值時電弧熄滅，儲存在電感中的磁能將對線間雜散電容充電，轉化為電能儲存起來，或通過雜散電容耦合到其他靈敏的信號電路，產生靜電干擾。有時，載有高壓靜電的操作人員，在觸摸到電子設備外殼時會形成放電電流，經外殼、地線進入大地，並產生電場和磁場，可能耦合到設備內部線路，並且地線上的放電電流所產生的壓降也將傳導性地進入電子線路，並引起設備故障。
靜電危害
在靜電起電-放電過程中，有時會形成瞬態大電流和電磁脈衝(EMP)，產生頻譜很寬的電磁輻射場。另外，與常規電能量相比，靜電能量比較小。在自然起電-放電過程中，ESD參數是不可控的，是一種難以重複的隨機過程。因此，它的作用往往被人們忽視。但是它給人類造成的危害卻是驚人的。電力系統的微機保護系統、二次側測量控制系統大多由弱電設備構成，微電子設備已在電力系統中得到了廣泛的套用。在微電子技術領域，由於靜電危害每年損害上百億美元；在彈藥、火工品及易燃易爆氣體、粉塵等“靜電危險場所”(關於靜電危險場所的定義和等級劃分見GJB2528--1995)，因靜電危害造成許多燃燒、爆炸等惡性事故；在航天、航空方面，靜電危害曾使飛機墜毀、火箭發射失敗、衛星發生故障。在科學技術飛速發展和工業技術高度自動化的今天，靜電在工業生產中的危害已是顯而易見的。
一、靜電力學效應造成的危害或生產障礙
在積累靜電荷的物體周圍，存在著靜電場。靜電場可以使介質極化，在庫侖力作用下，懸浮在空氣中的塵埃被吸附在物體上，污染生產環境，影響產品質量。在半導體器件生產車間，由於塵埃吸附在晶片上，積體電路(IC)、特別是超大規模積體電路(VLSI)的成品率大大下降；由於靜電的吸附作用，給紡織工業造成很大的危害，如抽絲過程由於靜電力作用，會使絲線飄動、黏合糾結；在織布過程中，由於橡膠輥軸與絲紗摩擦產生靜電，導致亂紗、纏花、斷頭，降低了針尺梳理能力，影響產品質量和生產效率；在粉體加工業，由於靜電作用，使篩空變小或堵塞，氣力輸送管道不通暢，球磨機不能正常工作留在印刷行業和塑膠薄膜包裝生產中，由於靜電的吸引力和排斥力，影響正常的紙張分離、疊放、塑膠薄膜不能正常包裝和印花，甚至出現“靜電墨斑”，使自動化生產造成困難。
二、ESD熱效應造成的危害——危險場所的點火源、引爆源、微電子器件的損傷源
一般來說，靜電火花放電或刷狀放電都是在微秒或納秒量級完成的，所以，可以認為ESD過程是一個絕熱過程。放電瞬問迴路通過數安培的大電流使空氣間隙電離、擊穿、發光、發熱，形成局部的高溫熱源，這種局部的高溫熱源可以引起易燃、易爆氣體的燃燒爆炸，也可以使炸藥、電雷管、電引信等各種電發火裝置意外發火，引起爆炸事故。
在微電子技術領域，ESD過程是靜電能量在0.1μs時間內通過器件電阻釋放的，其平均功率可達幾千瓦。如此大功率的短脈衝電流作用於器件上，足以在絕熱情況下，使矽片上微區融化，電流集中處使鋁互連局部區域發生球化，甚至燒毀PN結和金屬互連線，形成破壞性的“熱電擊穿”，導致電路損壞失效。
三、高壓靜電場引起的介質擊穿和潛在性危害
靜電荷在物體上的累積往往使物體對地形成高電壓，在附近形成強電場。很強的靜電場會導致MOS場效應器件的柵氧化層被擊穿，使器件失效。一般MOS器件的柵氧化膜厚度為10-7m數量級，當電路設計沒有採用保護措施時，即便是緻密無針孔的高質量氧化層，也會在100V的靜電電壓下被擊穿。對於有保護措施的電路，雖然擊穿電壓高於100V，但危險經電源的電壓可能是幾千伏甚至上萬伏。因此，高壓靜電場的擊穿效應仍然是MOS電路的一大危害。另外，高壓靜電場也可能使多層布線電力間介質擊穿或金屬化導線間介質擊穿，造成電路失效。需要強調的是，介質擊穿對電路造成的危害是由於過電壓、強電場而不是功率造成的。因為絕緣材料雪崩擊穿需要一定的時間，所以擊穿電壓是電脈衝上升時間的函式。甚至這種危害(失效)機理，常常導致潛在危害，使設備或電路的可靠性降低。
潛在性靜電危害是一般靜電危害中最棘手的問題。這種不易及早被發現，而在器件生產和儲運過程中已形成初始的不良狀態使器件的壽命降低。這種情況下對於MOS器件和雙極性器件都可能存在，但MOS器件更為典型。當MOS器件柵極上外加電場時，在該電場作用下，如果柵極沒有被擊穿，則也可以使SiO2膜中及Al/SiO2界面處所俘獲的Na+離子漂移而群集在SiO2/Si界面的缺陷中心處，為器件使用中局部擊穿埋下隱患，造成潛在的靜電傷害。
在其他領域，高壓靜電場使電介質擊穿也會造成危害。據報導，曾有一同步發電機因繞組槽絕緣嵌條在運轉中與空氣摩擦產生靜電，導致絕緣介質擊穿短路而燒毀電機。日本一500kVA大變壓器，用泵打循環油冷卻，油流動中與繞組線圈摩擦產生靜電高電壓擊穿了繞組絕緣，引起短路，發生了火災和爆炸。
四、ESD的電磁效應是信息化時代電子裝備的主要危害源之一
靜電放電過程是電位、電流隨機瞬時變化的電磁輻射過程。無論是放電能量較小的電暈放電，還是放電能量較大的火花放電，都會產生電磁輻射。這種近區場ESD/EMP(電磁脈衝)對各種電子裝備、信息化系統都可能造成電磁干擾。在航空、航天、航海領域和各種現代化電子設備中形成ESD電磁輻射危害也是眾所周知的事實。
ESD電磁輻射干擾屬於寬頻干擾，從低頻一直到幾個吉赫茲以上。其中電暈放電是出現在飛機翼、螺旋槳及天線和火箭、飛彈表面等尖端或細線部位，產生兆～吉赫茲範圍的電磁干擾，使飛機、火箭等空間飛行器與地面的無線電通信中斷，導航系統不能正常工作，使衛星姿態失控，造成嚴重的後患。另外，電暈放電產生的噪聲對某些家用電器和電信號檢測也會造成電磁干擾。
傳播型刷狀放電或火花放電都是靜電能量比較大的ESD過程。其峰值電流可達幾百安培。它可能形成電磁脈衝串，對微電子系統造成強電磁干擾及浪涌效應，引起電路錯誤翻轉或致命失效。即使採用完善的禁止措施，當電路禁止盒上發生靜電火花放電時，ESD的大電流仍會在儀器外殼上產生大壓降。這種瞬時的電壓跳變，會使被禁止的內部電路出現感應脈衝而引起電路故障。另外，日本人通過模擬實驗已證實，ESD產生的磁場也能夠使控制設備發生誤動作，影響設備正常工作。
五、ESD對人體可以造成“二次”傷害
當帶電人體接近接地導體或機器等較大金屬物體時，會形成電火花放電；相反的情況是，當人體接近帶有高電壓的導體時，也會形成火花放電。這兩種靜電放電都會使人體受到電擊。由於人體電擊刺激帶來的精神緊張，往往會造成手腳動作失常，被機器設備碰傷或從高空墜落，構成靜電危害的“二次”事故。
六、靜電感應放電引發的事故
人體和金屬這類靜電導體，在靜電場中會發生靜電感應現象，造成意外的火花放電。帶電體1距離接地體2甚遠，本來不會發生靜電放電。但是由於人體或其他帶電導體移動到它們之間，則人體可能同時向物體1、2發生火花放電，引發靜電危害。如果人體只是向兩物體之一發生火花放電，則人體將成為帶電體(假設人體未採取靜電防護措施，人體對地絕緣)，當他走近其他物體時，還可能形成二次ESD危害。
某兵工廠曾發生過這樣的事故：當一個人脫換衣服進人車間，走進危險品操作工人時，一操作員手中的電爆元件發生爆炸，造成意外傷人事故。
防護措施
1．正確接地
接地是消除靜電危害最簡單的辦法。接地主要是消除導體上的靜電，而不宜用來消除絕緣體上的靜電。在有火災和爆炸危險的場所，為了避免靜電火花造成事故，應採取下列接地措施。
(1)凡用來加工、貯存、運輸各種易燃液體、氣體和粉狀易燃品的設備、池、罐等都必須可靠接地。
(2)廠區及車間的氧氣、乙炔等的運輸管道必須連線成一個連續的整體，並予以接地。其他所有能產生靜電的管道和設備都必須連線成連續整體，並予以接地。
(3)注油漏斗、浮動罐頂、工作站台等輔助設備或工具均應接地。
2．泄漏法
採取增濕措施和採用抗靜電添加劑都能促使靜電電荷從絕緣體上自行消散，都屬於泄漏法。增濕就是提高空氣的濕度。這種消除靜電危害的方法套用比較普遍。增濕的主要作用在於降低帶靜電絕緣體的絕緣性，或者說增強其導電性，這就減小了絕緣體通過本身泄放電荷的時間常數，提高了泄放速度，限制了靜電的積累，從而可以減少成災條件。應當指出，增濕只是增加了靜電電荷通過絕緣體本身的泄放，並不能增加通過空氣的泄放。至於允許增濕與否以及提高濕度的允許範圍，需要根據生產的具體情況確定。從消除靜電危害的角度和效果來看，有關專家把相對濕度確定在70%以上是比較適宜的，也是比較科學的。加抗靜電添加劑的方法，在一些已開發國家套用的已很普遍，在我國對抗靜電添加劑進行了研製，並製成了多種抗靜電添加劑。抗靜電添加劑主要用在化工部門、石油化工部門。抗靜電添加劑是一種特製的輔助劑。有的添加劑加入產生靜電的絕緣材料以後，能增加材料的吸濕性或離子性，從而大幅度降低材料的電阻率，以加速靜電電荷的泄放；有的添加劑本身具有較好的導電性，以其本身的導電性泄放生產過程中絕緣材料上產生的靜電。
3．工藝控制法
增濕是一種從工藝上消除靜電危險的措施。不過，增濕不是控制靜電的產生，而是加速靜電的泄漏，避免靜電電荷積累到危險程度。在工藝上，還可以採取以下適當措施，限制靜電的產生，控制靜電的積累。
(1)用齒輪傳動代替皮帶傳動，除去產生靜電的根源。
(2)降低液體、氣體或粉體的流速，限制靜電的產生，嚴格限制烴類油料在管道中的最大流速。
(3)傾倒和注入油料時，防止飛濺和衝擊，為了安全，油罐加油必須從罐底壓入，如要求取樣，要待油麵靜止30min以後才能從罐口取樣。在注油管口，可以加裝分流頭，降低管口附近油流上的靜電，且減小對油麵的衝擊。
