靜電干擾

在靜電起電-放電過程中，有時會形成瞬態(tài)大電流和電磁脈沖(EMP)，產(chǎn)生頻譜很寬的電磁輻射場。另外，與常規(guī)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(shù)是不可控的，是一種難以重復(fù)的隨機(jī)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(tǒng)的微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)、二次側(cè)測量控制系統(tǒng)大多由弱電設(shè)備構(gòu)成，微電子設(shè)備已在電力系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。在微電子技術(shù)領(lǐng)域，由于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(guān)于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(jī)墜毀、火箭發(fā)射失敗、衛(wèi)星發(fā)生故障。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展和工業(yè)技術(shù)高度自動化的今天，靜電在工業(yè)生產(chǎn)中的危害已是顯而易見的。

一、靜電力學(xué)效應(yīng)造成的危害或生產(chǎn)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(zhì)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(chǎn)環(huán)境，影響產(chǎn)品質(zhì)量。在半導(dǎo)體器件生產(chǎn)車間，由于塵埃吸附在芯片上，集成電路(IC)、特別是超大規(guī)模集成電路(VLSI)的成品率大大下降；由于靜電的吸附作用，給紡織工業(yè)造成很大的危害，如抽絲過程由于靜電力作用，會使絲線飄動、黏合糾結(jié)；在織布過程中，由于橡膠輥軸與絲紗摩擦產(chǎn)生靜電，導(dǎo)致亂紗、纏花、斷頭，降低了針尺梳理能力，影響產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率；在粉體加工業(yè)，由于靜電作用，使篩空變小或堵塞，氣力輸送管道不通暢，球磨機(jī)不能正常工作留在印刷行業(yè)和塑料薄膜包裝生產(chǎn)中，由于靜電的吸引力和排斥力，影響正常的紙張分離、疊放、塑料薄膜不能正常包裝和印花，甚至出現(xiàn)“靜電墨斑”，使自動化生產(chǎn)造成困難。

二、ESD熱效應(yīng)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(rèn)為ESD過程是一個絕熱過程。放電瞬問回路通過數(shù)安培的大電流使空氣間隙電離、擊穿、發(fā)光、發(fā)熱，形成局部的高溫?zé)嵩矗@種局部的高溫?zé)嵩纯梢砸鹨兹?、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(fā)火裝置意外發(fā)火，引起爆炸事故。

在微電子技術(shù)領(lǐng)域，ESD過程是靜電能量在0.1μs時間內(nèi)通過器件電阻釋放的，其平均功率可達(dá)幾千瓦。如此大功率的短脈沖電流作用于器件上，足以在絕熱情況下，使硅片上微區(qū)融化，電流集中處使鋁互連局部區(qū)域發(fā)生球化，甚至燒毀PN結(jié)和金屬互連線，形成破壞性的“熱電擊穿”，導(dǎo)致電路損壞失效。

三、高壓靜電場引起的介質(zhì)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(qiáng)電場。很強(qiáng)的靜電場會導(dǎo)致MOS場效應(yīng)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(shù)量級，當(dāng)電路設(shè)計沒有采用保護(hù)措施時，即便是致密無針孔的高質(zhì)量氧化層，也會在100V的靜電電壓下被擊穿。對于有保護(hù)措施的電路，雖然擊穿電壓高于100V，但危險經(jīng)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(yīng)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(zhì)擊穿或金屬化導(dǎo)線間介質(zhì)擊穿，造成電路失效。需要強(qiáng)調(diào)的是，介質(zhì)擊穿對電路造成的危害是由于過電壓、強(qiáng)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沖上升時間的函數(shù)。甚至這種危害(失效)機(jī)理，常常導(dǎo)致潛在危害，使設(shè)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(fā)現(xiàn)，而在器件生產(chǎn)和儲運過程中已形成初始的不良狀態(tài)使器件的壽命降低。這種情況下對于MOS器件和雙極性器件都可能存在，但MOS器件更為典型。當(dāng)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(lǐng)域，高壓靜電場使電介質(zhì)擊穿也會造成危害。據(jù)報道，曾有一同步發(fā)電機(jī)因繞組槽絕緣嵌條在運轉(zhuǎn)中與空氣摩擦產(chǎn)生靜電，導(dǎo)致絕緣介質(zhì)擊穿短路而燒毀電機(jī)。日本一500kVA大變壓器，用泵打循環(huán)油冷卻，油流動中與繞組線圈摩擦產(chǎn)生靜電高電壓擊穿了繞組絕緣，引起短路，發(fā)生了火災(zāi)和爆炸。

四、ESD的電磁效應(yīng)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(jī)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(chǎn)生電磁輻射。這種近區(qū)場ESD/EMP(電磁脈沖)對各種電子裝備、信息化系統(tǒng)都可能造成電磁干擾。在航空、航天、航海領(lǐng)域和各種現(xiàn)代化電子設(shè)備中形成ESD電磁輻射危害也是眾所周知的事實。

ESD電磁輻射干擾屬于寬帶干擾，從低頻一直到幾個吉赫茲以上。其中電暈放電是出現(xiàn)在飛機(jī)翼、螺旋槳及天線和火箭、導(dǎo)彈表面等尖端或細(xì)線部位，產(chǎn)生兆～吉赫茲范圍的電磁干擾，使飛機(jī)、火箭等空間飛行器與地面的無線電通信中斷，導(dǎo)航系統(tǒng)不能正常工作，使衛(wèi)星姿態(tài)失控，造成嚴(yán)重的后患。另外，電暈放電產(chǎn)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(dá)幾百安培。它可能形成電磁脈沖串，對微電子系統(tǒng)造成強(qiáng)電磁干擾及浪涌效應(yīng)，引起電路錯誤翻轉(zhuǎn)或致命失效。即使采用完善的屏蔽措施，當(dāng)電路屏蔽盒上發(fā)生靜電火花放電時，ESD的大電流仍會在儀器外殼上產(chǎn)生大壓降。這種瞬時的電壓跳變，會使被屏蔽的內(nèi)部電路出現(xiàn)感應(yīng)脈沖而引起電路故障。另外，日本人通過模擬實驗已證實，ESD產(chǎn)生的磁場也能夠使控制設(shè)備發(fā)生誤動作，影響設(shè)備正常工作。

五、ESD對人體可以造成“二次”傷害

當(dāng)帶電人體接近接地導(dǎo)體或機(jī)器等較大金屬物體時，會形成電火花放電；相反的情況是，當(dāng)人體接近帶有高電壓的導(dǎo)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。由于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(jī)器設(shè)備碰傷或從高空墜落，構(gòu)成靜電危害的“二次”事故。

六、靜電感應(yīng)放電引發(fā)的事故

人體和金屬這類靜電導(dǎo)體，在靜電場中會發(fā)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象，造成意外的火花放電。帶電體1距離接地體2甚遠(yuǎn)，本來不會發(fā)生靜電放電。但是由于人體或其他帶電導(dǎo)體移動到它們之間，則人體可能同時向物體1、2發(fā)生火花放電，引發(fā)靜電危害。如果人體只是向兩物體之一發(fā)生火花放電，則人體將成為帶電體(假設(shè)人體未采取靜電防護(hù)措施，人體對地絕緣)，當(dāng)他走近其他物體時，還可能形成二次ESD危害。

某兵工廠曾發(fā)生過這樣的事故：當(dāng)一個人脫換衣服進(jìn)人車間，走進(jìn)危險品操作工人時，一操作員手中的電爆元件發(fā)生爆炸，造成意外傷人事故。

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(dǎo)體上的靜電，而不宜用來消除絕緣體上的靜電。在有火災(zāi)和爆炸危險的場所，為了避免靜電火花造成事故，應(yīng)采取下列接地措施。

(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(shè)備、池、罐等都必須可靠接地。

(2)廠區(qū)及車間的氧氣、乙炔等的運輸管道必須連接成一個連續(xù)的整體，并予以接地。其他所有能產(chǎn)生靜電的管道和設(shè)備都必須連接成連續(xù)整體，并予以接地。

(3)注油漏斗、浮動罐頂、工作站臺等輔助設(shè)備或工具均應(yīng)接地。

2．泄漏法

采取增濕措施和采用抗靜電添加劑都能促使靜電電荷從絕緣體上自行消散，都屬于泄漏法。增濕就是提高空氣的濕度。這種消除靜電危害的方法應(yīng)用比較普遍。增濕的主要作用在于降低帶靜電絕緣體的絕緣性，或者說增強(qiáng)其導(dǎo)電性，這就減小了絕緣體通過本身泄放電荷的時間常數(shù)，提高了泄放速度，限制了靜電的積累，從而可以減少成災(zāi)條件。應(yīng)當(dāng)指出，增濕只是增加了靜電電荷通過絕緣體本身的泄放，并不能增加通過空氣的泄放。至于允許增濕與否以及提高濕度的允許范圍，需要根據(jù)生產(chǎn)的具體情況確定。從消除靜電危害的角度和效果來看，有關(guān)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(xué)的。加抗靜電添加劑的方法，在一些發(fā)達(dá)國家應(yīng)用的已很普遍，在我國對抗靜電添加劑進(jìn)行了研制，并制成了多種抗靜電添加劑?？轨o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制的輔助劑。有的添加劑加入產(chǎn)生靜電的絕緣材料以后，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(dǎo)電性，以其本身的導(dǎo)電性泄放生產(chǎn)過程中絕緣材料上產(chǎn)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(chǎn)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，還可以采取以下適當(dāng)措施，限制靜電的產(chǎn)生，控制靜電的積累。

(1)用齒輪傳動代替皮帶傳動，除去產(chǎn)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(chǎn)生，嚴(yán)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，防止飛濺和沖擊，為了安全，油罐加油必須從罐底壓入，如要求取樣，要待油面靜止30min以后才能從罐口取樣。在注油管口，可以加裝分流頭，降低管口附近油流上的靜電，且減小對油面的沖擊。 2100433B

如圖《靜電干擾》所示，A為浮充電源，當(dāng)開關(guān)B閉合時，電流將流過電感儲能。在打開開關(guān)B的瞬間，電流將通過B的電弧而衰減，當(dāng)電流衰減到某一數(shù)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(zhuǎn)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(chǎn)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(shè)備外殼時會形成放電電流，經(jīng)外殼、地線進(jìn)入大地，并產(chǎn)生電場和磁場，可能耦合到設(shè)備內(nèi)部線路，并且地線上的放電電流所產(chǎn)生的壓降也將傳導(dǎo)性地進(jìn)入電子線路，并引起設(shè)備故障。

壓制敵方在某頻段內(nèi)工作的各個通信信道的一種干擾。在干擾作用區(qū)域內(nèi)，在此頻段內(nèi)工作的各個通信信道都受到干擾，這也會影響己方在此頻段的通信。其特點是：只要在干擾頻段內(nèi)，敵方通信采用改頻或跳頻措施，也無法避開干擾。但是，因干擾功率分散，干擾強(qiáng)度比較弱。為使阻塞式干擾發(fā)揮作用，應(yīng)有寬 闊的干擾頻段、均勻的干擾頻譜和足夠的干擾場強(qiáng)。