王 挺

(福建華通電訊工程有限公司,福建 福州 350000)

0 引言

電子設(shè)備是現(xiàn)代技術(shù)的成果,電子設(shè)備在集成化發(fā)展進(jìn)程中,受到的靜電破壞的影響也持續(xù)加劇,擴(kuò)大了靜電影響。 電子設(shè)備在靜電放電環(huán)境中,會(huì)表現(xiàn)出高感度特點(diǎn),導(dǎo)致電子設(shè)備損壞和失效。 人們必須做好科學(xué)防護(hù)與干預(yù),減小靜電放電對(duì)電子設(shè)備的傷害,保障電子設(shè)備應(yīng)用的安全性。

1 靜電形成與不良危害

1.1 靜電形成

基于微觀角度分析,以原子理論為依據(jù),技術(shù)人員可以判斷出電中性物質(zhì)處于平衡狀態(tài)。 當(dāng)原子核電子受到環(huán)境影響時(shí),則會(huì)導(dǎo)致電子脫離軌道,原子缺少電子并帶有正電時(shí),物體獲得電子帶負(fù)電。 不同介質(zhì)系數(shù)的物體接觸與摩擦,會(huì)加劇電子轉(zhuǎn)移,當(dāng)電荷持續(xù)積累后,會(huì)加劇物體帶電效應(yīng)。 圖1 為靜電形成原理圖?；诤暧^角度分析可知,物體間摩擦?xí)a(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移,比如不同材料摩擦分離,都會(huì)出現(xiàn)帶有正電荷與負(fù)電荷的現(xiàn)象。 當(dāng)處于靜電狀態(tài)時(shí),由于材料性質(zhì)不同,電量會(huì)受到材料性質(zhì)、摩擦力、摩擦頻率的影響。 綜合分析可知,社會(huì)生產(chǎn)與日常生活都會(huì)產(chǎn)生靜電,為了防護(hù)靜電危害,技術(shù)人員需要綜合考慮靜電電量大小與感知情況。

圖1 靜電形成原理

1.2 靜電放電對(duì)電子設(shè)備的危害影響

第一,靜電危害的隱蔽性:靜電對(duì)電子設(shè)備的危害影響大,但由于靜電具備隱蔽性特點(diǎn),因此電子設(shè)備危害的隨機(jī)性較強(qiáng)。 在操作電子設(shè)備時(shí),由于人體對(duì)靜電感知的敏感度較弱,只有大于3 000 V 的靜電,才會(huì)被人體感知。 但是,電子設(shè)備元件受到微小靜電影響后,就會(huì)發(fā)生損毀問題,因此靜電對(duì)電子設(shè)備的危害具備隱蔽性特點(diǎn)。 第二,靜電對(duì)系統(tǒng)的干擾影響:靜電放電過程中,極易產(chǎn)生寬頻譜、高幅值的磁輻射,所以電磁脈沖會(huì)干擾電子設(shè)備,并且通過多途徑耦合到電子控制設(shè)備中,造成電子設(shè)備誤動(dòng),引發(fā)間歇式干擾影響、系統(tǒng)混亂等問題。 對(duì)于電子計(jì)算機(jī)設(shè)備,當(dāng)瞬間流過機(jī)柜靜電電流較大時(shí),會(huì)引發(fā)信號(hào)線、電流線噪聲,從而影響中央處理器性能,還會(huì)降低處理能力,產(chǎn)生數(shù)據(jù)影響。 靜電放電干擾脈沖、靜電放電,屬于接觸型電磁輻射,會(huì)加劇輻射噪聲,干擾信號(hào)線運(yùn)行,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致電子緩存器數(shù)據(jù)丟失[1]。

1.3 電子器件損毀

電子設(shè)備內(nèi)部,主要為集成電路、場(chǎng)效應(yīng)晶體管,屬于高敏感度電子元件,當(dāng)受到靜電放電侵害后,會(huì)出現(xiàn)性能減弱、擊穿等現(xiàn)象,加劇電子設(shè)備損毀危害。 靜電放電所致電氣元件損壞的機(jī)理如下:金屬導(dǎo)電層出現(xiàn)燒毀、熱擊穿、介質(zhì)擊穿、電弧放電等現(xiàn)象。 電子設(shè)備的集成電路、半導(dǎo)體元器件,都會(huì)由于毀壞機(jī)理而失效。 分析計(jì)算機(jī)維修記錄可知,設(shè)備損壞多是由靜電放電所致,在特殊環(huán)境下,靜電所致電子設(shè)備損壞率高達(dá)80%。

2 電子設(shè)備靜電防護(hù)機(jī)理

第一,為了降低靜電危害,必須控制靜電產(chǎn)生。 將屏蔽裝置安裝在電子設(shè)備上,此時(shí)靜電放電過程只會(huì)影響設(shè)備防護(hù)罩,不會(huì)對(duì)電子設(shè)備造成影響。 在靜電放電過程中,會(huì)產(chǎn)生放電能量、電磁脈沖,雖然靜電會(huì)影響屏蔽裝置,但是卻不會(huì)影響內(nèi)部電子器件,所以降低靜電放電危害影響的意義顯著。 當(dāng)無法應(yīng)用屏蔽、接地措施,則需要改變空氣離子狀態(tài),避免對(duì)靜電生成造成影響。 電子設(shè)備的絕緣要求高,但是如果無法應(yīng)用屏蔽設(shè)備時(shí),則要增加環(huán)境濕度,從而中和電荷,減少靜電產(chǎn)生。 通過減少材料的摩擦與接觸,也能夠有效控制靜電產(chǎn)生,比如屬于不容易起靜電的材料。 第二,控制靜電放電危害時(shí),注重靜電聚集控制。 為了防止靜電聚集,需要應(yīng)用接地處理措施,將防靜電設(shè)備、大地進(jìn)行等電位連接。 針對(duì)摩擦所致靜電影響,也可以采用接電方式,將靜電電荷瀉放到大地中。 應(yīng)用防靜電地墊、腕帶,防靜電劑等方式,也可以有效控制靜電積聚[2]。

3 靜電放電試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

優(yōu)化設(shè)計(jì)靜電放電的試驗(yàn)裝置,利用充電電容器、放電電極頭,模擬受試設(shè)備的放電情況,模擬操作主要是在受試設(shè)備表面形成火花間隙。 針對(duì)電子設(shè)備,實(shí)施靜電放電測(cè)試,有助于掌握機(jī)箱屏蔽層、線路板外層的缺陷。 靜電放電試驗(yàn)包括接觸放電和空氣放電形式。 其中,接觸放電屬于優(yōu)先選擇的試驗(yàn)方法;空氣放電可以應(yīng)用到接觸放電無法使用的場(chǎng)所。 采用靜電放電試驗(yàn)時(shí),必須遵循標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求實(shí)施。 圖2 為靜電放電試驗(yàn)操作圖。

圖2 靜電放電試驗(yàn)操作

3.2 試驗(yàn)實(shí)施與操作

被試產(chǎn)品直接施加放電:靜電放電,只是施加在操作人員正常操作的電子設(shè)備上,集中在可接觸點(diǎn)與表面,提供允許用戶維修的點(diǎn)與面。 為了明確故障臨界值,試驗(yàn)電壓應(yīng)當(dāng)從最小值開始,逐漸上升至選擇試驗(yàn)值,但試驗(yàn)值不能大于產(chǎn)品規(guī)范值,防止損壞產(chǎn)品。 試驗(yàn)操作期間,靜電放電發(fā)生器放電極,應(yīng)當(dāng)垂直于被試產(chǎn)品表面,優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性。 發(fā)生器放電回路電纜、受試產(chǎn)品的間距應(yīng)當(dāng)控制在20 cm。 被試產(chǎn)品間接施加放電:針對(duì)受試產(chǎn)品周邊物體放電,使用靜電放電發(fā)生器,模擬耦合板接觸放電方式。 耦合板包含水平耦合板、垂直耦合板。

靜電放電試驗(yàn)時(shí),極易出現(xiàn)以下現(xiàn)象:高靜電電壓、低靜電電壓,更容易引發(fā)電路干擾影響。 引發(fā)此種問題的原因,多是由于電壓水平較低時(shí),帶電體接觸接地導(dǎo)體后,產(chǎn)生放電情況。 放電具備突發(fā)性特點(diǎn),上升陡峭幅度比較大,因此整體干擾頻率較高。 當(dāng)電壓中等時(shí),帶電體與接地導(dǎo)體接近,由于二者電壓較高,會(huì)出現(xiàn)氣電分離、輝光放電現(xiàn)象。 在放電時(shí),電流脈沖上升沿較長(zhǎng),整體效率低。 當(dāng)電壓較高時(shí),盡管會(huì)出現(xiàn)輝光發(fā)電現(xiàn)象,但是放電次數(shù)比較多,并且在多次放電序列中,也會(huì)產(chǎn)生低電壓放電,上升時(shí)間快,且高峰值電流大,嚴(yán)重干擾電路。

4 電子設(shè)備防靜電危害的對(duì)策措施

4.1 接地措施

接地防靜電措施的應(yīng)用效果顯著,可以確保金屬導(dǎo)體接地,采用緊密連接方式,連接電子設(shè)備外殼與接地網(wǎng)絡(luò),將靜電瀉放到大地。 應(yīng)用此種方式,可以獲得顯著應(yīng)用效果,避免靜電電壓上升,抑制靜電產(chǎn)生。 操作要點(diǎn)如下:第一,連接電子設(shè)備接地時(shí),需要應(yīng)用多股銅芯電線,截面積大于4 mm2,機(jī)械強(qiáng)度、耐腐蝕度較強(qiáng)。 應(yīng)用接地處理措施時(shí),嚴(yán)禁使用鋁制導(dǎo)線、非正規(guī)導(dǎo)線,同時(shí)要優(yōu)化設(shè)計(jì)敷設(shè)方式,避免受到外部機(jī)械損傷影響,提升檢查便利性。 第二,防靜電接地、其他接地:工作接地,保護(hù)接地。公用接地網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)注重接地電阻平衡問題。優(yōu)化安裝設(shè)計(jì),科學(xué)設(shè)置電阻值,以此確保接地有效性。 第三,防靜電接地可以應(yīng)用到大型移動(dòng)電子設(shè)備上,通過大銅芯絞線、橡膠套銅芯電纜,將其作為接地支線。 安裝小型移動(dòng)電子設(shè)備時(shí),應(yīng)用4 mm2電線。 第四,接地電纜應(yīng)當(dāng)與設(shè)備、接地網(wǎng)絡(luò)相連接,借助機(jī)械外力作用,可以加強(qiáng)線路與網(wǎng)絡(luò)的連接牢固性[3]。

4.2 屏蔽措施

應(yīng)用金屬材料包裹設(shè)備表面,同時(shí)做好接地處理,實(shí)現(xiàn)靜電控制效果。 設(shè)備的屏蔽效果,并非防止靜電產(chǎn)生,而是通過屏蔽方式,避免帶電物體與設(shè)備接近。 使用屏蔽措施時(shí),必須深入分析設(shè)備使用情況。 如果操作頻繁,則無法起到組合屏蔽效果。 所以在具體操作時(shí),必須確保操作滿足標(biāo)準(zhǔn)化接地要求。

4.3 防靜電地板

工作人員使用流動(dòng)帶靜電體或?qū)w,利用人體將設(shè)備靜電傳導(dǎo)至大地。 設(shè)備機(jī)房地面使用高電阻材料,比如防靜電地板。 一般情況下,電子設(shè)備機(jī)房地面泄流電阻應(yīng)當(dāng)?shù)陀?00 Ω。

4.4 加濕處理

增加濕度不僅可以降低靜電產(chǎn)生量,還可以提升物體導(dǎo)電率。 隨著濕度率的增加,靜電產(chǎn)生量逐漸減少。 當(dāng)前,可用的加濕設(shè)備比較多,比如超聲波加濕器實(shí)用性與經(jīng)濟(jì)性高,可以推廣應(yīng)用。 但是,并非所有場(chǎng)合都可以應(yīng)用加濕處理法,需要依據(jù)具體情況合理使用。

4.5 液相法、氣相法、固相法的使用

液體游離子可以中和空氣內(nèi)的靜電荷,從而起到防護(hù)靜電效果。 液相法是使用特質(zhì)液體藥劑,充分接觸空氣后,可以形成游離狀態(tài)帶電離子。 氣相法是使用帶電離子發(fā)生器,將帶電離子送入空氣內(nèi),中和空氣游離靜電荷。 固相法是對(duì)設(shè)備、人體、靜電物體實(shí)施的防靜電處理。 低導(dǎo)電率材料可以加速電荷擴(kuò)散,因此被稱為固相法。

4.6 串聯(lián)接地、并聯(lián)接地、網(wǎng)狀接地

在電子設(shè)備靜電防護(hù)中,設(shè)備外殼接地為常見措施。 在接地方法上,可以劃分為串聯(lián)接地、并聯(lián)接地、網(wǎng)狀接地。 第一,串聯(lián)接地:串聯(lián)接地為常見方法,盡管會(huì)產(chǎn)生電位差,存在電位間放電現(xiàn)象。 然而,接地電子較小,可以確保點(diǎn)位放電的可能性。 所以,當(dāng)系統(tǒng)要求較低時(shí),則采用簡(jiǎn)單的接地方式。 第二,并聯(lián)接地:并聯(lián)接地可以連接電子設(shè)備與地線,處理好串聯(lián)接地的電位差問題,相應(yīng)增加工程量。 考慮到項(xiàng)目要求、成本預(yù)算要求,選擇并聯(lián)接地方式。 第三,網(wǎng)狀接地:此種方式是結(jié)合并聯(lián)方式、串聯(lián)方式,形成網(wǎng)狀接地方式。 電子設(shè)備接地線可以連接地下網(wǎng)狀地線路格,尤其是交叉節(jié)點(diǎn)。 此種接地方式不僅能夠均衡電位差,還可以加強(qiáng)系統(tǒng)設(shè)備的電磁干擾防護(hù)效果。 然而,由于前期工程量較大,成本預(yù)算高,因此多應(yīng)用到大型重點(diǎn)項(xiàng)目中。

4.7 專用靜電防護(hù)設(shè)備

靜電防護(hù)設(shè)備可以中和空氣中的帶電離子。 在電氣設(shè)備運(yùn)行過程中,此種防靜電設(shè)備效果顯著。 同時(shí),做好人體靜電預(yù)防,人體是靜電的重要攜帶者,所以在電子設(shè)備工作間入口處放置導(dǎo)電體接地,進(jìn)出人員手持導(dǎo)電體,排除人體所帶靜電,同時(shí)要穿戴工作服、防靜電服[4]。

4.8 信號(hào)地與機(jī)箱單點(diǎn)連接

當(dāng)電路、機(jī)箱連接在一起,采用1 點(diǎn)連接方式,避免電流流經(jīng)電路。 當(dāng)機(jī)箱電流流經(jīng)電路時(shí),會(huì)產(chǎn)生較大的干擾影響。 此外,連接信號(hào)地、機(jī)箱操作,當(dāng)靜電放電時(shí),機(jī)箱電位升高,線路板、機(jī)箱連接在一起,電路板電位持續(xù)升高,可以避免線路板、機(jī)箱電位差所致放電影響。

4.9 優(yōu)化電纜設(shè)計(jì)

技術(shù)人員利用系統(tǒng)內(nèi)的電纜可以感應(yīng)出高電流與高電壓。 電纜接收靜電放電輻射噪聲,優(yōu)化電纜保護(hù)系統(tǒng)設(shè)計(jì),能夠加強(qiáng)系統(tǒng)抗靜電放電干擾效果。 為了避免靜電放電輻射耦合到電纜,電纜要采用屏蔽電纜方式。 兩機(jī)箱采用屏蔽電纜互連,利用電纜屏蔽層將兩個(gè)機(jī)箱連接在一起。 電纜屏蔽層、機(jī)箱采用360°搭接,以此確保低阻抗效應(yīng)。 此種方式可以使兩組機(jī)箱電位同升、同降,避免一臺(tái)機(jī)箱靜電放電。 然而,共模電壓升高時(shí),會(huì)影響另一臺(tái)機(jī)箱。

5 結(jié)語

綜上所述,在使用電子設(shè)備時(shí),基于靜電形成、放電原理分析,應(yīng)用科學(xué)防護(hù)技術(shù)控制靜電危害,可以采取接地措施、屏蔽措施、防靜電地板、加濕處理、專用靜電防護(hù)設(shè)備等防護(hù)措施,確保信號(hào)地與機(jī)箱單點(diǎn)連接,優(yōu)化電纜設(shè)計(jì),全面保障電子設(shè)備運(yùn)行安全性。