静电防护工程学与标准化

编者按：随着航天、航空、石化、电子、汽车等行业高分子材料、ESD 敏感器件的广泛应用，静电放电（Elect aticDischar ge, ESD）造成的危害备受人们关注，静电防护工作已成为现代化工业生产过程中必不可少的工作之一。静电防护工 程学是研究 静电危害及其防护工程的一门新兴交叉学科，与静电防护标准化相互促进与发展。国际国外已经开展了大量的 静电防护标准 化工作，我国也在近年组织开展了静电防护标准化学术研究与交流活动。本栏目选取静电防护标准化相关论 文，为我国静电 防护标准化工作的开展提供借鉴。 静电防护工程学与标准化 北京东方计量测试研究所；2.中国标准化研究院） 要：本文综述了静电防护工程学的诞生背景，介绍了这门新兴学科的研究内容和特点。静电防护工程学是研究静电危害及其防护工程的一门交叉学科，它以电子、石油化工、火炸药、粉体工业、纺织、建材、检测计量、管理等领域的静电防护标准 为知识载体。静电防护工程学以静电学和电磁场理论为基础，面对复杂的环境以及各种非理想情况，很多现象在理论上难以 解释，所以常常以工程化的方法解决实际问题，所以它属于工程技术学科。它利用标准化的方法，形成了静电防护知识体系、 标准体系、产品体系和科学仪器。

关键词：静电 静电防护 静电防护工程学 标准化 DOI 编码：10. 3969/j.i sn.1002-5944.2014. 05. 001 Electrostatic Protection Engineering StandardizationLIU Mi GUODe-hua BeijingOrient Institute ChinaNational Institute Standardization)Abstract: Paperdiscusses generationbackground electrostaticprotection engineering researchcontents characteristicsabout emergingdiscipline. Electrostatic protection engineering interdisciplinaryscience, studying electrostatichazards protectionengineering based electronics,petrochemical, explosive, powder industry, textile, building materials, measurement metrology,management. Based electromagnetictheory, electrostatic protection engineering technology,because practicalproblems can engineeringmethods rather than scientific theory complexenvironment non-idealcondition. usingstandardization method, electrostatic protection engineering has been developed knowledgesystem, standard system, product system scientificinstrument related electrostaticprotection. Keywords: electrostatic, electrostatic protection, electrostatic protection engineering, standardization 背景从静电学理论延伸出两个工程应用方向：静电 应用工程方向和静电防护工程方向。

在静电应用工 程方向上，静电除尘、静电成像与打印，静电喷涂以 及静电贴等技术已经广泛应用。在静电防护工程方 向上，各种静电防护设备设施、防护产品和测量仪 器已经支撑起具有较高产值的产业。 静电学是电磁学的一部分。它以电荷守 恒定 律和库仑定律为基础，基于电荷、电场、电位、电偶 极子、极化、功函数等基本概念，以及静电场环路 定理、高斯定理、静电场能量定理、洛伦兹电子理 论等基本原理，解释了物质带电的现象和静电力 现象。到 20 世纪中期经典静电学已经发展完善， 原子外围的电子能级和物质表面的能带方面建立了 原理模型。但是由于物质表面杂质太多，纯 理论模 型很难得到实验验证。微观的解释与宏观 现象还 是有很大差距。 静电学不能全部解释静电现象和静电危害。 随着对静电危害认识的不断提高，静电防护已经成 为工业领域和人们生活中必须面对的难题，于是更 加工程化的静电防护理论孕育而生。20 世纪 80 代后，经过大量实验和统计，用技术标准确立了几种静电放电模型，人体模型HBM、机械模型MM 充电放电模型CDM等，并以标准化的形式规范起来。 基于这些模型设计的各种测量仪器和试验装置，现 已经广泛应用。

与这些放电模型相关的技术要求和 技术指标也纷纷出台，例如基于HBM 模型的静电屏 研究现状1966 年日本菅义夫主持编写了《静电手册》， 系统总结了之前的科学家们在静电起电机理、静电 测量方法、静电灾害/危害及防护、静电应用等方面 的研究成果，这是在静电学理论基础上最为接近 际应用的比较全面的知识体系。1987 年北京理工大学鲍重光教授编译的《电 子工业放静电危害》，阐述了静电学与“防静电技术” 的区别，“在人类意识到静电将会带来危害之前，作 害提供有用资料的静电学的‘软件’部分，最初是互不 相关的，只有了解了这一点，才能够区分开纯 学术的静 电学与为建立防害系统所必需的静电学。” 1988~1995 年，国外静电防护技术标准的引进， 丰富了静电防护工程的知识体系。 1998 年，石家庄军 械学院刘尚合教授出版了 《静电理论与防护》著作，提出静电安全工程学的 识体系，成为静电防护工程学的理论基础。2000~2007 年，刘尚合院士进一步提出了静电 防护工程学概念：“以研究静电危害及其防护为主 料科学和近代电测技术等多学科知识的新兴学科。”“静电问题，已不是原来意义上的静电学问题，而是与静电放电及其电磁辐射相关联的静电防护 蔽感应能量50nJ 要求静电，1GΩ 的表面对地电阻要求等。

工程问题。从 这个意义上讲，古老的静电学获得了 这些静电放电模型建立在实验基础上，没有太多理 论依据，但是工程上需要这些模型。因此，本文就 静电防护工程学及其相关的标准化问题进行探讨。 新生，除静电应用技术外，还形成了以静电起电原 理、静电放电模型、静电作用机理、静电危害及其 防护，以及与其相关的静电测试技术等研究内容为 主的静电防护工程学”。 上海海事大学孙可平教授于 1994 年出版了《工 业静电》，2007 年出版了《电子工业静电放电（ESD） 防护与控制技术》，系统总结了电子工业静电防护 工程的知识体系。 如今静电防护工程学的理论尚在发展完善中， 相关的技术标准已经推广应用，如：国际电工委员 会的国际标准IEC 61340 系列标准和美国标准协会 ANS ESD系列标准成为当今引领电子行业静电 防护的先进标准，在静电防护工业领域发挥着重 要作用。我国电子行业标准和航天行业标准也紧跟 国际发 系列标准，提出了建立静电防护管理体系的要 求。这些技术和管理标准更加丰 富了静电防护工 程学的内涵。 静电防护工程学由于无法控制的静电电荷和静电场，会给人 类生活、生产、科研活动带来危害静电，而静电电荷和 静电场作为自然现象无法消除，只能采用科学的 方法控制静电电荷产生和释放、控制静电场的作用、 抑制静电带来的危害。

随着人们对 静电危害认识 的逐渐加深，静电防护工作也逐渐工程化，出现了 多种类型的静电防护工业产品，例如：防静电服装、 鞋、手套等人体防护用品，防静电地板、桌面、椅子、 储物柜等工业产品，人体防静电测试仪、静电电压 表、静电电荷分析仪、防静电表面电阻测试仪以及 离子风机等测量仪器和控制设备。静电防护技术标 准和管理标准也相继出现。各 个行业的静电防护 需求催生了一个新兴的产业。 3.1 概念 静电防护工程学是研究静电危害及其防护工 程的一门交叉学科。它的研究内容是静电起电-消 散机理、静电危害机理、防护材料、防护方法、测 量及评价方法。它是为产品与人员安全防护、产品 质量与可靠性服务的学科。它以现代 静电学和电 磁场理论为基础，涉及到安全工程学、材料工程学、 微电子学、纺织工程学、管理学等多个学科。应用 在电子、微电子、生物制药、石油化工、火炸药、粉 体工业、纺织、建 材、测量仪器、计 量、产品检验、 标准化、认证等多个工程领域。重点在工程实际中 控制静电积累，控制静电放电，减少静电危害，评 价静电防护效果，规范静电防护管理。 3.2 研究内容 国际先进的静电防护方法和理念是：技术加 管理，两种方法同样重要。

归纳起 来，静电防护工 程学主要在以下几个方面开展研究。 3.2.1 静电危害评价技术 如何定量地表述静电的危害，不同行业有不 同的评价方法，对易燃易爆物质的静电危害评 采用静电感度来表述，静电感度是静电能量触发爆炸的阈值，可用静电能量和静电电压两种参 表述；评价电子元器件的静电危害，采用静电敏 感度来表述，静电敏感度是导致电子元器件失效 的最低静电电压，同一种元器 件对应 HBM、M CDM模型，有各自的静电敏感度，目前对潜在失效 的测量依据和测量方fazheng 在研究之中；电磁兼容 EMC 测试中，用静电抗扰度来描述电子设备和产品 对静电放电的防护能力，在人体-金属模型下，用 直接接触放电和不接触的空气放电两种状况下测 试。静电敏 感度和静电抗扰度两个概念出现在不 同的标准中，使用的放电模型是不同的。静电危害 评价技术是一项基础性研究工作，需要采用科学 的方法，做大量试验，积累大量数据，才能得到具 有指导意义的静电防护数据，是静电防护技术最 困难的环节，也是静电防护技术的基础。 3.2.2 静电防护工程技术 静电防护工程技术是针对接触分离起电和感 应起电以及静电放电的特点，从静电源和静电危 途径两方面进行静电防护的技术，主要依靠对电阻 特性有要求的特殊材料和复合材料，采用泄放、 屏蔽、静电中和以及抑制起电的方法，达到静电防 护的目的。

如：接地、防静电地面、工作台、防静电 椅子、工具、人体防静电用品、离子风机、防静电 涂料、静电放电屏蔽包装等静电防护设备设施和 防护用品，这些工程技术已经有相应的技术标准 成了静电防护产业。3.2.3 静电防护测试技术 静电防护设备设施和产品是否合格，要用数 据说话，测量仪器及其计量校准方法也是静电防护 的关键技术。目前可测量的参数有静电电荷、静电 电压、表面电阻、体电阻、接地电阻、静电衰变时间、 静电放电的电流波形，以及静电放电的能量等。这 些仪器是依据技术标准中的指标要求设计的。由 于静电现象可观测性和重复性较差，受环境影响大， 受材料影响大，受测试人员自身影响也很大，现有 的静电防护测量仪器不是以静电现象为被测对象， 而是以静电防护产品和工程为被测对象。 3.2.4 静电防护设计技术 电子产品的静电防护设计分为芯片级、PCB 级和整体结构级。早期的理念是不断提高单个电子元器件的静电敏感度电压，通过串联保护电阻、并 联瞬态抑制二极管、增厚加宽内部结构等方法。然 而，这与电子产品要求小型化、高速、宽带的发展方 向相矛盾。现在已经不再追求提高单个电子元器件 的静电敏感度电压，转而强调生产过程中满足静电 防护要求，而将静电防护功能设计到整体结构上。

用机电一体化的设计思路解决静电防护设计问题。 3.2.5 静电防护管理 管理是静电防护的重要手段。人能感知到 3kV 以上的静电电压，在我们不知不觉中，很多电 子产品 已经被破坏了，所以提高人们的静电防护意 理的关键环节。管理上要加强培训，做到“心里有静 电，才能看到静电”、“心里有所畏惧， 才能自我约 束”的境地。科学技术不发达的时候， 人们对自然 界的理解往往是唯心的，只有科学技 术发展后，科 学才能战胜唯心。宗教与科学正是这样共存，又共 同发展的。在管理上“教义”比“道理”更重要，两 者冠以“真理”之名，但是“教义”比“道理”更有效 率。管理的主要工具是规章制度，人们对静电现象 和静电危害的认识仍在发展之中，在完善的理论尚 未建立起来之前，静电防护的管理手段越发重要了。 人是最大的静电源，人的操作也是最危险的静 电放电途径，所以管理好人是静电放电的关键。标 准化的管理体系是当今最先进的管理方式，如质量 管理体系依据了 ISO 系列标准，PDCA循环 游企业之间建立相互认同的静电防护管理模式，使 技术标准和管理模式实现统一，便于产 品流通，增 强对产品质量的信心。 静电防护工程学的特点静电防护工程学的研究对象不仅仅是静电，还 包括静电敏感物、防护材料和管理对象。

由于静电 现象复现性差，静电危害不易发现和预测，所以静 电防护工程学有以下几个特点。 4.1 研究方法模型化 利用静电放电模型来模拟静电现象提高了复 现性和重复性，有了静电放电模型后，大量的科学 实验可以在实验室中进行。模型分为两种：激励模 型和响应模型。由电容器和电阻器串联组成的静电 放电模型就是激励模型。为检验放电波形而使用的 电流靶和500Ω 电流靶都是响应模型。为判断 型，尚待研究。4.2 测量参数多样化 静电防护工程的测量是为了研究静电现象，检 标准化与静电防护工程学的关系验防护效果，分析静电损伤程度。测量参数广泛， 除了常用的电阻、电容、电压和电场参数外，还有电 一样等等。4.3 工程技术标准化 静电防护工程学是一套知识体系，承载这套知 识体系的重要载体是各个行业的静电防护技术标 准和管理标准。静电防护的技术要求、管理要求、产 品规范和测试方法都用标准化的形式来指导工程技 术的应用。 标准化与静电防护工程学标准化是在一定的范围内获得最佳秩序，对实 识，后出现技术知识，最后诞生了科学知识。静电 学和电磁场理论属于科学范畴，它揭示物理 规律。 静电防护工程学虽然以静电学和电磁场理论为基础， 但是面对复杂的环境以及各种非理想情况，很多现 象在理论上难以解释，所以常常以工程化的方法解 决实际问题，具体对象不一样，采用的方法也不一 样，所以它更偏向于工程技术学科。

在静电起电-消 散机理、静电危害机理完善之前，静电防护工程学 的知识体系一部分来自经验方法，一部分来自实验 验证，还有一部分来自行业内约定俗成，静电防护 标准是这类知识的重要载体。静电防护工程学借助 标准化方法固化了大部分先进的知识，形成了特有 的知识体系。 参考文献 科学、技术、工程是三个不同的概念。科学是 际的或潜在的问题制定共同的重复使用的规则的 菅义夫[日]主编，王学英、鲍重光等翻译，静电手册，科学出版社，活动。静电防护工程学提出之前，静电防护要求和 1981. 标准结合在一起形成当今各行各业，多种版本的静 12电防护“标准群”。静电防护“标准群”推动了静电 月第一版. 月第一版.防护产业，聚集了厂商、学者、管理者、专业技术人 ]，中国工员、标准化工作者。这些静电防护工作者总结了静 程科学. 200 11):17-24. 电防护的知识体系，提出了静电防护工程学。它利 刘尚合，宋学君.静电及其研究进展[ 自然杂志，200 29用标准化的方法，形成了静电防护知识体系、标准 .电子工业出体系、产品体系和科学仪器。进而，静电防护工程学 版社，20 07. 所建立的知识体系将再作用于“标准群”，使之更 航天电子产品静电防护管理体系要求，中国航天加科学和规范（如图1 所示）。

科技集团公司标准，2013. 011，Vol25， No11， 总结规律、揭示规律的知识体系；技术是利用规律 袁亚飞，电子工业静电防护技术与管理 .中国宇航出版社，实现目标的方法和程序；工程是在具体目标实现过 2013. 程中，建立在经验知识基础上的人-机-料-法-环- 软件的有效组合。在人类发展历程中，先有工程知 （责任编辑：邵雅文）

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