淺談潔凈室用靜電防護(hù)鞋的耗散特性

胡樹，黎鵬，郭輝，陳祥超

（深圳市新綸科技股份有限公司 科技創(chuàng)新中心，廣東 深圳 518132）

靜電防護(hù)鞋，又稱防靜電工作鞋，指在標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)條件下，電阻值為100 k?～1000 M?的防護(hù)用鞋，其作用是將人體活動(dòng)產(chǎn)生的靜電荷導(dǎo)入到地面，防止靜電放電。電子半導(dǎo)體器件、電子計(jì)算機(jī)、電子通訊設(shè)備和集成電路等微電子工業(yè)的生產(chǎn)車間和高級(jí)試驗(yàn)室為減少或消除靜電危害[1-2]，會(huì)要求進(jìn)入工作環(huán)境中的相關(guān)人員必須穿著靜電防護(hù)鞋。因此，靜電防護(hù)鞋的防靜電特性決定了靜電防護(hù)的效果，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、安全生產(chǎn)甚至作業(yè)人員的健康都起到非常重要的影響。

為檢驗(yàn)靜電防護(hù)鞋的功能特性，確保其在正常使用過程的有效性和穩(wěn)定性，我國(guó)相關(guān)部門制定了一些相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，比如 GB/T 21147—2007《個(gè)體防護(hù)裝備防護(hù)鞋》、GB/T 20991—2007《個(gè)體防護(hù)裝備鞋的測(cè)試方法》、SJ/T 10694—2006《電子產(chǎn)品制造與應(yīng)用系統(tǒng)防靜電檢測(cè)通用規(guī)范》等。這些標(biāo)準(zhǔn)均對(duì)靜電防護(hù)鞋類產(chǎn)品的防靜電性能指標(biāo)和測(cè)試方法作了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)定，對(duì)靜電防護(hù)與安全生產(chǎn)也起到了積極的作用。不過隨著經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)，電子信息技術(shù)相關(guān)行業(yè)的飛速發(fā)展，各行各業(yè)特別是電子制造業(yè)對(duì)靜電防護(hù)越來越重視，要求也越來越高。由于我國(guó)現(xiàn)行的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并沒有及時(shí)有效地更新和完善，因此仍然存在著一些問題。

1 人體靜電簡(jiǎn)介

1.1 人體靜電的來源及危害

人體所帶的靜電主要來源于三個(gè)方面。首先，人體活動(dòng)范圍大，接觸面積廣，較容易與帶電荷物體接觸或摩擦而帶電，人體自身所帶電荷轉(zhuǎn)移到工作對(duì)象（電子元器件）或通過工作對(duì)象放電的機(jī)會(huì)也大大增加。其次，人體對(duì)地之間的電容低（大約為150 pF），少量的人體靜電荷積累就會(huì)造成較高的靜電勢(shì)，見表1。再次，人體電阻較低，相當(dāng)于良導(dǎo)體，當(dāng)人體處于靜電場(chǎng)中也容易感應(yīng)起電，并且人體某一部分帶電即可造成全身帶電。因此，人體是產(chǎn)生靜電危害的最主要的靜電源之一，人體的靜電防護(hù)非常重要[3]。

表1 不同行為產(chǎn)生的人體靜電壓

實(shí)驗(yàn)證明，較低的人體靜電壓放電就會(huì)導(dǎo)致電子產(chǎn)品的失效，甚至是擊穿，影響產(chǎn)品質(zhì)量，見表1[4]。由于部分工作場(chǎng)所存在管理漏洞，個(gè)別工作人員的安全意識(shí)不強(qiáng)，不按規(guī)定穿著靜電防護(hù)鞋、服裝和手環(huán)等防護(hù)用品，造成了較大的安全隱患。當(dāng)靜電放電引起的火花能量大于工作場(chǎng)所存在的易燃易爆物質(zhì)的點(diǎn)火能時(shí)，可能引起火災(zāi)或爆炸，對(duì)生產(chǎn)和人員安全造成危害[5]。

1.2 人體靜電的防護(hù)機(jī)理

普通工作鞋一般由合成樹脂、合成橡膠或彈性體等制成，其體積電阻和表面電阻率很高，沒有抗靜電效果。靜電防護(hù)鞋主要采用聚氨酯（PU）、聚氯乙烯（PVC和 SPU）等高分子材料作為基材，加入補(bǔ)強(qiáng)劑、導(dǎo)電性的填充材料或表面活性劑，以增強(qiáng)鞋材導(dǎo)電性能。通過冷粘或連幫注塑工藝與中底和鞋幫結(jié)合，然后進(jìn)行上線加固[6]。這種方法制作的靜電防護(hù)鞋，電阻在105～108?之間，既可以有效泄露靜電，又能吸汗防臭，舒適度高，同防靜電服和手腕帶一起構(gòu)成完整的防靜電體系[5]。

靜電防護(hù)鞋主要通過電荷傳輸、靜電耗散和靜電屏蔽三種方式來進(jìn)行人體靜電防護(hù)。電荷傳輸作用是指通過人體、靜電防護(hù)鞋和大地形成通路或鞋材本身的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將人體所帶的大部分電荷以靜電傳導(dǎo)的方式迅速地從鞋底轉(zhuǎn)移到地面。靜電耗散作用是指借由靜電防護(hù)鞋和防靜電服較低的表面電阻，將人體活動(dòng)所引起的電荷慢慢釋放到空氣中。另外，靜電防護(hù)鞋和防靜電服內(nèi)的導(dǎo)電成分所形成的網(wǎng)絡(luò)還具有一定的屏蔽作用[7-8]。人體所帶的大部分電荷都以靜電傳導(dǎo)的方式從鞋底向地面轉(zhuǎn)移，另外有少量電荷通過體表向空氣中耗散。因此，在環(huán)境濕度不高的情況下，靜電防護(hù)鞋是靜電耗散的主要路徑。人在穿著防靜電衣帽的情況下，靜電荷一經(jīng)產(chǎn)生，便可轉(zhuǎn)移并通過靜電鞋迅速傳輸?shù)降孛?，達(dá)到靜電耗散的效果。這種情況下，靜電防護(hù)鞋的體積傳導(dǎo)起主要作用。另外，由于靜電防護(hù)鞋的材料電阻率較低，通過與地面摩擦產(chǎn)生的靜電壓較低，這減少了靜電放電的可能。因此，靜電防護(hù)鞋能夠有效降低靜電放電的影響，防止靜電引發(fā)的事故發(fā)生。

2 主要性能指標(biāo)

電荷的耗散與自然界河流的流動(dòng)相似，會(huì)走電阻最短的路徑[8]。許多工業(yè)用戶錯(cuò)誤地依據(jù)比較鞋底的表面電阻來選擇靜電防護(hù)鞋，但各種靜電耗散鞋（鞋底）測(cè)量的表面電阻通常會(huì)大于通過鞋底的電阻（體積電阻），這說明電荷耗散的理想途徑是從鞋底內(nèi)部從上至下流通的，而不是沿著鞋材表面耗散。因此我們應(yīng)該關(guān)心的是鞋電阻（體積電阻），它主要考察靜電耗散鞋的電荷傳輸能力。為了提高鞋材的穿著舒適度，緩解工作人員的疲勞感，通常在鞋材制作時(shí)在大底上增加一層或多層柔性材料（比如發(fā)泡 PU，發(fā)泡EVA等）作為鞋中底。中底有些本身是導(dǎo)電的或防靜電的材料，有些則是絕緣的，這時(shí)大多是采用縫制導(dǎo)電紗線使得中底上下導(dǎo)通，因此就需要將中底和大底作為整體來評(píng)價(jià)鞋材的靜電耗散性能。

2.1 鞋電阻

最新的GB 21147—2007《個(gè)體防護(hù)裝備防護(hù)鞋》中 5.10部分對(duì)靜電防護(hù)鞋的電阻要求進(jìn)行了明確規(guī)定：電阻值不小于106?且不大于109?。標(biāo)準(zhǔn)中同時(shí)也規(guī)定了測(cè)試方法為GB/T 20991—2007 《個(gè)體防護(hù)裝備鞋的測(cè)試方法》。具體的測(cè)試方法為：在恒溫（20±2） ℃下，分別在干燥（RH為 30%±5%）和潮濕（RH為85%±5%）環(huán)境中處理7 d，使用4 kg的鋼珠裝滿試樣鞋，置于銅板上，在鋼珠和銅板間施加100 V直流電壓，1 min后讀取電阻測(cè)試儀的讀數(shù)即為鞋的電阻。國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)和日本也發(fā)布了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，JIS T8103—2010《防靜電鞋靴》和 ICE 61340-4-3—2001《Standard Test Methods for Specific Applications-footwear》與我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法和原理基本相同，對(duì)比見表2。

從表2中可以看出，國(guó)內(nèi)外主要是在具體的溫濕度控制（預(yù)處理?xiàng)l件）、測(cè)試環(huán)境、荷重（鋼珠）尺寸和質(zhì)量等上有所差別。預(yù)處理?xiàng)l件中，ICE和 JIS標(biāo)準(zhǔn)比較接近，考慮了高溫超低濕、常溫低濕和常溫中濕三種環(huán)境中平衡48 h或96 h，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的是常溫低濕和常溫高濕兩種情況，不過平衡時(shí)間較長(zhǎng)（7 d）。我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中測(cè)試環(huán)境與預(yù)處理?xiàng)l件一致，即只考慮了常溫低濕和常溫高濕兩種環(huán)境，而ICE標(biāo)準(zhǔn)和 JIS標(biāo)準(zhǔn)中并沒有考慮高濕環(huán)境，JIS標(biāo)準(zhǔn)還特別規(guī)定了低溫測(cè)試條件。這可能是因?yàn)閲?guó)外對(duì)潔凈室環(huán)境控制嚴(yán)格，考慮到靜電防護(hù)鞋的工作環(huán)境中濕度不可能達(dá)到80%。其次，靜電防護(hù)鞋的存放環(huán)境（倉庫或鞋柜）通常并不是潔凈室環(huán)境，JIS標(biāo)準(zhǔn)考慮到地區(qū)特殊氣候環(huán)境冬季氣溫較低，剛穿上靜電防護(hù)鞋的一段時(shí)間內(nèi)，鞋底仍然處于低溫狀態(tài)，此時(shí)的鞋電阻是偏高的。電阻測(cè)試時(shí)荷重所用鋼珠IEC標(biāo)準(zhǔn)和JIS標(biāo)準(zhǔn)一致，為（12.5±2.5）kg，國(guó)標(biāo)為4 kg，這可能是因?yàn)榕c各地區(qū)的環(huán)境以及人群特點(diǎn)有一定關(guān)系，歐美國(guó)家體型相對(duì)較胖，日本則在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了借鑒。測(cè)試電壓方面，國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)也很相似，為100 V，不過國(guó)外對(duì)被測(cè)試對(duì)象的電阻進(jìn)行了區(qū)分，當(dāng)被測(cè)試對(duì)象的電阻低于1 M?時(shí)，測(cè)試電壓變?yōu)?0 V。靜電防護(hù)鞋的電阻范圍國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)有一定差別，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)寬松（100 k?≤R≤1 G?），IEC標(biāo)準(zhǔn)為100 k?≤R≤100 M?，而日標(biāo)最為苛刻，不僅分為一般工作鞋和特種工作鞋，需要同時(shí)滿足常溫測(cè)試和低溫環(huán)境測(cè)試[9-10]。國(guó)內(nèi)一些珠海和TCL集團(tuán)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鞋電阻≤35 M?，這既是在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上對(duì)靜電防護(hù)鞋提出了更高的性能要求，也體現(xiàn)出對(duì)國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)中鞋/地面系統(tǒng)電阻的一種學(xué)習(xí)與借鑒。

表2 國(guó)內(nèi)外靜電防護(hù)鞋電阻測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)比較

2.2 行走電壓

盡管靜電敏感器件的內(nèi)部已進(jìn)行了 ESD保護(hù)處理，但這僅僅是當(dāng)電荷傳遞局限于一定尺寸和一定時(shí)間內(nèi)才有效。有關(guān)檢測(cè)報(bào)告顯示，ESD的損害往往只有10%是造成電子元器件當(dāng)時(shí)完全失效，喪失特定功能，剩下的90%雖然不足以導(dǎo)致器件的立即失效，但元件內(nèi)部依然會(huì)存在某種程度的輕微損傷，比如微小的偏差或漂移，這種潛在的危險(xiǎn)極易被人們忽視。若這種元器件繼續(xù)工作，隨著 ESD次數(shù)的增加，累積效應(yīng)會(huì)越來越明顯，其損傷程度也將加劇直至最終失效。另一方面，隨著大規(guī)模 MOS電路及貼裝器件（SMD）的應(yīng)用和元器件工藝技術(shù)的發(fā)展，集成電路的內(nèi)絕緣層越來越薄，導(dǎo)致對(duì) ESD的能量敏感性增加，極易引起薄的絕緣層損壞而失效[11-12]。各類半導(dǎo)體元器件的最低靜電擊穿電壓見表3。

表3 各類半導(dǎo)體元器件的最低靜電擊穿電壓

在評(píng)定一種產(chǎn)品的電阻時(shí)，需要了解給定電阻測(cè)量的電路徑。一般而言，電荷會(huì)沿著電阻最小的路徑耗散。以靜電防護(hù)鞋的體積電阻作為靜電性能的參考，主要針對(duì)的是人體活動(dòng)產(chǎn)生的靜電，而對(duì)于鞋底與地面的摩擦產(chǎn)生的電荷，往往缺少關(guān)注。這部分電荷在鞋底產(chǎn)生的瞬間便存在著耗散，因此其耗散特性無法僅僅用鞋電阻來衡量。

從表3可以看出，各類電子元器件越做越小，其靜電擊穿電壓越來越低。人在行走時(shí)，鞋底與地面會(huì)有摩擦，當(dāng)一只腳抬起來離開地面時(shí)，人體（含鞋）電壓比雙腳站立時(shí)高很多，這時(shí)如果工作人員接觸到工作對(duì)象，則很有可能對(duì)工作對(duì)象造成損傷甚至是破壞。因此，除了需要靜電防護(hù)鞋具有較低的鞋電阻外，還需要對(duì)其行走（摩擦）電壓加以控制，并將要求規(guī)范化。ANSI/ESD s20.20—2014《Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment(excluding Electrically Initiated Explosive Devices)》規(guī)定鞋與地的行走電壓不大于100 V，而國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)未對(duì)此作出要求[13]。SJ/T 10694—1996《電子產(chǎn)品制造防靜電系統(tǒng)測(cè)試方法》對(duì)摩擦電壓有過規(guī)定小于100 V，但是最新發(fā)布的SJ/T 10694—2006《電子產(chǎn)品制造防靜電系統(tǒng)測(cè)試方法》中卻刪去了這部分規(guī)定，見表4。

表4 標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)其他指標(biāo)的規(guī)定

2.3 人體綜合電阻

從鞋材的靜電耗散性能測(cè)試角度考慮，單獨(dú)對(duì)鞋本身的電阻進(jìn)行測(cè)定是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。標(biāo)準(zhǔn)ANSI/ESD s20.20—2014中規(guī)定了鞋/地系統(tǒng)中靜電防護(hù)鞋類產(chǎn)品的電阻和行走電壓的測(cè)試方法和指標(biāo)。標(biāo)準(zhǔn)中將鞋和地面作為一個(gè)系統(tǒng)，綜合考慮了單個(gè)產(chǎn)品以及鞋/地系統(tǒng)的防靜電性能。這種衡量方法考慮了行走電壓以及其他因素對(duì)電阻的影響，更加全面、客觀地反映了鞋材使用過程中的抗靜電性能。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) SJ/T 10694—2006《電子產(chǎn)品制造防靜電系統(tǒng)測(cè)試方法》也補(bǔ)充了用類似的人體綜合電阻來客觀表征鞋材的靜電防護(hù)能力。國(guó)內(nèi)大多數(shù)電子巨頭工廠，比如京東方、天馬微和華星光電等，都要求進(jìn)入潔凈室車間前進(jìn)行門禁檢測(cè)，測(cè)試人體綜合電阻。

對(duì)于靜電防護(hù)鞋而言，環(huán)境中水分的存在會(huì)降低材料的表面電阻，因此在高濕度環(huán)境平衡后測(cè)得的電阻偏小。在國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)預(yù)處理和測(cè)試環(huán)境的溫濕度條件和平衡時(shí)間都有明確的規(guī)定。我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)溫度的規(guī)定與美國(guó)和歐洲標(biāo)準(zhǔn)相近，但對(duì)濕度的要求差別較大。這可能是由于我國(guó)國(guó)土緯度跨越大，北方較干燥，南方較潮濕。在濕度30%±5%或85%±5%條件下的測(cè)試結(jié)果，能更大程度地反映靜電防護(hù)鞋實(shí)際使用中的靜電防護(hù)能力。

3 結(jié)語

國(guó)內(nèi)靜電防護(hù)鞋的抗靜電性能主要是通過添加低分子的表面活性劑賦予的，而低分子表面活性劑的相容性、遷移性和吸濕性的影響因素較多。這也導(dǎo)致了國(guó)產(chǎn)靜電防護(hù)鞋的質(zhì)量參差不齊。靜電耗散效果的持久性和環(huán)境使用范圍往往不理想，常規(guī)靜電防護(hù)鞋的鞋/地摩擦電壓也就無法達(dá)到要求，這使得我國(guó)的電子產(chǎn)品在經(jīng)濟(jì)全球化的競(jìng)爭(zhēng)中往往處于劣勢(shì)。隨著全球化進(jìn)程，要想具有企業(yè)和產(chǎn)品國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，必須對(duì)電子產(chǎn)品的靜電防護(hù)以及防靜電系統(tǒng)更加重視。為了解決靜電防護(hù)鞋的低電阻、持久性和穩(wěn)定性問題，一方面需要開發(fā)高效持久的抗靜電鞋材，另一方面還可以從產(chǎn)品測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)與方法著手，對(duì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)一步改進(jìn)完善。如前文所述，衡量鞋類產(chǎn)品的靜電耗散特性，單單憑材料的體積電阻并不能全面準(zhǔn)確地判斷耗散性能。建議與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)接軌，綜合考慮鞋/地系統(tǒng)的電阻（人體綜合電阻）、行走電壓，提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)電子工業(yè)、石油工業(yè)、紡織工業(yè)、橡膠工業(yè)以及軍事兵工業(yè)器等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

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