淺談潔凈室用靜電防護鞋的耗散特性

胡樹，黎鵬，郭輝，陳祥超

（深圳市新綸科技股份有限公司 科技創新中心，廣東 深圳 518132）

靜電防護鞋，又稱防靜電工作鞋，指在標準檢測條件下，電阻值為100 k?～1000 M?的防護用鞋，其作用是將人體活動產生的靜電荷導入到地面，防止靜電放電。電子半導體器件、電子計算機、電子通訊設備和集成電路等微電子工業的生產車間和高級試驗室為減少或消除靜電危害[1-2]，會要求進入工作環境中的相關人員必須穿著靜電防護鞋。因此，靜電防護鞋的防靜電特性決定了靜電防護的效果，對產品質量、安全生產甚至作業人員的健康都起到非常重要的影響。

為檢驗靜電防護鞋的功能特性，確保其在正常使用過程的有效性和穩定性，我國相關部門制定了一些相關標準，比如 GB/T 21147—2007《個體防護裝備防護鞋》、GB/T 20991—2007《個體防護裝備鞋的測試方法》、SJ/T 10694—2006《電子產品制造與應用系統防靜電檢測通用規范》等。這些標準均對靜電防護鞋類產品的防靜電性能指標和測試方法作了標準化規定，對靜電防護與安全生產也起到了積極的作用。不過隨著經濟全球化的趨勢，電子信息技術相關行業的飛速發展，各行各業特別是電子制造業對靜電防護越來越重視，要求也越來越高。由于我國現行的相關標準并沒有及時有效地更新和完善，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方面。首先，人體活動范圍大，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移到工作對象（電子元器件）或通過工作對象放電的機會也大大增加。其次，人體對地之間的電容低（大約為150 pF），少量的人體靜電荷積累就會造成較高的靜電勢，見表1。再次，人體電阻較低，相當于良導體，當人體處于靜電場中也容易感應起電，并且人體某一部分帶電即可造成全身帶電。因此，人體是產生靜電危害的最主要的靜電源之一，人體的靜電防護非常重要[3]。

表1 不同行為產生的人體靜電壓

實驗證明，較低的人體靜電壓放電就會導致電子產品的失效，甚至是擊穿，影響產品質量，見表1[4]。由于部分工作場所存在管理漏洞，個別工作人員的安全意識不強，不按規定穿著靜電防護鞋、服裝和手環等防護用品，造成了較大的安全隱患。當靜電放電引起的火花能量大于工作場所存在的易燃易爆物質的點火能時，可能引起火災或爆炸，對生產和人員安全造成危害[5]。

1.2 人體靜電的防護機理

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，加入補強劑、導電性的填充材料或表面活性劑，以增強鞋材導電性能。通過冷粘或連幫注塑工藝與中底和鞋幫結合，然后進行上線加固[6]。這種方法制作的靜電防護鞋，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成完整的防靜電體系[5]。

靜電防護鞋主要通過電荷傳輸、靜電耗散和靜電屏蔽三種方式來進行人體靜電防護。電荷傳輸作用是指通過人體、靜電防護鞋和大地形成通路或鞋材本身的特殊結構設計，將人體所帶的大部分電荷以靜電傳導的方式迅速地從鞋底轉移到地面。靜電耗散作用是指借由靜電防護鞋和防靜電服較低的表面電阻，將人體活動所引起的電荷慢慢釋放到空氣中。另外，靜電防護鞋和防靜電服內的導電成分所形成的網絡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的方式從鞋底向地面轉移，另外有少量電荷通過體表向空氣中耗散。因此，在環境濕度不高的情況下，靜電防護鞋是靜電耗散的主要路徑。人在穿著防靜電衣帽的情況下，靜電荷一經產生，便可轉移并通過靜電鞋迅速傳輸到地面，達到靜電耗散的效果。這種情況下，靜電防護鞋的體積傳導起主要作用。另外，由于靜電防護鞋的材料電阻率較低，通過與地面摩擦產生的靜電壓較低，這減少了靜電放電的可能。因此，靜電防護鞋能夠有效降低靜電放電的影響，防止靜電引發的事故發生。

2 主要性能指標

電荷的耗散與自然界河流的流動相似，會走電阻最短的路徑[8]。許多工業用戶錯誤地依據比較鞋底的表面電阻來選擇靜電防護鞋，但各種靜電耗散鞋（鞋底）測量的表面電阻通常會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部從上至下流通的，而不是沿著鞋材表面耗散。因此我們應該關心的是鞋電阻（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，通常在鞋材制作時在大底上增加一層或多層柔性材料（比如發泡 PU，發泡EVA等）作為鞋中底。中底有些本身是導電的或防靜電的材料，有些則是絕緣的，這時大多是采用縫制導電紗線使得中底上下導通，因此就需要將中底和大底作為整體來評價鞋材的靜電耗散性能。

2.1 鞋電阻

最新的GB 21147—2007《個體防護裝備防護鞋》中 5.10部分對靜電防護鞋的電阻要求進行了明確規定：電阻值不小于106?且不大于109?。標準中同時也規定了測試方法為GB/T 20991—2007 《個體防護裝備鞋的測試方法》。具體的測試方法為：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后讀取電阻測試儀的讀數即為鞋的電阻。國際電工標準化機構和日本也發布了相關的標準，JIS T8103—2010《防靜電鞋靴》和 ICE 61340-4-3—2001《Standard Test Methods for Specific Applications-footwear》與我國標準測試方法和原理基本相同，對比見表2。

從表2中可以看出，國內外主要是在具體的溫濕度控制（預處理條件）、測試環境、荷重（鋼珠）尺寸和質量等上有所差別。預處理條件中，ICE和 JIS標準比較接近，考慮了高溫超低濕、常溫低濕和常溫中濕三種環境中平衡48 h或96 h，我國標準規定的是常溫低濕和常溫高濕兩種情況，不過平衡時間較長（7 d）。我國標準中測試環境與預處理條件一致，即只考慮了常溫低濕和常溫高濕兩種環境，而ICE標準和 JIS標準中并沒有考慮高濕環境，JIS標準還特別規定了低溫測試條件。這可能是因為國外對潔凈室環境控制嚴格，考慮到靜電防護鞋的工作環境中濕度不可能達到80%。其次，靜電防護鞋的存放環境（倉庫或鞋柜）通常并不是潔凈室環境，JIS標準考慮到地區特殊氣候環境冬季氣溫較低，剛穿上靜電防護鞋的一段時間內，鞋底仍然處于低溫狀態，此時的鞋電阻是偏高的。電阻測試時荷重所用鋼珠IEC標準和JIS標準一致，為（12.5±2.5）kg，國標為4 kg，這可能是因為與各地區的環境以及人群特點有一定關系，歐美國家體型相對較胖，日本則在此基礎上進行了借鑒。測試電壓方面，國內外標準也很相似，為100 V，不過國外對被測試對象的電阻進行了區分，當被測試對象的電阻低于1 M?時，測試電壓變為10 V。靜電防護鞋的電阻范圍國內外標準有一定差別，國家標準相對寬松（100 k?≤R≤1 G?），IEC標準為100 k?≤R≤100 M?，而日標最為苛刻，不僅分為一般工作鞋和特種工作鞋，需要同時滿足常溫測試和低溫環境測試[9-10]。國內一些珠海和TCL集團企業標準中規定鞋電阻≤35 M?，這既是在國家標準的基礎上對靜電防護鞋提出了更高的性能要求，也體現出對國外標準中鞋/地面系統電阻的一種學習與借鑒。

表2 國內外靜電防護鞋電阻測試標準比較

2.2 行走電壓

盡管靜電敏感器件的內部已進行了 ESD保護處理，但這僅僅是當電荷傳遞局限于一定尺寸和一定時間內才有效。有關檢測報告顯示，ESD的損害往往只有10%是造成電子元器件當時完全失效，喪失特定功能，剩下的90%雖然不足以導致器件的立即失效，但元件內部依然會存在某種程度的輕微損傷，比如微小的偏差或漂移，這種潛在的危險極易被人們忽視。若這種元器件繼續工作，隨著 ESD次數的增加，累積效應會越來越明顯，其損傷程度也將加劇直至最終失效。另一方面，隨著大規模 MOS電路及貼裝器件（SMD）的應用和元器件工藝技術的發展，集成電路的內絕緣層越來越薄，導致對 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]。各類半導體元器件的最低靜電擊穿電壓見表3。

表3 各類半導體元器件的最低靜電擊穿電壓

在評定一種產品的電阻時，需要了解給定電阻測量的電路徑。一般而言，電荷會沿著電阻最小的路徑耗散。以靜電防護鞋的體積電阻作為靜電性能的參考，主要針對的是人體活動產生的靜電，而對于鞋底與地面的摩擦產生的電荷，往往缺少關注。這部分電荷在鞋底產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，鞋底與地面會有摩擦，當一只腳抬起來離開地面時，人體（含鞋）電壓比雙腳站立時高很多，這時如果工作人員接觸到工作對象，則很有可能對工作對象造成損傷甚至是破壞。因此，除了需要靜電防護鞋具有較低的鞋電阻外，還需要對其行走（摩擦）電壓加以控制，并將要求規范化。ANSI/ESD s20.20—2014《Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment(excluding Electrically Initiated Explosive Devices)》規定鞋與地的行走電壓不大于100 V，而國家標準未對此作出要求[13]。SJ/T 10694—1996《電子產品制造防靜電系統測試方法》對摩擦電壓有過規定小于100 V，但是最新發布的SJ/T 10694—2006《電子產品制造防靜電系統測試方法》中卻刪去了這部分規定，見表4。

表4 標準中對其他指標的規定

2.3 人體綜合電阻

從鞋材的靜電耗散性能測試角度考慮，單獨對鞋本身的電阻進行測定是遠遠不夠的。標準ANSI/ESD s20.20—2014中規定了鞋/地系統中靜電防護鞋類產品的電阻和行走電壓的測試方法和指標。標準中將鞋和地面作為一個系統，綜合考慮了單個產品以及鞋/地系統的防靜電性能。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。行業標準 SJ/T 10694—2006《電子產品制造防靜電系統測試方法》也補充了用類似的人體綜合電阻來客觀表征鞋材的靜電防護能力。國內大多數電子巨頭工廠，比如京東方、天馬微和華星光電等，都要求進入潔凈室車間前進行門禁檢測，測試人體綜合電阻。

對于靜電防護鞋而言，環境中水分的存在會降低材料的表面電阻，因此在高濕度環境平衡后測得的電阻偏小。在國內外標準中，對預處理和測試環境的溫濕度條件和平衡時間都有明確的規定。我國國家標準中對溫度的規定與美國和歐洲標準相近，但對濕度的要求差別較大。這可能是由于我國國土緯度跨越大，北方較干燥，南方較潮濕。在濕度30%±5%或85%±5%條件下的測試結果，能更大程度地反映靜電防護鞋實際使用中的靜電防護能力。

3 結語

國內靜電防護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。這也導致了國產靜電防護鞋的質量參差不齊。靜電耗散效果的持久性和環境使用范圍往往不理想，常規靜電防護鞋的鞋/地摩擦電壓也就無法達到要求，這使得我國的電子產品在經濟全球化的競爭中往往處于劣勢。隨著全球化進程，要想具有企業和產品國際競爭力，必須對電子產品的靜電防護以及防靜電系統更加重視。為了解決靜電防護鞋的低電阻、持久性和穩定性問題，一方面需要開發高效持久的抗靜電鞋材，另一方面還可以從產品測試標準與方法著手，對相關標準和方法進一步改進完善。如前文所述，衡量鞋類產品的靜電耗散特性，單單憑材料的體積電阻并不能全面準確地判斷耗散性能。建議與國際標準接軌，綜合考慮鞋/地系統的電阻（人體綜合電阻）、行走電壓，提高產品的競爭力，促進電子工業、石油工業、紡織工業、橡膠工業以及軍事兵工業器等領域的快速發展。

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