防静电包装材料静电屏蔽性能测试方法

防静电包装材料静电屏蔽性能测试方法

杨士亮,雷磊,李汉军,姬国庆

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(11徐州空军学院,徐州221006;21武汉军械士官学校,武汉430000)

摘要:介绍了国内外常用的包装材料静电屏蔽性能测试方法和有关仪器及相关标准,简要分析了各种测试方法的优缺点,提出了静电屏蔽测试中应注意和需要解决的问题。

关键词:防静电;静电屏蔽;测试方法

中图分类号:TB34;TB484 文献标识码:B 文章编号:1001-3563(2006)02-0062-03

Studyonelectrostaticshieldingperformancemeasurement

ofanti-electrostaticpackagingmaterials

YANGShiOliang,LEILei,LIHanOjun,JIGuoOqing

21WuhanOrdanceN.C.OAcademy,Wuhan430075,China)

Abstract:Thispaperintroducedthemethods,instrumentsandstandardsofelectrostaticshieldingper-formancetestsofanti-electrostaticpackagingmaterials.Theadvantagesanddisadvantagesofthemethodswerediscussed.Someproblemsneedtoconsiderandsolveinelectrostaticshieldingperformancetestswereputforward.

Keywords:anti-electrostatic;electrostaticshielding;testmethod

随着高分子材料的大量使用以及电子技术和产品向国民经济各部门的广泛渗透,静电造成的故障和危害更加普遍,因此对产品的包装,尤其对静电敏感产品,提出了更高的要求,防静电包装已成为引人关注的安全问题之一。由于包装材料静电性能的好坏,会直接影响被包装产品的质量,所以对包装材料静电性能进行测试尤为重要。包装材料的静电性能包括抗

2]

静电性能、静电耗散性能和静电屏蔽性能[1O。本文对防静电

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(11XuzhouAirForceInstitute,Xuzhou221006,China;

使外界电磁场达到理想的衰减。众所周知,电磁屏蔽的基本原理,主要是利用电磁波在屏蔽界面上的反射损耗,和屏蔽层内部的吸收损耗来衰减传输能量,所以,材料的电导率和磁导率的乘积越大则其屏蔽性能越好。工程上获得国际普遍认可的划分方法是把表面电阻率小于1@1048/t的材料定义为静

3]

电屏蔽材料,并用于屏蔽防护包装[2O。

包装材料静电屏蔽性能的测试方法进行分析研究。

2 测试材料静电屏蔽性能的主要方法

静电屏蔽性能测试用于评估材料对静电场或静电放电产生的电磁脉冲的屏蔽能力。目前国内外有关这方面测试的标

1 静电屏蔽性能

任意形状的空腔导体放入静电场中,达到静电平衡(把中性导体置于电场中,在电场力的作用下,其上自由电子逆电场强度方向移动至一定程度,自由电子的宏观移动停止,即达到静电平衡)时,空腔内电场强度为零。这一现象就称为静电屏蔽。另外,如果空腔导体内有带电体产生电场,当导体外表面不接地时,由于静电感应,导体外部仍有电场;而当导体外表面接地后,外表面感应电荷由于接地而中和,电场只存在于导体空腔之内,不能作用导体外部,这种情况也称为静电屏蔽。

根据静电屏蔽原理,要完全屏蔽静电场或静电放电产生的电磁脉冲,需要把静电敏感电子产品包围在导体材料之内,以

收稿日期:2005O12O25

准方法有:GJB2605范》、MIL

STD

96《可热封柔韧性防静电阻隔材料规

541、英国

美国电子工业协会标准EIA285、

标准BS7506等。这些方法归纳起来可划分为电容充放电法

5]和双极性脉冲放电法[4O。

2.1 2.1.1

电容充放电法电容充放电法原理

541推荐

B81705C采用)。图1为实验原理图。其

电容充放电法是由美国电子工业协会标准EIA

的测试方法(MIL

原理是给电容器充上高电压,电容传感探头置于被测材料包装袋内,并将它们放置在测试装置的放电电极和接地电极之间,

作者简介:杨士亮(1968-),男,四川荣县人,徐州空军学院硕士研究生,主攻物理教学和兵器防电磁危害理论与技术。

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杨士亮等 防静电包装材料静电屏蔽性能测试方法

电容充电后,利用转换开关经过放电电阻对包装袋放电,将电容传感探头上感应的电压信号引入到测量仪器(如示波器、绘图仪等)进行测量并分析[6]。根据测量仪器测量方式的不同,电容充放电法可细分为测电压法和测能量法。

点:(1)该方法对测得的ESD脉冲波形上升沿时间要求不够快;(2)测量对示波器共模信号抗扰度的要求高;(3)对测量脉冲波形频率要求不高;(4)对脉冲波形的衰减时间要求不长。

2.1.4测能量法

针对上述测试方法存在的问题和缺点,美国国家标准AN-SIESDS11.31和国际电工委员会标准IEC61340

51(2)对

5

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包装材料静电屏蔽性能测试方法进行了新的规定,2种标准在测量方式上进行了相似的改进,图3为标准IEC61340(2)的测试原理图。该方法并非测量包装袋内电容探头上的感应电压值,而是将电容探头上感应电压信号经过电流传感器传输给示波器,然后通过软件分析进行能量计算,得到测试过程中渗透到袋内的能量大小,根据该能量与静电放电总能量

图1 电容充放电法实验原理图

(

1

CV2确定,V为放电电压)之比来确定包装袋的屏蔽效果。2

Fig.1Experimentalprincipleofcapacitancechargeanddischarge2.1.2

测电压法

这种测能量法相对测电压法,能更准确地评价材料的屏蔽性能,但该方法也没有对不同脉冲频率下材料的屏蔽性能测试进行说明。

测电压法是指电容探头上的感应信号以电压的形式输出显示,通过电压值的大小反映材料屏蔽性能的好坏,即感应信号电压值越低,材料的屏蔽性能越好。该测试方法中的典型测试仪器为美国生产的ACL500型静电放电(ESD)模拟器及静电屏蔽检测表,该仪器包括ESD模拟器、静电屏蔽检测传感器、不锈钢放电头、基准板和测试导线。其测试结果由传感器上装有一排标有10、20、30、40、50、100、200、300V的发光二极管(LED)来指示,代表测量到最大电压的LED保持发光,测试装置见图2。

图3 IEC61340-5-1(2)标准屏蔽测试原理图

Fig.3Electrostaticshieldingtestsprinciplein

IEC61340-5-1(2)standard

2.1.5国内相关标准

电容充放电法国内相关标准有GJB2605MIL

B

96《可热封柔

韧性防静电阻隔材料规范》[10]。该标准等效采用了美军标

81705C,填补了我国在阻隔材料静电性能测试标准

方面的空白,实现了与国际接轨。该标准的实施,对防静电阻隔材料的研制、质量监控具有重要意义。该标准对材料静电屏

图2 ACL500测试装置图

蔽性能进行了规定,并提出了指标,但对相应的测试程序和装置的介绍相对简单,使人不易操作。2.2

双极性高电压脉冲放电法

此方法为英国标准BS7506推荐的材料屏蔽性能测试方法[4],见图4。将具有对称的峰值幅度和脉冲波形的高压电场脉冲,对一个规定宽度的材料放电,由于采用了正负脉冲同步放电(脉冲上升时间为ns级,下降时间为0.1s),因而被测样品上不会残留静电荷,位于被测样品层另一侧的传感器感应的信号送到信号处理电路进行分析。该方法将被观测信号分成9个频段(从10Hz~1GHz,每10倍频程为一个频段),每个频段的峰值信号幅度保留在峰值探测和保持电路中,然后送入微

Fig.2ACL500testinstrument

2.1.3测电压法优缺点

电容充放电测电压法原理简单、操作方便,测试结果比较直观。但该方法存在的主要问题

[7]

:示波器要求测得的感应

电压信号应为电容探头探针信号(对应示波器两通道)之差,但波形衰减越快,相应的两信号(其中的共模成分)的差值(感应电压信号)会变小,从而测得的感应电压不易确定,且该方法中人体模型静电放电脉冲的测量仅要求示波器的测量带宽为50MHz,这些条件不能够满足测量材料随脉冲频率变化(Hz~GHz)情况下的屏蔽效果。除此之外,该方法还存在如下缺

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包装工程 PACKAGINGENGINEERINGVo.l27No122006.04

处理器中分析、显示和数据存贮。

4 结 语

综上所述,测量包装材料静电屏蔽性能的2种方法各有其优缺点:

1)电容充放电法是研究较早、被国内外各大标准采用较多的一种方法,其原理简单,相应测试装置便于操作,测试结果比较直观、明了。但该方法只针对人体模型静电放电脉冲的屏蔽测量,对所模拟的静电放电脉冲波形要求不高,且该方法不能反映不同脉冲频率下的材料屏蔽性能,对信号的测量方法或手段有待进一步研究和探讨。

2)双极性脉冲放电法对所提供的静电放电脉冲要求高,

图4 双极性高压脉冲放电法屏蔽性能测试原理图

贴近实际情况。该方法可测得材料不同脉冲频率下的屏蔽性能,弥补了电容充放电法这方面的缺陷。采用正负脉冲同步放电,并非真正检测材料在不同极性脉冲作用下的屏蔽性能,效果同单极性放电是一样的。被测样品为试样层,不能完全等效实际所用包装袋的屏蔽效果。另外,该方法应用了许多电路,测试原理和系统比较复杂。

Fig.4Electrostaticshieldingtestsprincipleofdoublepolarityhighvoltagepulsemethod

此方法最大优点,在于它把所测信号经过信号处理电路后,分成了9个频段,且能把每个频段感应信号峰值保留下来,便于分析材料对各个频段信号的屏蔽性能。通过该方法,可测得不同材料随频率变化的屏蔽性能,从而解决了电容充放电法中,不能随频率来判断材料屏蔽性能的缺点。虽然此法采用了正、负脉冲放电,但正负脉冲放电是以同步、同幅度、同脉冲波形放电,其目的主要是为了解决因单极性放电时,在试样层上存在净电荷的问题,而并非真正用来检测不同放电极性下材料的屏蔽性能。所测试样为一试样层,而不是试样袋,是否能够完全反映实际所用的包装袋的静电屏蔽性能还有待研究。此方法相对比较复杂,目前该方法相关的通用测量仪器不多。

参考文献:

3 需要注意和解决的问题

目前国内外关于包装材料静电屏蔽性能测试的方法还不多,仅局限于以上2种,并且都存在一些问题和缺点,很难保证对更复杂包装材料的静电屏蔽性能进行准确的评价,需要对其进行进一步的研究和探讨,其中应注意和致力解决如下问题:

1)进行屏蔽性能测试所用包装袋由静电屏蔽材料制成,应与其他防静电材料所做的包装袋区别开来;另外,包装袋的尺寸大小会对材料的屏蔽效果带来一定的影响。

2)材料的静电屏蔽性能应针对正、负ESD2种不同的情况,文中介绍的测试系统并不能完全满足不同极性ESD情况下的静电屏蔽测试。

(3)材料的屏蔽性能随脉冲频率变化而变化,而且材料电阻越大,变化越明显,可见材料的电阻与材料屏蔽性能随脉冲频率变化之间存在一定的关系,这种关系值得进一步研究[7]。

[1] 张宝铭,林文荻.静电防护技术手册[M].北京:电子工业出版

社,2000.

[2] 刘尚合,等.静电理论与防护[M].北京:兵器工业出版社,

1999.

[3] 甘德午.电磁屏蔽的理论基础[M].张瞰,译1北京:国防工业出

版社,1983.

[4] 谭志良.阻隔材料静电性能测试方法研究[D].石家庄:军械工

程学院,1998.

[5] 谭志良,陶凤和,刘尚合,等.防静电阻隔包装材料发展动态及

其防静电机理探讨[J].包装工程,2000,21(1):3-51

[6] EIA-541.PacakgingMaterialStandardsforESDSentitiveItems

[S],1988.

[7]

JohnNChubb.Measuringtheshieldingperformanceofmaterials[C]//ConferenceRecordofthe2000IEEE.(余不详)

[8]

JohnNChubb.MethodsofmeasurementtoaccessthesuitablityofmaterialsforthecontrolofstaticElectricity[C]//EOS/ESDSympo-sium,1995.

[9]

IEC-61340-5-1(2).Testmethodforevaluatingtheperformanceofelectrostaticdischargeshieldingmaterial-bags[S],1998.

[10] GJB2605

19961可热封柔韧性防静电阻隔材料规范[S].

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