书名：静电放电控制程序手册
ISBN：978-7-115-65943-9
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著 [英] 杰里米·M.斯莫尔伍德（Jeremy M. Smallwood）
译 高志良 周 黎 程千钉 马姗姗 孙丽丽 王若珏 等
责任编辑 贺瑞君
人民邮电出版社出版发行 北京市丰台区成寿寺路11号
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The ESD Control Program Handbook (9781118311035) by Jeremy M. Smallwood
Copyright@2020 John Wiley & Sons Ltd
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本书结合全球前沿静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）防护理念，系统地阐述ESD的基础知识、防护技术与相关管理方法，具体包括ESD相关术语及其定义，静电与ESD控制原理，静电放电敏感（Electrostatic Discharge Sensitive，ESDS）器件，高效ESD防护的七个习惯，自动化系统，ESD防护标准，防静电设备与设施的选型、使用、保养及维护，防静电包装，ESD控制程序的评估策略，ESD控制程序的设计，ESD测试，ESD培训等内容，尤其在保持良好的ESD防护习惯、自动化系统控制、ESD控制程序等方面提出非常新颖的防护理念，给出最新的防护方法或实用案例。本书还对ESD防护的发展趋势做出展望。
本书可供航空航天、兵器装备、半导体、精密仪器、生物医药、石油化工等工业行业的静电防护工程师、培训师、咨询师、检查员，以及质量（品控）、工艺、标准化、计量、安全、运行维护、条件建设等方面的人员阅读，也可供相关专业研究生及高年级本科生参考。
随着电子工业的飞速发展，静电防护已经成为影响电子产品质量与可靠性的关键共性技术之一。ESD问题广泛存在于电子、石油化工、生物医药、精密机械、航空航天及武器装备等领域，对产品的产率、质量、可靠性等有着非常大的危害，同时又因ESD的普遍性、随机性、隐蔽性、复杂性、潜在性等，具有很大的复杂性和不确定性，一直以来严重困扰着ESDS产品的生产和研发。
ESD控制是一个横跨产品、工程、质量、经济、管理等多门类的复合型领域，涉及物理、化学、电子电磁、材料、环境等多个学科专业，而且静电防护工程学已经逐步建立电子产品静电防护体系化管理方法，以“技术+管理”为理念形成了一系列静电防护管理体系标准（如IEC 61340-5-1、ANSI/ESD S20.20、GB/T 32304），与产品质量管理体系保持协同运行并发挥作用，已经在全球范围内的电子行业得到了充分认可和广泛应用。
当前，用于普及ESD基本知识以及控制实践、集科研与教育于一体的图书一直比较匮乏，与生产制造实际相符的静电防护体系化实践的图书少之又少。本书集ESD控制原理普及与ESD控制实践指导于一体，系统地介绍了静电防护的基本原理和应用技术，对静电控制程序的编写和具体防护工作措施的落实做出了全面的分析、规划。本书的翻译出版有助于更加科学化、系统性地持续稳步推进国内电子工业ESD防护体系化管理能力提升。
本书共分为13章：第1章科学归纳ESD防护领域的术语，并给出它们的定义；第2章详细讨论静电与ESD控制原理；第3章对ESDS器件进行介绍；第4章归纳高效ESD防护的七个习惯；第5章主要讲解自动化系统在ESD防护工作中的应用；第6章集中对比ESD防护标准的内容；第7章重点介绍防静电设备与设施的选型、使用、保养及维护；第8章重点介绍防静电包装；第9章介绍ESD控制程序的评估策略；第10章重点介绍ESD控制程序的设计；第11章、第12章分别详细介绍ESD测试、ESD培训；第13章对ESD防护的发展趋势做出展望。最后，附录A给出一个模块化的ESD控制程序示例，读者可以参照该示例制定可行性方案。本书介绍的ESD防护理念新颖，提供的案例丰富、准确，具有较强的可操作性和实用性。
本书由北京东方计量测试研究所组织翻译，第1章由孙丽丽、周黎、高志良翻译，第2章由周黎、程千钉、王若珏、王滨翻译，第3章由马姗姗、何积浩、落震宇翻译，第4章至第6章由程千钉、高志良、王磊、韩炎晖、王思朋翻译，第7章由周黎、程千钉、董怿博、胡子俊翻译，第8章至第9章由马姗姗、王若珏、肖景博、张卫红、王政煜、梅飞翻译，第10章由周黎、延峰、吴嘉鹏、刘安翻译，第11章由马姗姗、冯娜、唐旭、曹勇翻译，第12章由周黎、马姗姗、张平平、肖志康翻译，第13章由程千钉、张宇、李犇、王海翻译，附录A由程千钉、马姗姗、兰烨文翻译。高志良、周黎、程千钉、马姗姗、孙丽丽等负责统稿和校审，崔伟光、夏天、袁亚飞、谭钧戈等参与了全书的审核工作，刘志宏、庞健、田虎林等参与了初稿的校对工作，在此一并表示感谢。同时，感谢国家静电防护产品质量检验检测中心、北京东方计量测试研究所刘尚合院士专家工作站、人民邮电出版社、中国航天科技集团有限公司静电防护技术中心、中国空间技术研究院静电防护管理体系认证中心、中国国防工业企业协会静电分会等在本书翻译和出版过程中给予的大力支持。
由于译者水平有限，书中难免存在不足之处，恳请广大读者不吝指正。
高志良
2024年11月26日
很荣幸收到Jeremy M. Smallwood博士的邀请，为他的新书撰写序言。这对我来说是莫大的荣誉。自20世纪90年代中期国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）成立静电技术委员会（IEC TC 101）以来，我和Jeremy一直在静电标准化方面进行合作。尽管相隔大西洋，我们两人都在标准制定过程中投入了大量的时间：Jeremy在英国标准协会（British Standards Institution，BSI）工作，而我在美国静电放电协会（Electrostatic Discharge Association，ESDA）工作。20世纪90年代发生了几件事。IEC成立了IEC TC 101，首批成员大多来自欧洲电工标准化委员会（European Committee for Electrotechnical Standardization，CENELEC），该委员会与其他非欧洲国家的代表共同制定了静电学体系文件CECC 00015；ESDA是公认的美国国家标准（ANSI标准）制定机构，因此能够正式代表美国参加IEC。我被美国国家委员会任命为首席代表，Jeremy被英国国家委员会任命为代表。1996年，我们在佛罗里达州奥兰多举办EOS/ESD年度研讨会，之后我有幸在得克萨斯州奥斯汀主持了一场早期的IEC TC 101工作组会议。那是我第一次见到Jeremy。虽然早年大家对静电标准的审议时有争议，但委员会最终形成了一个有凝聚力的团队，并制定了世界公认的重要标准。Jeremy在IEC TC 101形成时期投入了大量的时间和精力，他也曾长期担任IEC TC 101主席，具有相当大的影响力。目前，他是英国的首席代表，积极参加了许多工作组。
作为ESDA的前任主席，我很高兴在2010年向Jeremy颁发ESDA的行业先锋奖，以表彰他对静电科学的贡献，特别是他在标准制定过程中所发挥的作用。
丹麦技术大学的Niels Jonassen教授和密歇根大学的A. D. Moore教授等撰写了许多关于静电基础知识的好书，也有其他相关图书涉及静电学具体操作问题，这些图书都可以在本书的参考资料中找到。然而，对电子产品及其他ESDS材料制造过程中ESD控制的现代化标准过程来说，本书是为数不多涵盖其各个方面的作品。本书旨在帮助初学者和专业人员迈入静电学的大门。我相信对任何领域（尤其是电子制造领域）的任何人而言，只要有处理静电问题的需要，本书就能提供有用的参考。本书所讨论的原理和标准适用于各个制造领域和工艺过程。特别是涉及电子器件和组件的可靠性和敏感性这一主题时，本书亦可用作高等教育电子设计相关课程的教材。
Smallwood博士凭借自己在标准制定和实践方面的丰富经验，引导读者拨开标准应用于生产制造过程中的迷雾。由于静电是一种自然现象，并且一直存在于我们周围，人们会认为实现标准化是一项不太可能的任务（或者并不看好它）。Jeremy在第9章和第10章中介绍的实践方法有助于梳理ESD控制程序的实施和管理流程。
第12章的主题是ESD培训，这部分内容对需要建立、运行和维护ESD控制程序的人非常有帮助。Jeremy罗列了培训方面非常实用的“技巧”，这些得益于他多年来讲授静电的“艺术与科学”（从入门到高级系列课程）的经验。
第6章也非常重要，这部分对标准规范进行了很好的梳理。20世纪90年代初以来，人们对如何处理行业静电“奥秘”的理解大幅提升，从而能够制定出非常有效和实用的标准、规程、报告和操作指南。虽然我们必须认识到并且理解静电是无法完全消除的，但我们现在知道如何在制造业中与之共存，并且通常情况下可以通过一些技术方法在严重事故发生之前解决大多数问题。话虽如此，静电放电总是在最不经意时或是没有遵循正确程序的情况下出现，这使得每年仍会由于静电放电而发生火灾、爆炸、产品损伤乃至人员伤亡。仅是在错误的时间、错误的地点出现接地不良，就有可能造成灾难性后果（也确实发生过），这种后果甚至比大多数人能够想象到的还要严重。
预防或消除静电问题，需要了解静电现象。本书前5章详细地介绍静电学所涉及的基本方面，对该学科的初学者来说，这是一个很好的起点。即便对有经验的从业人员而言，这几章也有助于回顾知识和查漏补缺。总的来说，本书是为了让非技术人员理解静电现象而编写的，但对该领域的专家也很有用。本书在每章最后提供非常广泛而详细的参考资料，以供需要了解相关内容具体细节的读者参考。
我相信你会和我一样认为本书兼具趣味性、启发性及实用性。祝您阅读愉快，注意安全。
大卫·斯温森（David E. Swenson）
Affinity Static Control Consulting LLC总裁
尽管自20世纪70年代以来，ESD一直是电子行业关注的话题，但对必须整合、评估、维护和更新ESD控制程序的人来说，关于这个主题的图书相对较少。我在从事咨询师和培训师的工作时，遇到过很多这样的人。彼时，他们中的一些人刚刚被要求担起ESD项目的责任，但他们几乎没有这方面的经验。另外一些人具备一部分知识，但被ESD控制中一系列难辨真假的说法所困扰。还有一些人在这方面积累了丰富的经验，并在自己公司制定和运行了ESD控制程序。当然，我从他们身上学到了很多东西。作为一名咨询师和培训师，我发现自己在向别人解释我的观点时也会学到很多。那是对自身理解能力的一项挑战，让我对问题有了更清晰的思考。
在这个过程中，我开始尝试对ESD预防原理的介绍进行优化。在Stephen Covey（史蒂芬·柯维）《高效能人士的七个习惯》（The 7 Habits of Highly Effective People）的启发之下，“高效ESD防护的七个习惯”应运而生。为什么是“习惯”？因为如果我们在处理易受ESD影响的器件和组件时，习惯性地去做这些事情，就自然会拥有一个有效的ESD控制程序。
20世纪90年代中期，当时在ERA（ERA Technology Ltd.）工作的我开始在伦敦奇西克的BSI参与英国标准的制定。得益于这项工作，我很快也参与了国际标准的制定。20世纪90年代中期，IEC成立IEC TC 101，我便通过BSI加入其中。标准化工作拓宽了我的视野，让我发现这项工作既令人兴奋又令人沮丧。我很荣幸可以与来自世界各地的专家交流，他们在各自专业领域有非常深厚的积淀，经验丰富且有实践意义。在BSI，我们可以花费很多时间争论技术问题，以及讨论如何编写一套最完美的标准测试方法，以期它可以被具有一定技术能力的人理解和运用，并希望这些做了同样工作的人能得到一致的结果。在国际标准方面，我们必须商定一种各代表团成员都可以接受的测试方法；在参与国（或地区）的现行标准中可能有几种方法供选择。当然，每个专家都会倾向某种特定的办法，尤其是如果该方法已在该参与国（或地区）中被采用。大多数情况下，条件和方法的差异会产生不同的结果。我们会与一群文化和背景各不相同的国际专家详细讨论这些问题，而且英语往往不是他们的母语。讨论出来的方法必须可以在日本、英国、美国、加拿大、斯堪的纳维亚、法国、德国、意大利以及其他任何参与国（或地区）代表团的专家所在地区迥异的气候等条件和工作实践中被采纳。在大多数情况下，最终产品必须能翻译成专家的母语以供出版。我们发现，一些常见的英语表达很难直译，或者无法在其他语言下阐述清楚。同一个英文短语或单词对美国人和英国人来说甚至可以有不同的含义，这就导致需要花费较长时间讨论对某个句子的最佳措辞！
21世纪初，ESDA标准在电子行业被广泛接受，使用范围从北美延伸到世界上的其他地区。IEC TC 101第5工作组在与之合作的ESDA标准化专家的支持下，决定重写IEC 61340-5-1，并与ANSI/ESD S20.20进行非正式协调，这是该标准修订过程中具有里程碑意义的决定。随后的进一步协调简化了ESD协调员（尤其是跨国企业ESD协调员）的责任。
随着时代的发展，电子设备中常用的元器件越来越容易受到ESD损伤。操作、存储或运输此类元器件的设施和过程的类型越来越多。这意味着设计、实施和维护ESD控制程序的人员越来越有必要掌握、分析和制定针对ESD风险的有效保护措施。
在本书的创作过程中，我意识到我正在努力编写的正是自己在第一次接触电子工业中ESD控制主题时想要找到的书。本书旨在帮助读者了解ESD控制的原理和实践，以便他们能够做出必要的决策，设计出符合当前ESD控制标准的有效和优化的ESD控制程序。要做到这一点，需要了解防静电设备和材料的用途，以及如何规定和测试它们是否能完成预期的任务。如果读者希望进一步提高自己的知识水平，参考资料和延伸阅读应该可以提供一个很好的起点。最重要的是，希望本书能帮助读者发现这个被认为是神秘“黑魔法”的静电领域实际上是以可靠的工程原理为基础的，他们可以自信地学习和应用这些工程原理。
ESD会对很多具有ESD敏感性的现代电子元器件、组件或模块造成损伤或破坏。
自从电子制造领域引入金属-氧化物-半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）技术，ESD敏感性就成为人们普遍关注的焦点，半导体体积的减小和集成电路（Integrated Circuit，IC）的发展进一步提高了人们对ESD敏感性的重视程度。1979年，美国组织召开了第一次过电应力/静电放电研讨会（Reliability Analysis Center, 1979）。1980年，该研讨会发布了涉及理论和实践、设备故障分析和研究、故障机制和建模、设备防护网络设计、ESD控制实施、设施评估和有效培训等多个主题的论文（Reliability Analysis Center, 1980）。标准文件和技术手册也在这一阶段问世。标准文件给出了ESD控制程序的规范，技术手册则归纳了用户培训和ESD控制程序设计所需的技术数据和参考资料。对半导体器件和显示器的制造商而言，颗粒污染物的静电吸引（Electrostatic Attraction，ESA）是一个问题。对于电子操作系统，ESD会产生电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI），从而导致系统崩溃、故障或数据损坏。
因此在电子元件和操作系统中，对ESD问题的关注可以分为两个领域。电子元件、组件和系统制造领域中的ESD控制主要需要防止在未加电、非操作状态下的损坏，并确保产品以良好的状态交付客户，且产品的外观或可靠性不受影响。这一领域的ESD控制可以进一步细分为以下3个研究方向：
● 在晶圆级半导体制造过程中，影响产品产量和质量的ESD问题；
● 在电子元件、组件和系统制造中，影响产品产量和质量的ESD问题，有时也称为“工厂问题”；
● 通过设计使半导体器件的ESD承受能力达到目标水平。
电子系统工作过程中的ESD干扰和损伤通常被视为电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）领域的一部分，由另外的团体负责研究。在某些地区（如欧洲），电子产品须进行ESD抗扰度测试，该测试结果将作为电子产品投放市场的适应性评价（以及CE认证）的一部分（Williams, 2007）。
然而，不同领域之间有一定的重合，而且重合的内容经常混淆不清。在制造过程中，由ESD引起的EMI会对生产测试设备造成干扰，导致产品报废，从而降低成品率。在EMC的ESD测试中，在裸露的电路连接器上产生的ESD可能导致部件或系统硬件故障，并可能对连接到外界的组件的ESD鲁棒性提出要求。
本书主要讨论如何进行ESD控制程序的设计与维护，以保护在电子系统和部件制造过程中的ESDS器件，属于ESD控制的“工厂问题”范畴。本书可作为手册或实用指南，供电子公司以及接触未受保护的ESDS器件的人员使用。同时，本书提供充分的背景资料和技术分析，帮助读者掌握有效ESD控制的原理和实践。
本领域的从业人员技术背景多样，对电子电气专业的理解能力不一。许多人可能具备基本的ESD控制意识，但并没有机会学习ESD控制课程。令人意想不到的是，在本书出版之前，很少有高校在电子相关课程中设置ESD控制知识内容。而且，行业课程也仅能帮助人们提升基本的ESD意识，很少能深入探讨ESD控制这一主题。纵观全世界，对想要深耕该领域的人而言，相关的课程和资格认证仍十分匮乏。
因此，笔者尝试尽可能深入浅出地诠释ESD控制这一主题，以使那些相关理论基础相对薄弱的人也能轻松理解；同时对背景理论进行充分的描述，以便读者理解相关材料，并为那些希望对该主题进行更深入研究的人员提供参考资料和延伸阅读材料。笔者这样做的目的是揭示和澄清这个通常被认为是神秘“黑魔法”的静电领域背后的原理。基于上述多方面原因，笔者开始尝试撰写本书—— 一本适用于电子行业ESD控制初学者的书。
当前，制定ESD控制程序的常见思路是遵循ESD控制相关标准（如ANSI/ESD S20.20或IEC 61340-5-1）的要求。人们往往认为该做法能够确保将产品的ESD损伤控制在一定范围内。虽然该做法具有一定的可行性，但如果在知识不足的情况下采用该做法，可能导致ESD控制程序优化程度不高或无法解决所有的ESD问题（Smallwood et al., 2014; Lin et al., 2014）。只有掌握并理解相关知识才有可能实现并维护有效且持续优化的ESD控制程序，操作的成本也普遍较低。然而，遵循ESD控制相关标准的要求是有优势的，有助于证明（尤其是向客户证明）在生产设施中进行ESD控制的严谨性。因此，本书用相当的篇幅来讨论如何制定普适且遵循ESD控制相关标准要求的ESD控制程序。通常认为正确规定且符合上述标准的ESD控制程序，足以保护耐受电压低至人体模型（Human Body Model，HBM）100V的ESDS器件，同时能够解决带电金属物体和带电设备引发的最常见的ESD风险问题。
随着时间的推移和器件技术的发展，易受ESD损伤的器件对静电愈发敏感。日后，随着电子制造、组装和维护过程中越来越多的ESDS器件需要操作，人们通过学习和理解（而不是死记硬背）应用标准技术来设计ESD控制程序的重要性会越来越高。随着ESD控制技术和标准的发展，大量的研究工作对面向耐受电压HBM 2kV、机器模型（Machine Model，MM）200V的芯片级ESD防护网络提供了降低器件ESD敏感度方面的支持（Industry Council, 2011）。21世纪初，ESD目标等级行业委员会（Industry Council on ESD Target Levels）成立，成员包括来自IC制造、电子组装公司的人员以及业内的独立顾问。面对ESD耐受水平实现难度加大的现状，加之相信现代电子制造公司的ESD控制程序通常能够达到标准的保护水平，ESD目标等级行业委员会建议将芯片级目标保护水平降至HBM 1kV、MM 30V和带电器件模型（Charged Device Model，CDM）250V（Industry Council, 2011; Industry Council, 2010a; Industry Council, 2010b）。同时，由于各种原因，许多分立元件和IC没有芯片级ESD保护，或者ESD耐受电压水平更低。在技术变革以及认为业内能够处置耐受电压低的ESD元件这一观点的驱动之下，降低芯片级目标保护水平似乎成为首选方案。
虽然本书的主要目的是为业内工厂的工作人员提供支持，但笔者希望本书能够促进并推动高校以及继续教育组织设置ESD控制相关的课程，以供那些希望从事电子生产及相关工作的人员进行选择。
本书并不冀望能够解决半导体芯片和器件制造中的静电和ESD控制、器件的ESD保护设计等方面的全部问题。特别是对于前者，截至本书（英文版）成稿之时，关于该主题的为数不多的图书尚没有充分涵盖相关内容，但在更关注技术领域的图书中对其进行了更深入的讨论（Welker, 2006）。在一些专业图书中也对器件设计这一主题有更加全面而深入的介绍（Amerasekera et al., 2002; Wang, 2002）。
在其他图书中，系统的ESD抗扰度通常被视为EMC问题的一部分，在对仅限于ESD工厂问题这一主题的领域进行论述时，ESD抗扰度会被作为独立的一部分。与ESD控制相比，该领域更加关注电子系统的ESD抗扰设计（Ind. Co. White paper 3; Johnson et al., 1993; Montrose, 2000; Williams, 2007）。
在其他行业，如爆炸物和易燃材料处置（后者在欧洲被称为“ATEX”），也需要进行静电控制，通常由该行业相关标准或法规约束。本书对此有提及，但只是为了引起对可能存在混淆的领域的注意，从而避免一些诸如设备选型和采购等工作的失误。
虽然可以采取“从头到尾”逐章通读的方式阅读本书，但对读者而言，更可能的情况是在从事ESD控制相关工作的过程中，根据自身对不同主题内容的学习需要，对特定的章进行“翻阅”。本书在编写时考虑到了这一情况。书中的每章后都提供参考资料，以供希望对该章主题进行更深入研究的读者使用。
每个专业学科都有自己的一套专业术语，或者会以特定的习惯使用特定的术语。本书第1章介绍并定义ESD控制中常用的术语。尽管这一章对本领域的关键概念和术语进行概述，但在阅读其他章的过程中，仍可能需要通过查阅第1章来对术语的含义进行修正或澄清。这就是为什么将定义及其术语放在一章中给出，而不是在各章节中按照需要对术语进行定义和解释。接着，第2章对静电与ESD控制原理进行更加详细的阐释。
第3章讨论ESDS器件，以及如何测试器件的ESD敏感度；综述器件ESD敏感度的范围和当前发展趋势；归纳应用于ESD失效器件的分析；简要介绍文献中的一些ESD失效研究。
第4章总结高效ESD防护的七个习惯。这是笔者多年来在ESD培训工作中归纳的一套进行有效ESD控制的必要做法。如果这些做法能够有效地、常态化地实施，ESD控制程序就有望持续有效。忽视其中任何一个“习惯”，都有可能影响ESD控制程序的有效性。
大多数基础ESD控制技术和标准主要针对的是人工处置中易受ESD影响的器件、部件和组件。第5章将讨论的内容扩展到自动化系统、过程和操作中的ESD控制，这些环节也是现代电子制造的主要构成部分。
第6章阐释本书编写时IEC 61340-5-1和ANSI/ESD S20.20 这两个ESD防护标准给出的方法和要求。这些标准会随着时间的推移而不断更新，因此建议读者在使用时检索现行有效的版本。
第7章概述用于防静电工作区（Electrostatic Discharge Protected Area，EPA）中常规ESD风险控制的设备与设施。这一章主要介绍它们通常是如何作为系统的一部分来协同工作的，同时强调必须牢记这一点。
防静电包装本身是一个可以持续探索且不断延伸的主题，也是ESD控制中最容易被误解的内容之一。如今，防静电包装种类繁多，包括防静电袋、防静电箱、防静电气泡膜，以及自动化生产线的线带和卷轴包装。第8章对防静电包装进行简要介绍，并阐释防静电包装的原理和实践。
第9章对如何评估ESD控制程序这一棘手问题进行探讨，目标是符合标准要求、有效控制ESD风险，以及提升潜在的客户关切。
评估现有的ESD控制程序是一项具有挑战性的工作，而从零开始设计一套ESD控制程序也会面临其他难题。第10章对此进行探讨。
ESD控制相关产品认证和符合性验证是ESD控制程序的重要组成部分，第11章介绍符合ESD控制标准的测试方法。ESD控制程序可能还会用到一些标准中暂未明确提及的控制措施和设备。这一章也给出一些可用于这些措施和设备的测试方法的示例。
长期以来，人们一直相信ESD培训对ESD控制持续有效至关重要。第12章对此进行较深入的讨论，并介绍笔者在实践中用于帮助学员理解静电、ESD和ESD控制的一些演示和技巧。
最后，第13章对ESD控制可能的发展方向进行展望。
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感谢各位来自ESD控制和标准化领域的专家，在和他们沟通和探讨的过程中，我进一步加深了对相关知识的理解。我还要感谢所有的客户和课程参与者，他们向我提出了很多具有思辨性的问题，促使我去澄清、诠释和证明在各种情况下行之有效的ESD控制技术。
特别感谢David E. Swenson对本书进行点评、提供照片等材料并撰写推荐序，以及长久以来我们之间开展的那些富有启发性的讨论。David完成了一项非凡的壮举，他几乎把本书的所有章节至少通读了一遍，编写了很多注解，帮助我纠正了很多内容和印刷方面的错误，并补充澄清了一些要点，这在总体上改进了我的图书编写工作。
还有几位朋友和同事也非常热情地阅读和评论了本书的各个章节，并对我所做的这项工作表示鼓励。尤其感谢Rainer Pfeifle、Charvaka Duvvury和Christian Hinz，他们分别对各个章节进行了详细的审查并发表了意见。Bob Willis撰写了评语，Charles Cawthorne热情地给我提供了其ESD培训材料中的一些图片素材。Lloyd Lawrenson热心地给我提供了Kaisertech设备，用于拍摄照片。感谢ESDA的Lisa Pimpinella授权我将2016年ESDA静电放电技术图谱的数据收录在本书中。
最后，同样重要的是，感谢我的妻子Jan，她包容了我在全神贯注于工作时对她的心不在焉和疏于沟通，也感谢我的女儿Alia在本书筹备出版过程中对照片改进所做的协助。
与其他专业领域一样，静电防护领域有许多术语是专属的“行话”，这些术语有时候会让初学者感到困惑。与通俗的表述有所不同的是，有些“术语”在标准或文件中具有特定的定义。本章的目的并不是给出这些术语的严谨定义，而是帮助初学者学习本书。
同一术语在不同的行业中存在一定的差异。例如，“导电性”“静电耗散性”“绝缘性”“抗静电性”这些术语的定义对不同行业领域、不同标准规范、不同静电放电（Electrostatic Discharge，ESD）控制产品背景的人来说可能各有不同。在大多数情况下，特别是在基于IEC 61340-5-1和ANSI/ESD S20.20及相关标准的活动中，这些术语的适用范围仅限于ESD控制工作。
监督ESD控制程序的任务通常会交给具备一定技术和教育背景的人员。因此，本书假设读者具备基本的技术知识储备。
尽管如此，本书还是对使用的一些术语在适当的情况下给出了基本数学关系定义。这是因为简单的数学通常有助于说明问题，在某些时候可以帮助用户理解和制定ESD控制程序。这些术语的实际重要性和应用将在第2章中进一步讨论。
在涉及ESD的日常工作中，我们经常会遇到特别大或特别小的数值。例如，测量材料的电阻为10 000 000 000Ω。用科学记数法和国际单位制可以清晰地将这些数值表示出来。
在科学记数法中，数值用a×10b的形式表示，其中
，b为整数。通过表1.1中电阻和电容的示例，可以很容易地理解这种表示方法。有时，当a为1时，它可以被省略。
表1.1 科学记数法和国际单位制使用示例
| 数值 |
科学记数法 |
国际单位制 |
|---|---|---|
| 150Ω |
1.5×102Ω |
150Ω |
| 22 000Ω |
2.2×104Ω |
22kΩ |
| 35 000 000Ω |
3.5×107Ω |
35MΩ |
| 1 000 000 000Ω |
1.0×109Ω或109Ω |
1GΩ |
| 1 000 000 000 000Ω |
1.0×1012Ω或1012Ω |
1TΩ |
| 0.000 022F |
2.2×10−5F |
22μF |
| 0.000 000 001F |
1.0×10−9F或10−9F |
1nF |
| 0.000 000 000 15F |
1.5×10−10F |
150pF |
| 0.000 000 000 001F |
1.0×10−12F |
1pF |
电荷是组成物质的基本粒子（质子和电子）的固有属性。原子由带正电荷的原子核和带负电荷的电子组成（Cross, 1987）。我们把质子上的电荷称为正电荷，把电子上的电荷称为负电荷。质子与电子的电荷效应相等但极性相反，因此如果原子中存在1个质子和1个电子，则二者电荷效应恰恰相互抵消，这时原子呈中性。不同元素的原子可以含有不同数量的质子和电子，具体情况取决于元素本身的特性。例如，氢原子有1个质子和1个电子，碳原子有12个质子和12个电子。物质就是由大量的原子和同等规模的电子结合而成的。
当提到静电时，人们常说它是在某种环境条件下“产生”的。事实上，电荷并不能“产生”或“消失”，而静电只是一小部分负电荷与其对应的正电荷分离，并出现在不同地方。当一个位置出现负电荷，必然有一个正电荷同时出现在其他位置。所谓带电，是指物体中的正负电荷不再平衡，出现了“净”电荷。
电荷的单位是库仑（C）。在实际应用中，库仑是一个相当大的电荷单位，微库（μC，10−6C）、纳库（nC，10−9C），甚至皮库（pC，10−12C）更常用。单个电子或质子的电荷为1.6×10−19C。即使具有1nC净电荷的物体也包含6.2×109个电子或质子。
离子是带有电荷的微小粒子，它们可以自然存在于空气中，也可以在高压物体周围主动或被动地产生。
电荷自然存在于原子中。原子核中的质子带正电荷，原子中的电子带负电荷。如果粒子捕获了一个或多个电子，便形成了负离子。如果粒子失去了一个或多个电子，便形成了正离子。离子可以由自由电子、单个原子、多个原子，甚至分子组成（Wikipedia, 2018）。有时离子会吸附在更大的粒子上。
电荷的不平衡导致出现了电位差。
电荷之间相互作用并产生静电场，不同电荷在静电场力的作用下相互排斥或吸引：同性电荷相互排斥、异性电荷相互吸引。
如果一个区域内积聚了大量同性电荷，它们就会相互排斥；如果电荷能够自由移动，它们就扩散并逐渐消散。异性电荷则会相互吸引并逐渐聚合。
当等量的异性电荷足够接近时，对外的静电场效应相互抵消，这就是通常所说的电荷被中和了。
在电场力的作用下，单位电荷从一点移动到另一点所做的功称为这两点间的电压（Cross, 1987）。如果电荷量为Q的电荷在均匀电场E中，从a点移动一段距离s抵达b点，则开始位置a和结束位置b之间的电位差是：
V=QEs
无论电荷的移动路径如何，在两点间移动所做的功是一样的。电位的单位为伏（V），1V=1J/C（1V等于对1C的电荷做了1J的功）。电压是两点间的电位差，类似于流体系统中两点间的压力差、重力系统中两点间的高度差。
工程师们常说的导体的电势（导体的概念见第1.7.3节）与电压具有同样的含义，但该说法在严格意义上并不正确，因为电势是将电荷从无穷远处移动到测量点所做的功（Jonassen, 1998）。
电压（电位）的测量必须有一个固定参考点。在实践中，经常把大地作为零电位的参考点（见第1.5节中对接地的介绍）；方便起见，大地的电位通常被定义为0V。如果没有特别说明，电位一般都是相对地（地球表面）而言的。
电荷周围空间中的所有点都存在电压，每个点的电压与其相邻点的不同。对于导电表面，如果最初不是等电位的，电压差将导致电荷的流动（电流），直到导体表面上的电压处处相等。因此，处于平衡状态下的导体表面是一个等势面。
任何电荷的周围都存在一个影响区域——电荷产生的电场（静电场），在这里可以观察到各种静电效应。电荷是静电的基本来源，静电场反映了电荷源对周围环境的影响。在电场中，我们发现：同性电荷相互排斥；异性电荷相互吸引；导体（如金属）表面的电荷将重新分布，在电场的作用下形成电位差；许多物质的粒子在电场中会被排斥或吸引。
静电现象就是基于上述效应而产生的。
尘埃粒子和小物体在电场中会被吸引或排斥，尤其是在它们自身带电的情况下（如空气中的电离颗粒）。带电粒子q在电场E中感受到的电场力F为（Cross, 1987）：
F=qE
如果等量的正电荷和负电荷相距足够近，从一定距离上看它们的电场效应相互抵消，对外不表现出带电特性，这种现象被称为电中和。
物体周围的静电场和电位不容易可视化。一种能够将其可视化的方式是通过使用电场线和等电位线来表示。电场线表示一个小电荷在电场力作用下自由移动的路径。电场线始终与导体表面垂直（呈90°夹角）。
如图1.1所示，球形带电导体的电压为V。图1.1所示的每个点都具有一定的电位，电位的大小取决于将一个单位电荷移动到该位置所需的功。如果将图1.1所示的等电位点连接起来，就形成了等电位线（三维空间中则形成等电位面）。如同在地图上画出山丘的等高线一样，将电位按照强弱高低勾勒出轮廓，可以标记出一系列等电位面。等电位线始终与电场线垂直（呈90°夹角）。
图1.1 球形带电导体周围的电场线与等电位线
电场中的等电位线就像地图中的等高线一样，是势能的一种表示形式。如果在光滑的山坡上释放一个小球，它将沿着垂直于等高线的方向滚下山坡。同样地，在电场中放置一个相同极性的电荷（如将一个正电荷靠近正的高电位），它将沿着垂直于电位线的方向，从高电位向低电位移动。类似的移动路径形成了电场线。电场的强度取决于电场线和等电位线的距离。
电场强度E（矢量，具有方向和大小）是电压V在距离s上的梯度。因此，电场强度的单位为V·m−1。
在图1.1中，如果球形带电导体足够小，小到可以忽略其体积，则可以将其看作一个点电荷。点电荷的带电量为Q，在与点电荷的距离为r处的电场强度符合库仑定律（Cross, 1987）。
可以看出，电场强度随着与点电荷距离的增加而快速衰减，衰减速度与r2成反比。通过观察点电荷电场线的发散趋势也可以得出同样的结论。我们认为电场线始于静电荷、终于静电荷。电场线的密度越高，电荷密度也就越大，静电场的电场强度便越强。
对于其他非球形的带电导体，等电位线不再是圆形，电场线不再是直线而是曲线。但电场线仍始终垂直于等电位线，也始终垂直于带电导体的表面。
在图1.1中，8条电场线穿过了等电位线。这些电场线原则上都是由电荷源产生的。因此，穿出表面的电场线与内部净电荷总量有关。高斯定律将其进一步推广为：垂直于表面的电场分量与表面所含的电荷成正比。如果希望获得更多的信息，读者可以参考其他学术资料，如（Cross, 1987）。
正如第1.2.3节所述，电荷在静电场中将受到静电场力的作用。因此，带电粒子或物体在电场中所受的电场力与其带电量成正比。这就导致带电粒子或物体将吸引或排斥其他物体，而这些物体中可能是有洁净要求的产品。这种效应称为静电吸引（ESA）。
还有一种鲜为人知的现象可以导致静电吸引或排斥，那就是介电电泳（Cross, 1987）。根据介电电泳现象，由于粒子与环境材料的介电常数存在差异，不带电的粒子也可以在发散或者收敛的静电场中被吸引或排斥（Cross, 1987）。
根据库仑定律，由点电荷引起的电场强度与电荷量成正比，与距离的平方成反比（Cross, 1987）：
介电常数
被定义为下列公式中的一个常量：
真空介电常数为
≈8.8×10−12F·m−1，空气的介电常数与之非常接近。不同材料具有不同的介电常数，对电场强度的影响也各不相同。一般来说，材料的介电常数均比空气要大。相对介电常数
以空气的介电常数为标准，由下列公式得出：
聚合物的相对介电常数范围通常为2～3，也有许多材料的相对介电常数在2～10的范围内。陶瓷等材料则具有更高的相对介电常数。
移动的电荷产生了电流。如果1s内有1C的电荷通过导体横截面，就会产生1A的电流：
Q=It
对于变化的电流，则有：
因此，有：
IEC 61340-1:2012中将静电放电（ESD）定义为“不同电位的材料或物体由于直接接触或发生击穿而出现的电荷转移现象”。IEC 61340-5-1:2016a中给出了稍微不同的定义，将ESD定义为“电荷在不同电位带电体之间的快速转移”。
各种类型的ESD在不同的领域中都有很重要的意义。电子工业ESD主要关注的类型有：静电导体（材料）间的火花放电；静电导体与绝缘体间的刷形放电、与尖锐导体（材料）的电晕放电。
本书将在第2章中进一步讨论ESD。
不同来源的ESD会产生不同的放电电流波形，这些都可以通过简单的电子电路进行建模和仿真。为了测试电子器件的ESD敏感度，人们已经开发并标准化了3种ESD模型：人体模型（Human Body Model，HBM）、机器模型（Machine Model，MM）和带电器件模型（Charged Device Model，CDM）。这将在第3章中进一步讨论。
ESD事件会产生非常大且快速变化的电流和电压。快速变化的电流和电压将导致快速变化的电磁场，电磁场具有很高的电场分量和磁场分量并伴有很宽的频谱，其频率有时可达到吉赫兹级。它们能够通过辐射或传导影响附近的电子产品，并可能造成电子产品的暂时故障。这就是所谓的电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）。
发生ESD是因为物体之间存在电位差。如果物体之间不存在电位差，则不会发生ESD。
因此，防止ESD的一种方法是消除物体之间的电压差。如果两个物体是导体，可让它们通过电气连接处于相同的电位。如果两个物体的电位不同，由于电气连接，电荷会在电压作用下流动，直到两个物体之间的电压差为0。将导体连接在一起以消除电压差的做法称为等电位连接。
将两个不同电位的导体进行电气连接时，电压差将导致ESD发生。如果其中一个导体是ESD敏感的，就可能会有损伤的风险。因此，为防止受到ESD损伤，ESDS器件必须通过接地等方式连接到其他导体上。
在实际工作中，其中的一个导体可能已经电气连接到室外大地上，或者具备连接到室外大地的便利条件。在供配电系统、静电学和静电防护工作中，通常将大地的电位定义为0V。因此，将所有的导体连接到室外大地是最常见的做法。这时的“地”默认为大地，连接室外大地就是通俗所称的“接地”。
不同行业对接地电阻的要求不同。电气工程领域往往需要小于10Ω的接地电阻，电磁兼容工程师则希望保持从直流（Direct Current，DC）到数百MHz，甚至GHz级别的甚低阻抗，静电防护工作则仅要求直流接地电阻的大小在109Ω以下即可。
ESD控制工作中可能会遇到不同类型的接地。在IEC 61340-5-1:2016a和ANSI/ESD S20.20-2014等静电标准涉及接地的条目中，提到了如下方式：电气接地（供配电系统的安全接地线）、功能接地（如一根插入地下的铜棒）、等电位连接。
能量是指做功的能力。物理学中有各种类型的能量，其中包括热能、光能、引力能、机械能，当然也包括电能。
机械能的函数表达式是力与距离的乘积。在电场E中，在带电量为q的点电荷上施加一个力qE，使其从A点到B点的运动距离为s，则点电荷从A到B所做的功WAB为：
WAB=qEs
W表示功（能量），它也可以表示为功率P与持续时间t的乘积：
W=Pt
功率可表示为电压与电流的乘积：
P=VI
因此，电能可表示为：
W=VIt
在直流电路中，电阻是施加到电路或材料的直流电压与流经它的电流之比，可以由欧姆定律得出：
表面电阻率
是材料的一种表面特性，它在数值上等于以单位长度为边长的正方形材料表面的理论电阻，可通过在正方形材料的两个对边上施加电压的方式测得（见图1.2）。在材料表面上放两个长为w、距离为d的平行电极，则两电极间的材料表面电阻Rs与d成正比，与w成反比，可用下式表示：
当
时，
。
图1.2 表面电阻率的定义
表面电阻率的单位是欧（Ω）。有些行业中，表面电阻率的单位也被表述为欧·平方米−1（Ω·sq−1）。这个单位表示表面电阻率与被测正方形的大小无关，而是材料的表面属性。
实际应用中，有些标准采用同心环电极测量表面电阻率的方法，如IEC 62631-3-2（International Electrotechnical Commission, 2015）、IEC 16340-2-3、ANSI/ESD STM11.11（EOS/ESD Association Inc, 2015a）。这些内容将在第11章讨论。
表面电阻是在被测表面的两个电极之间测量的电阻。电极可以是任何形式的。有时，这种测量会使用设计成固定样式的电极，因此从表面电阻到表面电阻率的转换只需经过一个简单的换算。在ESD控制实践中，通常不需要将表面电阻转换成表面电阻率，而是直接使用规定的标准电极测得表面电阻。
体积电阻率是材料的体积特性，在数值上等于单位边长立方体的电阻，将电压施加到立方体的两个相对面上即可测得（见图1.3）。
图1.3 体积电阻的定义
通过体积电阻率
可以计算出体积电阻
。假设电极的表面积为A，材料厚度（两电极间距离）为t，那么有
当
或t/A=1时，
。
体积电阻率的单位是欧·米（Ω·m）。材料的体积电阻率通常简称为电阻率。
实际工作中，IEC 62631-3-1（International Electrotechnical Commission, 2016c）、IEC 61340-2-3（International Electrotechnical Commission, 2016b）、ANSI/ESD STM11.12 （EOS/ESD Association Inc, 2015b）等标准采用同心环电极测量体积电阻率的方法。这些内容将在第11章讨论。
体积电阻是指在材料的相对面之间测量到的电阻。测量电极可以采用任何合适的形状。为方便体积电阻与体积电阻率之间的转换，测量电极有些会被设计成固定样式。在ESD工作中，通常不需要将体积电阻转换成体积电阻率，而是直接使用规范化的标准电极即可测得的体积电阻。第11章将给出表面电阻与体积电阻的测量方法示例。
电导率
是电阻率的倒数。
电导率单位为西·米−1（S·m−1）。
材料的电阻率可以从10−8Ω·m（如铜的电阻率）到大于1015Ω·m（如云母、石英、聚四氟乙烯、聚乙烯等的电阻率）。
静电学没有给出绝缘体和导体的基本定义。实际上，从高导电（低电阻）材料到高绝缘（极高电阻）材料的电阻率是连续的。不同工业领域对某种材料是否具有绝缘性有着不同的理解。
在静电防护领域中，导体是一种允许电荷在其表面或内部移动的材料，它可以将电荷从一个位置传输到另一个位置。绝缘体（非导体）是一种不允许电荷在其表面或内部移动的材料。
实际工作中，有些在其他领域被视为“绝缘”的材料在静电防护工作中可能被认为具有显著导电性。结合多年的工作经验，笔者提出了可用于静电防护和ESD控制领域的如下定义：
● 导体是一种材料，它允许电荷快速移动，以避免产生明显的静电荷积聚；
● 绝缘体是非导体材料，换言之，它是不允许电荷快速移动以避免产生明显的静电荷积聚的材料。
导体接地后可以很容易保持在低电压状态。然而，静电学上的绝缘体不能通过接地保持在低电压状态。绝缘体材料上的电荷不能很快移动到接地连接处，从而无法在所需的时间尺度内传导出去。
我们通常根据测量到的电阻或电荷衰减时间，把材料或设备定义为导体或绝缘体。这将在第2章中进一步讨论。
表1.2整理了导电性、静电耗散性、绝缘性和抗静电性的含义在电子制造ESD控制应用中的差异。使用这些术语时要谨慎，因为它们在不同的上下文语境中可能有不同的定义，对不同的人而言也可能有不同的含义。当在标准中进行定义时，精确的术语也可能随着标准升级成新版本而发生改变。
表1.2 导电性、静电耗散性、绝缘性和抗静电性的含义在电子制造ESD控制应用中的差异
| 术语 |
应用 |
通用参数 |
IEC 61340-5-1:2016a |
ANSI/ESD S20.20-2014 |
|---|---|---|---|---|
| 导电性 |
日常应用 |
R<106Ω |
未定义 |
未定义 |
| 防静电鞋 |
R<106Ω |
未定义 |
未定义 |
|
| 防静电地板 |
未定义 |
未定义 |
||
| 防静电包装 |
表面电阻小于104Ω |
表面电阻和体积电阻小于104Ω |
||
| 静电耗散性 |
日常应用 |
106Ω<R<1011Ω |
未定义 |
未定义 |
| 防静电鞋 |
R≥106Ω |
未定义 |
未定义 |
|
| 防静电地板 |
未定义 |
未定义 |
||
| 防静电包装 |
表面电阻大于或等于104Ω且小于或等于1011Ω |
表面电阻和体积电阻大于或等于104Ω且小于或等于1011Ω |
||
| 绝缘性 |
日常应用 |
R>1011Ω |
未定义 |
未定义 |
| 防静电鞋 |
未定义，但默认大于108Ω |
未定义，但默认大于109Ω |
||
| 防静电地板 |
未定义 |
未定义 |
||
| 防静电包装 |
表面电阻大于或等于1011Ω |
表面电阻和体积电阻大于或等于1011Ω |
||
| 抗静电性 |
日常应用 |
用于静态控制的材料统称；几乎可以泛指任何物体 |
未定义 |
材料抑制摩擦起电的性能（ESD ADV1.0-2009） |
| 防静电鞋 |
注：ISO 20345已对过程工业危险工作进行定义 |
未定义 |
未定义 |
|
| 防静电地板 |
未定义 |
未定义 |
||
| 防静电包装 |
未定义 |
与标准包装材料相比，电荷积累量更少 |
如果考虑到这些术语在其他行业和特定产品中的使用，情况就会变得更复杂（见表1.3）。一般来说，除非标准规定这些术语是ESD控制系统的一部分，否则其含义应被视为不准确的。
表1.3 在不同行业ESD控制中导电性、耗散性和绝缘性的概念差异（IEC 60079-32-1:2013）
| 物体 |
测量方法 |
导电性 |
静电耗散性 |
绝缘性 |
|---|---|---|---|---|
| 材料 |
体积电阻（Ω） |
<105 |
105≤Rv＜109 |
≥109 |
| 衣服 |
表面电阻（Ω） |
— |
Rs<2.5×1010 |
Rs≥2.5×1010 |
| 鞋子 |
漏电阻（Ω） |
<105 |
105≤RL＜108 |
RL≥108 |
| 手套 |
漏电阻（Ω） |
<105 |
105≤RL＜108 |
RL≥108 |
| 地板 |
漏电阻（Ω） |
<105 |
105≤RL＜108 |
RL≥108 |
在静电防护工作中，可以通过简便的测量去评估材料或设备的表面特性。一种测量点对点电阻的简便方法是在被测表面上放置两个电极并测量它们之间的电阻，电极通常是圆柱形的。这种方法称为点对点电阻测量。该方法一般作为标准化的基础测量方法。第11章将给出点对点电阻测试方法的示例。
如第1.5节所述，在ESD控制工作中，消除或控制导体上的电压需要提供对地泄放路径。这时通常需要知道从材料或表面到地的电阻，以帮助掌握泄放路径对电荷的泄放能力。材料表面对接地点的电阻称为对地电阻。第11章将给出相关测量方法的示例。
在实际工作中，接地路径的电阻可能由多处组件连接而成。如果它们有效地串联在一起（见图1.4），则对地电阻是叠加所有组件的电阻（R1,…,Rn）得到的总电阻Rtot。
图1.4 电阻的串联
如果这些电阻是并联的（见图1.5），则总电阻Rtot的倒数等于所有组件的电阻（R1,…,Rn）的倒数之和。
图1.5 电阻的并联
导体上的电压V与导体所存储的电荷Q之间的函数关系为：
CV=Q
变量C代表导体的电容。在静电学中，任何导体都有电容，电容用来表示该导体所存储的电荷和导体上的电压之间的关系。
实践中，物体的电容会随着与其他导体和材料的距离而变化（见第2章）。
带电的电容可以存储能量。对于电容为C的电容，当电压为V时，存储的能量W为：
W=0.5CV2
也可以表示为：
W=0.5QV
自由空间中的物体（附近没有任何东西）同样具有电容。对于空气或真空中半径为r的球形导体，其电容C为：
实际上，一个物体的电容可能是由于该物体的一部分与其他物体发生关联而产生的。如果物体之间的电容是并联的（见图1.6），则总电容Ctot等于各个物体的分电容（C1,…,Cn）相加：
Ctot=C1+C2+…+Cn
图1.6 电容的并联
如果物体之间的电容是串联的（见图1.7），则它们的总电容为：
图1.7 电容的串联
ESD控制中的“屏蔽”一词的使用方式不同于其他学科，特别是区别于EMC和射频领域。ESD控制中的屏蔽定义和测试通常取决于所使用的标准。一般而言，屏蔽用于描述包装对外部静电场或ESD能量的衰减能力，在包装内部进行测量。这将在第8章中进一步讨论。
在绝缘体上施加低电压，由于材料的电阻率高，电流将会非常小。然而，当电压增加到某一特定值时，电流会突然增加到非常高的水平。这种情况下，电流通过材料微小导电通路时，导致材料发热。对于固态材料，电流会导致材料熔化或损坏。这种现象就是材料的介质击穿。
介质击穿一般都需要在极高的静电场的电场强度（简称静电场强）作用下才能发生。平板电极的空气击穿强度约为3MV·m−1或3kV·mm−1。弯曲或尖锐的电极的空气击穿强度则要低得多。大多数绝缘固体的击穿强度远高于空气的。聚乙烯的击穿强度约是20MV·m−1[IEC 61340-1（International Electrotechnical Commission, 2012）]。
空气的相对湿度（Relative Humidity，RH）或露点对静电有很大的影响（相对湿度的影响见第2.3.5节）。在特定的温度下，处于湿气平衡状态下饱和空气中含有的水蒸气是由特定温度决定的（Lawrence, 2005）。水的饱和蒸汽压和饱和空气的含水量会随着温度的升高而增加。这种饱和状态被定义为100%相对湿度。空气的相对湿度低于饱和湿度，由下列公式给出：
饱和空气的含水量会随着温度的升高而增加，因此如果空气的含水量保持不变，则增加空气温度将导致相对湿度降低。相反，降低温度将导致相对湿度增加。
如果温度降到足够低，空气的含水量将最终达到饱和。当温度进一步降低时，可能导致水分子从空气中凝结到接触面或形成雾气，这个温度称为露点。
Cross, J. A. (1987). Electrostatics Principles, Problems and Applications. Adam Hilger. ISBN:0852745893.
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