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2019/5/11

靜電與除靜電裝置摘要分享

生產製造過程產生靜電的主要原因就是"磨擦",
只要有磨擦,物體就會產生靜電:


圖片來源:ESD Org

不僅固體與固體的磨擦會產生靜電,氣體與固體、液體與固體的磨擦都會產生靜電,
磨擦產生靜電的現象在絕緣物體、乾燥環境中特別明顯,也最容易觀察到:

帶靜電的貓,表面吸附絕緣的泡棉包裝材
圖片來源:Wiki
不過最近作實驗發現,即使沒有摩擦,只要材料有從接觸狀態分離的情況發生也會產生靜電,英文上稱為 "Triboelectricity",另外會有一篇說明:靜電產生與材料性質的關係分享(還沒寫完,預計2019/11/09晚上會上部落格)。

磨擦產生的靜電在導電性材料上會很快傳導到其他部位,
如果沒有地線或其他路徑將靜電消除掉,
靜電會均勻地分布在表面上,
如果有突起、尖銳的形狀,
在這些位置相對其他平坦的表面會很容易聚集電荷,

圖片來源:Lumen Physics


進而有更高機會與外界形成導電通道放電;

圖片來源:Lumen Physics

絕緣性材料因為靜電不會傳導出去,所以會逐漸累積,
直到另外一個導電性材料接近、碰觸到靜電累績區域時才會放電,
如果產生的靜電沒有消除,累積的靜電可能會高達數千伏特甚至數萬伏特以上。

所幸靜電的電壓雖然高,但是電量通常不大,對人體很少會造成致命的傷害,
最多被放電過程嚇到,或者是稍微麻一下...

但是對一些精密的電子元件來說,靜電的高電壓與微小電量已經足以造成這些精密的微小元件燒毀,
所以在半導體、FPD等等具有微小電子元件的產業上,
靜電防範被視為在生產製造過程中非常重要的課題。

在沒有微電子元件的產業上,雖然沒有電子元件被靜電擊穿燒毀的問題,
靜電卻會有吸附灰塵造成汙染的問題,
因此在要求潔淨度的光學元件、醫藥、食品、印刷等相關產業,
靜電防範依然是一個很重要、必須要注意的課題。

除了一些研磨加工設備以外,
一般在機構設計上都會儘量避免固體與固體的磨擦,
主要是怕元件或產品表面產生磨損跟刮擦傷,
但是兩個固體間的微磨擦還是難以避免,
這些微磨擦甚至是肉眼無法察覺的到,
通常這些磨擦量並不會很大,
產生的靜電在設備上通常也可以很快藉由設備上的金屬或導電性材料零件與接地裝置消散掉。

高潔淨度生產製造工廠中主要的磨擦有很大的來源來自空氣的流動,
就像"滴水穿石"的概念一樣,
空氣的流動在微觀的角度上就是氧、氮分子不斷互相碰撞,還有接觸固體表面再分離,
如前面圖片所示;
接觸與分離的過程中,分子的電子會因為動能而發生短暫的移動交換,
因為氣體是絕緣性的,有些移動的電子來不及回到氣體(或固體),
使氣體分子因為少或多了電子而變成帶正(負) 電荷的氣體離子,
相對的另外一邊的固體會累積負(正) 電荷,
因為氣流的不斷流動就會造成固體電荷不斷的產生,
如果產生的電荷無法流動或被中和,
產生的靜電電壓、電量就會不斷的升高。

在無塵室內由上往下吹用來控制潔淨度的氣流必須持續運作的,
也就是因為氣流產生的靜電是很難避免的,
大環境中對靜電的防範措施就是控制濕度不可以低於一個界限,
50%以上的濕度靜電會消散的很快,但是對鐵金屬來說容易生鏽,
超過 60% 甚至會很容易造成黴菌跟細菌的大量繁殖,
低於 30 % 很容易產生靜電的累積,人的皮膚也會很容易乾裂,呼吸道太乾燥等生理上不舒服的現象,
所以一般會控制在 40~45% 上下的溼度,
藉由空氣中微量的水氣分子讓靜電有機會在空氣環境中消散掉。
實際上的溼度會視製程跟生產材料特性需要作調整。

在設備裡面狀況會比在無塵室環境中更複雜,
原因是設備與產品的互動關係,一個是固體間的磨擦,一個是設備微環境控制用的氣流與固體元件的磨擦,
這些磨擦現象產生的靜電對產品的影響更直接,更危險!

因此在設備內經常會被要求增加主動性的靜電消除裝置,
多數的靜電消除裝置都是利用尖端放電的概念,

圖片來源:KOGANEI

另外還有一些使用"光"線的方式,包括EUV、Soft X-Ray等等,
直接將環境中的分子解離成電子與離子,中和元件表面的靜電,
好處是不需用氣流,也不會有電極消耗、清潔、保養、污染的問題。

圖片來源:HAMAMATSU

圖片來源:KOGANEI *1


Ref.
1. KOGANEI, Ionizer Technical Information Guidebook
2. Wiki, Static Electricity
3. ESD Association, 靜電放電概論
4. ESD, Tutorials
5. 交通大學柯明道教授,ESD Technology
6. SolidState Technology, Why control humidity in a cleanroom?
7. SUNJE Hi-Tek, Soft X-Ray ESD
8. HAMAMATSU, Photoionizer

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