静电学手册(第三册)

静电学手册第三册静电消除方法基础导体的静电消除方法绝缘体的静电消除方法静电消除器（电离器）的运行原理III静电消除方法基础·········································································III-2III-1导体的静电消除方法···································································III-2III-2绝缘体的静电消除方法······························································III-2III-3静电消除器（电离器）的运行原理········································III-4图3-1-1：接地电阻与释放时间释放时间常数τ是导体电容C和接地电阻R的乘积。无论接地电阻是10Ω或100Ω电荷都可以立即释放。电荷衰减的时间常数[秒]接地电阻[Ω]III-3III.静电消除方法基础静电实用手册III.静电消除方法基础III-1导体的静电消除方法如前章所述，只要两个物体接触就会发生电荷分离，从而产生静电。防止由静电产生问题的最佳方法是防止产生静电。然而，这在现实中是不可能的。切实可行的方法是最大限度地减少静电的产生或快速释放电荷。具体来说，一种是使用静电消除器（例如电离器）通过产生与带电物体相反极性的电荷来中和物体中的电荷，从而消除静电。另一种是通过增湿或接地从物体中释放静电。必须将两种手段结合起来以设计出一种合适的方法。抗静电方法要求充分了解目标物的电性能以及有利于消除静电的环境。例如，在电子业中需要应对各种静电，从影响IC和LSI等静电高度敏感元件的静电一直到释放大量能量造成灰尘吸附在包装材料上的静电。这类包装材料通常不要求像IC一样采取严格的抗静电控制。但是，如果IC有接近包装材料的可能，则需要此类严格控制。本章说明带电物体为导体时的抗静电方法。接地/防静电腕带当带电物体是金属之类的导体时，典型的抗静电方法就是“接地”。接地法是利用地球是一个表面电位为零的大导体，从而将积聚的静电完全释放给“地面”。也就是说，地面是一个“永无止境的静电吸收器”。当把带电物体接地时，它的电荷立即流入地面，该物体也就不再带电。图3-1-1显示电荷释放的时间与速度之间的关系。电荷衰减的时间常数表示为τ=RC，其中接地电阻为R[Ω]，导体电容为C[F]。C的值取决于导体的形状、大小以及位置。假设C=1x10-9F（1000pF，约为人体电容的5倍）且R=1[MΩ]（M=106），则τ=1/1000s。根据规定，1[MΩ]或以下的接地电阻为合格，不再需要纳入其它考虑因素。接地法是一种轻松有效的抗静电方法，被广泛用于各种应用。另一方面，由于接地法过于常见，人们可能会忘记将机器接地。有时接地法会因为机器不经意间产生腐蚀而失去作用。接地法只有在带电物体是导体是方才有效。它无法用于玻璃或塑料之类的绝缘体。即使将带电绝缘体接地，电荷也不会流出而是留在绝缘体内，因而无法消除静电。图3-1-2：背面贴在接地导电板上的绝缘薄膜静电传感器（SK系列）绝缘体当带电绝缘体与接地导体接触时，绝缘体内的静电似乎消失了，电位也有所下降。图3-1-3：防静电腕带的配置导线电阻防静电腕带护腕接地电阻III-4静电实用手册III.静电消除方法基础当带电绝缘体与接地导体接触时，绝缘体内的静电似乎消失了。如果测量该绝缘体的电位，电位值确实比接触前要低。这就造成误解，以为对于绝缘体接地法也是一种有效的静电消除手段（图3-1-2）。电位之所以降低的原因如下：当导体接地时，电荷可自由移动。当带电绝缘体与该导体接触时，带有与绝缘体相反极性的导体电荷被吸到导体的表面。于是，在带电绝缘体与接地导体的接触面上，正负电荷中和，两者的静电似乎都被消除了。然而，绝缘体中的电荷实际上并未被消除。当绝缘体与导体分离时，可以发现表面上已消失的静电依然存在于绝缘体中。因此，即使将绝缘体接地，积聚在绝缘体中的电荷也不会漏出。如果该绝缘体带有一些导体特性，则电荷可能会通过接地逐渐消失。要消除极易带电的人体中的静电，可以使用接地法，因为人体和导体很相似。用于将人体接地的一种途径是“防静电腕带”。防静电腕带能够通过将工人的皮肤接地从而降低人体的电位，这样由人体产生的静电就不会影响其它物体。处理静电敏感物体的工人必须佩戴防静电腕带，以免产生静电问题。图3-1-3显示防静电腕带的配置。它的组成部分包括：包在手腕上的护腕、护腕接头、导线以及接地连线。图3-1-4列出各种防静电腕带。图3-1-4：各种防静电腕带根据配置或用途有各种防静电腕带。为了有效使用防静电腕带，选择一种可紧固在手腕上的腕带，这样就能与皮肤充分接触，同时佩戴者也不会有不适感。您还应考虑人员安全、可操作性及质量控制。III-5III.静电消除方法基础静电实用手册以下是选择防静电腕带时需要考虑的要点。1.耐溶剂性确认所有在工作区中可能用到的溶剂都不会损伤防静电腕带的材质或改变其性质。由于防静电腕带是包在手腕上，护腕或导线部分可能会因意外而溅上溶剂。2.耐汗性确认防静电腕带的金属部分能够抵御身上的汗水而不生锈或腐蚀。若使用纤维或塑料制成的护腕，汗水中的盐分或污垢会因吸收而积聚起来，可能造成污染或使电阻变大。防静电腕带必须针对生锈、腐蚀以及污染等情况进行测试。3.佩戴简易性检查防静电腕带是否可以方便地戴上及取下。防静电腕带必须可以方便地戴上及取下，同时要非常牢固，这样才不会在工作时发生腕带滑落的情况。连接部分（护腕与导线，导线与接地端）必须具有一定的牢固度，因为如果防静电腕带容易滑落，就会减弱静电消除的效果。另一方面，防静电腕带必须能够在超额电流流过或发生机械危险时立即取下。4.导线的强度确认导线的强度高于戴上/取下测试中得出的参考值。5.使用寿命使用寿命测试器确定防静电腕带的更换周期。但是，防静电腕带的结构或故障模式不同，其使用寿命也不同。必须每隔一段时间检查接口是否松开、代码是否损坏以及护腕与皮肤之间是否均匀接触。6.临界电流耐性临界电流耐性的值从根本上被设定为小于高压电源的某个水平段上的电流值。通常，这个值在1MΩ到800kΩ之间（耐性值较低的防静电腕带可用于某些范围）。要检测该耐性，将腕带绕在不锈钢圆柱体上，然后测量圆柱体与地面之间的耐性。7.使用舒适性确认工人在佩戴腕带时感到舒适。由于腕带是直接戴在身体上，佩带者通常会感到一些不适。最近，由于设计上的改进，这种不适感有所缓解，但是仍有各种问题，例如佩戴/取下过程繁琐或腕部压力过大等。选择合适的腕带可解决一些问题，例如因腕带无法清洗而产生的污秽感，或因护腕上的金属按钮的印记留在手腕上而产生的不适感。必须尽可能的改进腕带，以免降低工作效率。总之，尽管佩戴腕带的主要目的是消除积聚在人体内的静电，但选择一种在设计上不会降低操作性，不会造成污染，即使长期使用也不会对工人造成压力的腕带也至关重要。III-6静电实用手册III.静电消除方法基础抗静电地板材料在静电控制过程中，由某个区域中的地板所产生的电荷是造成机械中或走动的人体中产生静电的巨大因素。针对地板的抗静电控制方法大致可分为两种：一种是通过“限制因工人接触而造成的电荷积聚”来遏制电荷，另一种是通过接地来“平稳地消除产生的电荷”。本章的研究内容是针对地毯、地垫以及瓷砖等主要地板材料的抗静电方法。表格3-1-5列出了抗静电地板材料的结构特征及优点。表格3-1-5：抗静电地板材料之比较名称优点问题电性能地毯外观佳，舒适不能用于电子业生产厂。一般约10Ω，某些电阻更低。地垫铺设简单只能保护局部1）导电型良好的抗静电特性容易卷起。107Ω或更低109到1012Ω2）抗静电型可用在现有地板上受湿度限制脏污涂在地板表面的抗静电剂可用在现有地板上1）导电涂料良好的抗静电特性脏物，耐久性107Ω或更低2）涂布型抗静电剂使用方便，价格低廉寿命，性能109到1012Ω3）地板专用抗静电剂使用方便，价格低廉种类，受湿度限制，维护/再使用成本109到1012Ω抗静电地板出色的抗静电特性良好的耐久性/效果持久某些产品可用于干净的房间。成本在现有设施中铺设约105Ω地毯地毯因其良好的外观及舒适性而被用在电脑房或其它设施中。但是，地毯不适用于对抗静电控制有严格要求的场所，例如IC生产场所。地垫地垫适用于在有限的区域内控制静电。它们主要用于实验室中的工作台周围或特定区域内，在那里不使用抗静电地板材料。大部分地垫都是双层结构，由橡胶、乙烯基或聚烯烃材料加上导电碳化合物与腈聚合物组成。至于地垫的特点，就是铺设相对简单；但是仍有问题存在，例如地垫变脏，抗静电材料老化以及地垫容易卷起等。III-7III.静电消除方法基础静电实用手册涂有抗静电剂的地板有三种抗静电剂可用作地板涂层：导电涂料、涂布型抗静电剂以及地板专用抗静电剂。导电涂料是一种包含导电碳纤维或金属纤维的地板材料。由于它的易用性及良好的抗静电性能，可在整个工厂内作为抗静电方法实施。但是，由于产生灰尘及耐久性等问题，导电涂料不适合干净的房间。涂布型抗静电剂最初的设计目的不是用在地板上。因此，它存在着耐久性及再使用周期（寿命）等问题。低成本是它的优势。主要类型的地板专用抗静电剂使用以下三类解决办法：一是除掉地板表面上的蜡或残屑，二是清洁表面，三是使用抗静电剂。它的一大优势就是只需相对较低的成本却可在首次使用时提供出色的性能。而问题在于，一些产品的有效期要取决于湿度和其它外部因素，并且在借助专业人士再度使用时要花费比预期更多的成本。抗静电地板有两种抗静电地板可供选择：一种是由导电乙烯基材料制成的砖状/薄片状地板，另一种是包含金属纤维的地毯式地板。砖状/薄片状地板中包含导电材料，均匀分布在整个表面。因此，这种地板能够提供极高的抗静电性能及耐久性，非常适合用于静电控制。然而，其成本却十分高昂。抗静电鞋要防止静电电荷在鞋中积聚，可以在普通的鞋子上系上脚腕带或踝扎以形成接地，或穿上附有导电特性的抗静电安全鞋。这些方式的导电性取决于结构和材料。在静电控制区域中，地板和鞋都是重点。抗静电衣物人体与衣物在静电方面互无联系或互相绝缘。因此，即使人体接地，也无法消除衣物上的电荷。有各种各样的衣物可以防止静电积聚。然而，这些衣物的性能在很大程度上要取决于衣物内的温度和湿度，两者产生的根据是内层衣物的类型，工人的汗水或其它因素。当工人在静电控制区内身着没有经过抗静电处理的衣物时，需要测量所产生的静电的电压。当工人在该区内身着普通的抗静电衣物时，需要测量由摩擦产生的电量及其衰减特性，以及衣物表面的电阻。然后根据这些特性考虑对策。III-8静电实用手册III.静电消除方法基础III-2绝缘体的静电消除方法让物体具有导电性由于电流无法穿过绝缘体，因此将绝缘体接地不能消除静电。但是，如果带有静电的绝缘体具有导电性，将该物体的一端接地就能很轻松地消除电荷。有两种方法可使绝缘体带有导电性：一种是在表面覆上导电材料，另一种是将导电材料混入绝缘体。提供表面导电性提供表面导电性就是只使物体表面具有导电性。这是一种针对绝缘体的典型静电消除方法，因为这样既可以阻止绝缘体内产生电荷，同时也不会损害物体的原有特性。通常会使用抗静电剂。实际范例有：在聚合材料的表面上覆上一层具有高度电感应性的金属薄膜。这样就可以通过金属层的导电性加大电荷的释放量。涂上一层含有碳黑或银粒等导电材料的导电涂层。使物体表面具有亲水性。这样就可以通过物体表面上吸收的湿气加大电荷的释放量。该方法的缺点在于会因清洁表面或表面老化而失去抗静电作用。提供体积导电性提供体积导电性就是通过混入导电材料（例如将碳纤维混入聚合材料）使物体本身具有导电性。由于这种方式可确实使聚合材料具有导电性，因此可通过接地轻松地消除静电。由于物体自身获得导电性，因此与表面导电性相比，即使反复清洁表面，效果也能够一直持续下去。而缺点在于混入导电材料会损害物体的原有特性。当把碳黑混