控制静电

　　在高科技产品生产厂，控制静电是提高生产效率，改善品质，增加利润的基础。在半导体、硬盘和平面显示（FPDs）的生产中，静电控制是基本的生产条件之一。如果不能控制静电就意味着，产品要因静电引力导致粒子污染（ESA问题）和静电放电（ESD问题）而受到损失。
　　
　　美国静电协会（ESD Association）和半导体设备和材料协会（Semiconductor Equipmentand MaterialsInternational）等组织的静电控制体系可以帮助企业解决静电问题。这些体系主要的技术方法是，使用静电导电材料和静电耗散材料（包括人体）直接接入大地以消散静电。
　　
　　不幸的是，产品本身和工作环境都不可避免地会使用绝缘材料。当绝缘材料就是产品本身的组成部分时，你无法将其替换，如高科技产品制造中会使用含有氧化层的硅片、半导体器件封装的环氧树脂、器件引脚上的绝缘材料、环氧树脂印刷线路板，FPDs行业中的玻璃片等等。此外，适应特殊环境，如耐高温、耐腐蚀以及洁净室兼容使用的材料：特氟隆、石英以及许多塑料材料都是绝缘材料。接地不能消除绝缘材料上的静电荷，因此，多数情况下，*的办法就是使用空气离子化进行静电中和处理。
　　
　　尽管多数的静电控制体系中都推荐使用空气离子化，但它们却很少在文件当中说明空气离子化的使用方法以及在生产中使用离子化设备产生的影响。对于许多行业来讲，使用空气离子化控制静电非常重要，希望通过本文能为空气离子化的用户提供一些被忽略的信息。
　　
　　空气离子化的划分
　　
　　“离子（Ion）”一词来源于希腊语，原为动词，是动作的意思，有旅行者的含义。作为术语使用zui早是用于描述对各种溶液通电后反应——离解并向与自己相反的电极移动的分子称为离子。瑞典学者S.A.Arrhenius的理论认为移动的离子（ion）是带电荷的原子，这一理论在电子被发现后得以证实。
　　
　　离子可以定义为失去电子或获得电子的原子或分子。电子是电荷转移的*载体。当一个原子或分子具有相同数量的电子和质子时，它的电荷是平衡的，或者说是中性的。如果失去一个电子，则该原子或分子带上正电荷，成为正离子，得到电子则成为负离子。
　　
　　但是空气离子或带电荷的空气分子却不是这种情况。空气是一种混合气体，由氮气、氧气、二氧化碳、水蒸气以及其他一些微量气体组成，其中一种或几种都可以离子化。某些时候，双原子结构的气体分子，如氮气（N2）和氧气（O2）可以获得或失去电子，但另一些时候，化合气体如二氧化碳（CO2）也能够如此。无论何种情况，当空气中一种或一种以上的气体分子获得或失去电子的时候，我们称之为空气离子化。与溶液离子不同的是空气离子化需要一定的能量才可形成。
　　
　　通常情况下，未经过滤的空气，所形成的空气离子是以气体分子簇形式存在的，10个中性气体分子包裹在一个带电的分子周围。带电分子可能是氧分子、水分子或氮分子，在这里我们称之为小空气离子。小空气离子会做相对运动，在遭遇相反电荷的离子或接地表面后，它们会失去电荷，又恢复为中性分子。在洁净空气中，小空气离子的寿命在几秒钟到几分钟之间。
　　
　　在适当的条件下，这些离子会吸附在空气中的微粒或大的分子团上，从而形成大的空气离子。小空气离子和大空气离子的相对比例取决于空气的洁净程度。空气中数量具多的悬浮微粒会消耗小空气离子。
　　
　　然而，我们在静电控制中所谈的绝缘材料上的静电荷中和主要靠的是小空气离子。
　　
　　空气电导和电荷中和
　　
　　如果一个离子暴露在电场中，它会因场强大小和电场方向而移动。电场中移动的离子能够形成电流。而电流密度取决于空气的离子数和相对于电场源移动的速度。电流密度对于该电场来说称为为空气的电导。此电导会因极性正负而变化。
　　
　　一个带电体周围会产生电场，不同点的电场强度不同，电场驱使电荷平衡。如果一个带电体周围被正负两种空气离子包围，相反极性的离子会向该带电体移动，并产生电流。这种中和的电流会让带电体上电荷和周围空气的电导平衡。简言之就是带电体吸引相反电荷的空气离子。
　　
　　电场强度为E的一个离子将以v的速率移动，它们之间的关系是
　　
　　v=kE,(1)
　　
　　其中k是离子和迁移率。
　　
　　小空气离子的迁移率在1.0–2.0cm2/V•s。单位的含义是小空气离子在1V/cm电场强度下以1cm/s的速率移动。实验表明，负离子的迁移率比正离子的迁移率要高大约15%。
　　
　　如果空气中有n个正离子，迁移率为k，电荷量e，在电场强度为E电场下，向带电体移动所产生的电流密度j的计算为
　　
　　j=enkE=λE(2)
　　
　　式中λ等于enk,称作空气的正电荷电导，更准确地讲，它是指由于正离子所产生的极性电导。
　　
　　在电场中，负离子会向电场相反的方向移动。通过公式2也可以计算负离子在带有e电荷数移动时的电流密度。
　　
　　如果一个带有q电量正电荷或负电荷的物体，周围一定会形成电场。该物体周围如果被同时含有正负两种离子的空气所包围，极性相反的空气离子会流向该物体，相同极性的离子会远离该物体。在空间中不同点的电场不同，但zui终的电荷均衡为q。电荷的移动即为电流，相反极性的离子流动所产生的电流通向带电体q，这种中和电流能够让带电体的电荷与周围空气的极性相反的电导达到平衡。
　　
　　如果空气电导不发生变化，则离子中和的速度也是恒定的，电荷衰减时间常数系数τ积与电导的关系是指数关系。换句话讲，初始电荷为q0，衰减后电荷q计算如下：
　　
　　q=q0–t/τ,(3)
　　
　　式中时间常数τ等于空气的介电常数ε除以空气电导（率）λ：
　　
　　t=ε0/λ;(4)
　　
　　将此带入公式3，则有
　　
　　q=q0–t(enk/ε0),(5)
　　
　　将电荷中和至均衡的速度取决于离子浓度。
　　
　　实际上，保持空气的电导恒定是困难的。许多因素会影响电荷衰减速度，这包括空气悬浮微粒密度、带电体周围离子的损耗率、空气电离的多相性、不规则带电体或多带电体产生的非均衡电场等等。目前还难以做到消除简单模型的误差，计算衰减时间，因此实际测量离子发生器的中和特性显得尤为重要。
　　
　　空气离子的特性
　　
　　空气中自然的离子中，通常正离子与负离子的数量为1.2：1。在清洁的室外空气当中，每立方厘米包含有2000~3000个离子。在一个自然通风的建筑里，这个数量会降至500/cm3，在管道通风（空调通风）的建筑里，这个数值很少超过100/cm3。
　　
　　自然的空气离子主要由空气、地面以及建筑材料中的放射元素的照射所形成。此外，由水流和海浪产生的水滴摩擦、闪电以及大气层上部受宇宙射线和太阳射线的照射也会产生空气离子。其中水滴摩擦产生的主要是负电荷性的小空气离子。
　　
　　在纯净的空气中，离子的寿命不会超过几分钟，其衰减的速度取决于多种因素。离子的密度越高离子与相反极性离子相遇的机率越强。一旦相遇就会发生电荷转移，两个离子变成两个中性分子。电荷转移在离子接触到接地表面时也同样会发生，因此，用于中和静电的离子必须尽量减少极性相反的离子相互作用，同时尽可能与大的接地体隔离开。
　　
　　此外，大的空气离子一旦形成，它的运动速度要比小的空气离子要慢（见公式2）。大空气离子对空气电导的影响小，一般不用于静电荷中和。
　　
　　小空气离子能够在静电荷电场的作用下在空气中移动。一个静电场作用在带电离子的空气，会吸引相反极性的空气离子移向产生电场的电荷（见图1）。离子被吸引到具有极性相反电荷的物体表面，直至电荷被中和，静电场消失为止。这是使用空气离子的基本原理。
　　
　　通过双极性空气离子中和表面静电
　　
　　但是，自然空气所产生的正负离子数量太少，不能用于静电控制，要中和静电需要的离子浓度要高的多，通常要达到100,000/cm3~1,000,000/cm3.
　　
　　空气电离
　　
　　人工产生空气离子需要添加或夺取空气分子的电子，有两个基本途径实现这一点：α射线以及电晕电离。
　　
　　α射线电离。α射线离子发生器使用Po210作为放射源，它直接产生α粒子。α粒子实质是一个氦原子核，与空气分子碰撞后会将电子撞离出去约3cm，气体分子就会失去电子成为正离子。游离的电子又会很快被中性的气体分子所捕获，形成负离子。
　　
　　α射线离子发生器产生的正、负离子数量是总平衡的——每个被撞击出电子的分子形成一个正离子，捕获电子的分子形成一个负离子，这一点非常有利于在ESD非常敏感的器件的静电控制的应用。正、负离子的数量相等意味着离子发生器的平衡度为0V，可以将工作区任何物体上的静电消除到0V。
　　
　　α射线离子消除静电商业化应用主要包括爆炸燃烧危险环境和需要平衡度的环境。但其处理成本相对昂贵，因为每143天，α射线离子发生器的功率会因为放射源的衰减一半而衰减一半，通常它们必须每年更换。虽然α射线离子发生器已经安全使用了25年，但它们仍然是政府管控的产品，而且任何放射性物体都会引起人们的恐慌，因而α射线的离子化产品没有像电晕电离的离子化产品一样得到广泛应用。
　　
　　电晕电离。电晕离子发生器使用高电压产生强电场，使电子迁移。由于固体或空气中存在放射性物质，大气中会存在一些自由电子。正*电场的作用下，会吸引这些电子向电离移动。它们碰到空气分子，后者被撞击出更多的电子，失去电子的分子成为正离子。电场会将它们推离电离，向中和的静电荷移动。同样，负电场从电离推离自由电子，碰撞气体分子后产生更多的自由电子，后者会被电离附近的中性分子捕获，产生负离子。负离子也会负电场的作用下远离电离。
　　
　　电晕电离通常不能提供α射线离子发生器所能够提供的固有的离子平衡度。目前的方法只能是保证正负离子的数量大致相当，而不能区分离子不同的活性和每一个电极所产生离子的速度。一些离子发生器，包括带有监测和反馈能力的离子化设备，可以给工作区提供长时间的离子平衡。离子平衡非常重要，因为一个不平衡的离子发生器会让孤立导体感应带电，让使用者事与愿违。
　　
　　离子化标准。离子发生器的离子平衡度，或者说是偏执电压，可以使用充电板监测仪（CPM）测量，这在静电协会（ESDA）关于空气离子化的标准中进行了定义。ANSIESDSTM3.1是*得到世界范围认可的离子化的标准，也为许多静电控制标准所推荐。作为标准的测试方法，它只对不同的系统或同一系统的整个过程，定义了测试仪器和测试方法，而没有技术要求，因为空气离子化使用中会有不同的情况。对于zui终客户来说，要解决静电荷问题，放电时间应当予以确定。
　　
　　选择离子化方式。被保护产品的ESD敏感度通常决定了*的离子化设备种类。越敏感的产品需要离子平衡能力越，越稳定的离子化设备。它要求使用CPM测量离子化设备的平衡度不能超过几十伏。
　　
　　选择离子发生器还可能要考虑其他的一些因素。这包括能否使用气流，离子发生器与工作区的距离，以及洁净室对于离子发生器的兼容性等等。
　　
　　电晕电离离子发生器
　　
　　有多种方法可以通过电晕电离产生和推动带有两种极性离子的空气作用到工作区。这些方法主要区别在于是否使用交流高压，直流高压，或是脉冲直流产生离子。
　　
　　交流离子化。交流离子化技术的原理是，将交流高压加在彼此接近的离子发射极上，发射极会以50或60Hz的交流频率交替产生正负离子。由于高于电离电压点的时间只占整个时间的一部分，所以交流离子化的效率较低。
　　
　　交流电离被广泛地用在离子吧上，它以中低速度消除材料上的静电。此外，离子风机和离子风枪也会使用交流电离。在电子产品生产厂，交流离子发生器是器件组装中zui常用的离子化设备。因为它们的电源线具有不平衡噪信特性，交流离子发生器很少用于有平衡要求（±15V以内）的场合。此外，由于高的离子流必然引起高的离子重组，交流离子发生器会导致的粒子水平高，因此它们不适合在洁净室使用。
　　
　　稳定直流离子化。标准的直流离子化技术原理是，将正负高压加在离子发射极上直接产生正负离子，它产生离子的效率比交流要高。由于可以使用低工作电压，稳定直流的离子发射器在洁净室中广泛应用。由于正负高压电源可以分离使用，使得监测和反馈控制装置可以在稳定直流离子发生器中使用，平衡度可以控制在5V以下。稳定直流离子发生器可以被用在气流要求严格的室内和高速的网状结构上。此外，这一技术也可用于离子风机、粒子吧、风枪上。广泛应用在房间系统、工作表面、气流罩以及设备上。
　　
　　脉冲直流式离子化。原理是，通过脉冲系统将正负直流高压交替加在离子发射极上产生正负离子，并到达工作区时混合。其的静电消除效果会随着离子重新组合会降低。但是其作用距离远，允许离子发生器放置在5米以上的天花板上。
　　
　　脉冲直流式离子发生器用于低气流的室内，主要在洁净室和层流罩的应用。这种离子发生器的优点是，它具有灵活多变的特性，周期可以调节，可适应特殊的气流环境。由于输出离子的极性随着周期而改变，脉冲直流离子发生器会产生振荡电压，限制了它在对此敏感的器件的静电保护中的使用。
　　
　　空气离子对人体的影响
　　
　　无论它是发生了什么样的变化，人们对呼吸的空气一定会非常关心。从18世纪开始，就有科学家开始关注这个问题，现在我们把这类问题称为空气分子带电。对空气离子对各种生物影响的研究贯穿整个20世纪，发现和结论包括杀灭微生物，刺激植物生长，以及改变动物血液和脑组织的某些化学物的水平等。在自然空气中添加或减少离子都会生物造成影响。
　　
　　空气离子对人体影响的研究是伴随对自然界产生离子影响人体活动的研究开始的。干热风的吹动会引起空气正负离子平衡度改变，这时人容易生病，情绪也会改变，这都是空气离子影响的缘故。
　　
　　尽管缺乏灵床试验的证据，不少小空气离子对人体影响的结论已经得到承认。其中一个是，虽然并非所有人对空气中的离子水平改变会有所察觉或反应，但对于那些有所反应的人来说，减少空气中的离子数量或减小正负离子的比例，要比增加它们感觉要好，
　　
　　只有一些人类科技活动会导致空气中的离子数量增加，多数活动会消耗空气离子。工业气体污染，离散电场，管道通风都在不同程度是影响环境空气离子水平的因素。离子消耗会让人困倦，注意力分散，感觉不舒服，以及引起头痛等；人工增加离子浓度效果相反。离子发生器曾经被用于解决这些问题，但这并不是说，使用它们恢复和增加自然空气中的离子数量只是对身体有好处。研究表明，作为确定的目的，在离子化的环境里工人的表现有所改善，实质上这于消耗离子的工作区有关。由于离子会影响人的行为和情绪，我们一般宁可多一些负离子的环境。
　　
　　所有对空气离子对人影响的研究中有一件事情是肯定的，那就是还没有任何报告说，高密度的平衡离子或单极的负离子对人体有害。
　　
　　结论
　　
　　空气离子除被用于中和静电外，它还被用于油漆喷涂，包装袋填充，以及表面覆膜等方面。此外，在静电沉降方面，人们还会使用单极离子发生器，产生大量的大的带电空气离子，受静电引力的作用它们会被吸引到带相反电荷的充电板或接地的表面上，用以工业、办公室以及家用的空气除尘。在工业污染控制设计中，这种空气净化技术以及所有空气离子化技术都会有利于员工的呼吸，将逐步被认识接受。
　　
　　空气离子化在高科技产品制造中已经得到了重视，但是，世界对于同时兼顾工业过程和生物系统的离子化应用研究还在进行当中。离子化在纳米技术、生物工程、以及其他生命科学等领域新应用的研究已经有了发展。