多種改變離子風(fēng)機(jī)的負(fù)載技術(shù)將會(huì)影響絕緣材料上靜電控制

在高科技產(chǎn)品生產(chǎn)廠，控制靜電是提高生產(chǎn)效率，改善品質(zhì)，增加利潤的基礎(chǔ)。在半導(dǎo)體、硬盤和平面顯示（FPDs）的生產(chǎn)中，靜電控制是基本的生產(chǎn)條件之一。如果不能控制靜電就意味著，產(chǎn)品要因靜電引力導(dǎo)致粒子污染（ESA問題）和靜電放電（ESD問題）而受到損失。

美國靜電協(xié)會(huì)（ESD Association）和國際半導(dǎo)體設(shè)備和材料協(xié)會(huì)（Semiconductor Equipment and Materials International）等組織的靜電控制體系可以幫助企業(yè)解決靜電問題。這些體系主要的技術(shù)方法是，使用靜電導(dǎo)電材料和靜電耗散材料（包括人體）直接接入大地以消散靜電。

不幸的是，產(chǎn)品本身和工作環(huán)境都不可避免地會(huì)使用絕緣材料。當(dāng)絕緣材料就是產(chǎn)品本身的組成部分時(shí)，你無法將其替換，如高科技產(chǎn)品制造中會(huì)使用含有氧化層的硅片、半導(dǎo)體器件封裝的環(huán)氧樹脂、器件引腳上的絕緣材料、環(huán)氧樹脂印刷線路板，F(xiàn)PDs行業(yè)中的玻璃片等等。此外，適應(yīng)特殊環(huán)境，如耐高溫、耐腐蝕以及潔凈室兼容使用的材料：特氟隆、石英以及許多塑料材料都是絕緣材料。接地不能消除絕緣材料上的靜電荷，因此，多數(shù)情況下，唯一的辦法就是使用空氣離子化進(jìn)行靜電中和處理。

盡管多數(shù)的靜電控制體系中都推薦使用空氣離子化，但它們卻很少在文件當(dāng)中說明空氣離子化的使用方法以及在生產(chǎn)中使用離子化設(shè)備產(chǎn)生的影響。對(duì)于許多行業(yè)來講，使用空氣離子化控制靜電非常重要，希望通過本文能為空氣離子化的用戶提供一些被忽略的信息。

空氣離子化的劃分

“離子（Ion）”一詞來源于希臘語，原為動(dòng)詞，是動(dòng)作的意思，有旅行者的含義。作為術(shù)語使用最早是用于描述對(duì)各種溶液通電后反應(yīng)——離解并向與自己相反的電極移動(dòng)的分子稱為離子。瑞典學(xué)者S. A. Arrhenius的理論認(rèn)為移動(dòng)的離子（ion）是帶電荷的原子，這一理論在電子被發(fā)現(xiàn)后得以證實(shí)。

離子可以定義為失去電子或獲得電子的原子或分子。電子是電荷轉(zhuǎn)移的唯一載體。當(dāng)一個(gè)原子或分子具有相同數(shù)量的電子和質(zhì)子時(shí)，它的電荷是平衡的，或者說是中性的。如果失去一個(gè)電子，則該原子或分子帶上正電荷，成為正離子，得到電子則成為負(fù)離子。

但是空氣離子或帶電荷的空氣分子卻不是這種情況?？諝馐且环N混合氣體，由氮?dú)?、氧氣、二氧化碳、水蒸氣以及其他一些微量氣體組成，其中一種或幾種都可以離子化。某些時(shí)候，雙原子結(jié)構(gòu)的氣體分子，如氮?dú)猓∟2）和氧氣（O2）可以獲得或失去電子，但另一些時(shí)候，化合氣體如二氧化碳（CO2）也能夠如此。無論何種情況，當(dāng)空氣中一種或一種以上的氣體分子獲得或失去電子的時(shí)候，我們稱之為空氣離子化。與溶液離子不同的是空氣離子化需要一定的能量才可形成。

通常情況下，未經(jīng)過濾的空氣，所形成的空氣離子是以氣體分子簇形式存在的，10個(gè)中性氣體分子包裹在一個(gè)帶電的分子周圍。帶電分子可能是氧分子、水分子或氮分子，在這里我們稱之為小空氣離子。小空氣離子會(huì)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在遭遇相反電荷的離子或接地表面后，它們會(huì)失去電荷，又恢復(fù)為中性分子。在潔凈空氣中，小空氣離子的壽命在幾秒鐘到幾分鐘之間。

在適當(dāng)?shù)臈l件下，這些離子會(huì)吸附在空氣中的微?；虼蟮姆肿訄F(tuán)上，從而形成大的空氣離子。小空氣離子和大空氣離子的相對(duì)比例取決于空氣的潔凈程度?？諝庵袛?shù)量具多的懸浮微粒會(huì)消耗小空氣離子。

然而，我們?cè)陟o電控制中所談的絕緣材料上的靜電荷中和主要靠的是小空氣離子。

空氣電導(dǎo)和電荷中和

如果一個(gè)離子暴露在電場中，它會(huì)因場強(qiáng)大小和電場方向而移動(dòng)。電場中移動(dòng)的離子能夠形成電流。而電流密度取決于空氣的離子數(shù)和相對(duì)于電場源移動(dòng)的速度。電流密度對(duì)于該電場來說稱為為空氣的電導(dǎo)。此電導(dǎo)會(huì)因極性正負(fù)而變化。

一個(gè)帶電體周圍會(huì)產(chǎn)生電場，不同點(diǎn)的電場強(qiáng)度不同，電場驅(qū)使電荷平衡。如果一個(gè)帶電體周圍被正負(fù)兩種空氣離子包圍，相反極性的離子會(huì)向該帶電體移動(dòng)，并產(chǎn)生電流。這種中和的電流會(huì)讓帶電體上電荷和周圍空氣的電導(dǎo)平衡。簡言之就是帶電體吸引相反電荷的空氣離子。

電場強(qiáng)度為E的一個(gè)離子將以v的速率移動(dòng)，它們之間的關(guān)系是

v = kE, (1)

其中k是離子和遷移率。

小空氣離子的遷移率在1.0–2.0 cm2/V•s。單位的含義是小空氣離子在1 V/cm 電場強(qiáng)度下以1 cm/s的速率移動(dòng)。實(shí)驗(yàn)表明，負(fù)離子的遷移率比正離子的遷移率要高大約15%。

如果空氣中有n個(gè)正離子，遷移率為k，電荷量e，在電場強(qiáng)度為E電場下，向帶電體移動(dòng)所產(chǎn)生的電流密度j的計(jì)算為

j = enkE = λE (2)

式中λ等于enk,稱作空氣的正電荷電導(dǎo)，更準(zhǔn)確地講，它是指由于正離子所產(chǎn)生的極性電導(dǎo)。

在電場中，負(fù)離子會(huì)向電場相反的方向移動(dòng)。通過公式2也可以計(jì)算負(fù)離子在帶有e電荷數(shù)移動(dòng)時(shí)的電流密度。

如果一個(gè)帶有q電量正電荷或負(fù)電荷的物體，周圍一定會(huì)形成電場。該物體周圍如果被同時(shí)含有正負(fù)兩種離子的空氣所包圍，極性相反的空氣離子會(huì)流向該物體，相同極性的離子會(huì)遠(yuǎn)離該物體。在空間中不同點(diǎn)的電場不同，但最終的電荷均衡為q。電荷的移動(dòng)即為電流，相反極性的離子流動(dòng)所產(chǎn)生的電流通向帶電體q，這種中和電流能夠讓帶電體的電荷與周圍空氣的極性相反的電導(dǎo)達(dá)到平衡。

如果空氣電導(dǎo)不發(fā)生變化，則離子中和的速度也是恒定的，電荷衰減時(shí)間常數(shù)系數(shù)τ積與電導(dǎo)的關(guān)系是指數(shù)關(guān)系。換句話講，初始電荷為q0，衰減后電荷q計(jì)算如下：

q = q0–t/τ, (3)

式中時(shí)間常數(shù)τ等于空氣的介電常數(shù)ε除以空氣電導(dǎo)（率）λ：

t = ε0/λ; (4)

將此帶入公式3，則有

q = q0–t(enk/ε0), (5)

將電荷中和至均衡的速度取決于離子濃度。

實(shí)際上，保持空氣的電導(dǎo)恒定是困難的。許多因素會(huì)影響電荷衰減速度，這包括空氣懸浮微粒密度、帶電體周圍離子的損耗率、空氣電離的多相性、不規(guī)則帶電體或多帶電體產(chǎn)生的非均衡電場等等。目前還難以做到消除簡單模型的誤差，精確計(jì)算衰減時(shí)間，因此實(shí)際測量離子發(fā)生器的中和特性顯得尤為重要。