靜電防治做得好，工作沒煩惱

1. 前言

隨著半導體製程演變，近年來使用之高分子有機溶劑也越來越多，廠務端其供應機台面臨靜電擊穿現象，常見的擊穿案例有閥件膜片擊穿而閥體無法開啟影響供應、管路與濾心外殼擊穿導致化學品洩漏影響線上機台供應穩定性。常見之工業靜電防治方法為增加濕度、抗靜電材料接地、靜電消除器、限制速度，但因製程需求不易調整環境溼度與供應條件，因此抗靜電材料接地為最適合之靜電防治方法。

而影響高分子有機溶劑供應機台靜電嚴重度主因為流體之流速，因高分子有機溶劑低導電率特性隨著流速增加，靜電值隨之增加。廠區內常見之抗靜電材料有不鏽鋼管路、鋁箔紙、抗靜電套環、抗靜電管，本研究探討在不同流體流速下，各靜電防治方法之防治效益，以提供廠務端運轉之參考。

2. 文獻探討

2.1 靜電生成原理

液體在管路內流動，因兩種不同物質的接觸摩擦，電子會產生分離現象，若兩種物質皆為導體則電子並不會完全分離，而在完全分離前移動電子便會跑回原物質端，故兩導體間之接觸摩擦，並不容易產生靜電。若兩者物質中至少有一方為非導體，電子移動使一端帶正電，另一端帶負電，電荷分離現象而形成靜電。

絕緣性之液體在管路中流動，液體與管壁帶有不同急性之電荷，當液體絕緣性很高時，液體中的電荷會隨液體流動，電荷流動即形成流動電流(Streaming Current)。

靜電放電為物質經由摩擦、感應起電等過程進而獲得或失去電子(圖1)，當這些正電荷或是負電荷逐漸累積時，會與周圍環境產生電位差，電荷若是經由放電路徑而產生在不同電位之間移轉現象，即稱此為靜電放電現象(Electrostatic Discharge)，簡稱為ESD。

圖1、靜電放電示意圖

2.2 有機溶劑管路作業

液體在管路內流動時會產生電荷分離，流經管路的液體因而帶電，有關液體管路輸送作業之靜電防治方法如下 :

1. 接地與搭接
   • 使用導電性管路或軟管並接地。
   • 管路之連接處要搭接。
2. 限制流速以抑制電荷產生
   • 中、高導電率液體之最大輸送流速為10m/s。
   • 低導電率液體之最大輸送流速為7m/s。
   • 初期之最大流速為1m/s。
   • 二相液體(混合水滴、粉體之液體)時之最大流速為1m/s。
   • 使用絕緣性管路、容器(包括含有內襯)時之最大流速為1m/s。但低導電率液體不使用絕緣性管路或容器。

依據液體之導電率可分為高導電率、中導電率及低導電率之三等級，如 表1所示。

2.3 靜電防治方法

在靜電電荷產生後，需要有效的釋放或消除，若無適當的釋放或消除即可能會造成靜電放電現象。靜電可以透過導電路徑排放消除，瞬間電流大小決定靜電的排放速度，排放速度快到慢為導體、半導體、絕緣體。

ESD可能產生之破壞現象：

1. 直接物理性破壞：化學品供應機台內部其各項元件受到靜電放電之高電壓或大電流衝擊，而破壞其物理性構造，例如：閥件膜片擊穿、泵浦膜片擊穿等。
2. 潛在物理性破壞：化學品供應機台內部其各項元件之性能依然存在，但性能已開始改變，例如：管路螺牙因長期靜電衝擊導致管路銜接處損壞、濾芯O ring長期受靜電衝擊而脆化斷裂。

高分子化學有機物質因低導電率之特性容易經摩擦而產生靜電，靜電防治是為了安全同時也確保化學品供應機台元件不受破壞而影響供應穩定性。

常見靜電放電防治方法分為兩者種；第一種為預防型，改變材質或外在環境條件減少靜電生成。第二種為保護型，藉由消除或保護方式避免生成之靜電造成系統破壞。

3. 研究方法

3.1 研究動機與目的

在廠區之化學供應機台裡，化學高分子有機溶劑因導電率低，容易因流動與塑材管路摩擦，此摩擦產生之靜電若無法順利消除，會導致大量的靜電累積，可能造成靜電放電，而擊穿系統內部之閥件、管路等元件，進而影響供酸系統穩定性而有中斷供應之風險，而實際案例歷歷在目，例如PGMEA因其導電率低圖2，常發生靜電擊穿閥件造成閥件無法順利開關現象圖3，因此針對廠區內常用之靜電防治法評估最佳效益者。

圖2、Chemical導電率

圖3、靜電擊穿痕跡

3.2 研究對象與架構

本研究使用KEYENCE SK-H050靜電量測儀圖4進行實驗量測。高分子有機化學品因導電率低，容易經流動摩擦發生靜電擊穿現象，本研究針對廠區內既有高分子有機溶劑供應機台(IPA與PGMEA)進行實驗量測，因高分子有機溶劑之流體流速為影響靜電生成之主要因素，研究在固定環境條件下，以四種不同靜電防治方法(不鏽鋼管、抗靜電套環、抗靜電管、鋁箔紙)對應不同流體流速下找出最佳效益者。

圖4、靜電放電示意圖

4. 結果分析

4.1 實驗數據

由PGMEA實驗結果圖5得到 : ①靜電值隨流速而增加；②抗靜電套環、抗靜電管、鋁箔紙皆可以有效預防靜電。

圖5、PGMEA實驗結果

由IPA實驗結果圖6得到不鏽鋼管對於靜電防治效果佳，流速變化靜電不隨之改變，且靜電值皆趨近於0。

圖6、PGMEA實驗結果

4.2 實驗探討與比較

5. 結論

1. 塑材管路靜電值隨流速增加而增加。
2. 不鏽鋼管路效益最佳，靜電值不隨流速增加而改變，且靜電值趨近於0；但缺點為會有金屬離子污染風險。
3. 鋁箔紙、抗靜電套環、抗靜電管路效益不相上下，唯流速大於1.25m/s時不建議使用抗靜電管路。
4. 後續建議廠區內使用鋁箔紙與靜電套環方式進行靜電防治，施作容易且花費與靜電防治效益佳。