談LCD液晶顯示器製造過程的靜電防護與靜電消除

一、何謂ESD靜電放電與靜電釋放

　　靜電（Electrostatic）在人類日常生活中無所不在，也時常有所聞因靜電的發生而導致火災與傷害，其中尤以冬天時穿著厚重毛衣，在脫去毛衣時，常常會因摩擦產生靜電而讓人覺得刺痛感。

　　在國內外的新聞報導中，也發生過人們在加油站時，因為冬天天乾物燥又適巧穿著厚重毛衣，在加油時發生靜電引起火花，造成人員的傷害。靜電放電防護（Electrostatic Discharge，ESD）是在21世紀中期以來形成的，目的在以研究靜電的產生與衰退減少。ESD中文名為靜電放電（Electrostatic Discharge）或稱靜電釋放（Electrostatic Dissipative）。

　　『靜電』在紀錄中是最早被發現的一種〝電〞，靜電也是自有人類以來就存在的一種電，也是時時刻刻影響人類的生活。最早發現靜電的存在，當屬西元前640年，希臘哲學家Thaces把琥珀(Amber)摩擦後發現其可以吸附人體毛髮，從而開始知道靜電的存在。靜電的形成，如電流熱（火花）效應、電磁效應（電流干擾）、靜電放電模型與靜電放電效應等因素，而靜電所引起的災害最常見的就是爆炸與著火。

　　近年來隨著科學技術的飛速發展，微電子的技術被廣泛的應用及電磁環境愈來愈複雜的環境下，科學家們和工程師對靜電放電的電磁場效應如電磁干擾（EMI）和電磁相容性（EMC）等問題的解決，就愈發顯得重要與被重視。

　　靜電防護在現在高科技工業中，一直是一項被重視的科目，因靜電的不良帶來製程的不良率偏高與破壞，尤其以半導體業與電子科技LCD製造業的感受最深；而靜電也是無所不在，如設備本身與產品本身的靜電產生，會產生潛在性的失效與嚴重破壞，有甚者易造成火災、爆炸、電擊等種種危安事件。這些問題發生除了導致企業成本提升、產品失效，同時也影響到企業的形象損失。

二、靜電帶電現象與如何分辨靜電產品

　　靜電的產生，最常感受到的即是摩擦靜電，也是最普遍的一種。當人們在走動時、或者是人體與其他物品相互摩擦下，很容易就產生靜電；靜電的形成簡單的說有導體與絕緣體兩項：

• 導體：需要具有一個可移動的電子或價電子（Valence Electrons）在原子結構最外層，而所受到原子核（Nuclei）束缚就愈小。當受到外來電場的吸引而產生移動（此即為電流），此類的物質我們稱為導體。

• 絕緣體：缺乏可移動的電子或價電子的物質，通常絕緣體的物質如石英與塑膠等物質，在摩擦產生靜電而且無法將電荷傳地。

　　以下舉出最常見的靜電產生（靜電帶電的現象）如【表一】：

【表一】
 

　　一般我們在生活中或公共場所中，很容易去忽略到靜電產品的存在，靜電產品有絕緣體、導體、防靜電等三項，以下作者整理一表說明如【表二】：

 【表二】
 

　　另外，舉如絕緣電阻高的性質如塑膠、橡膠及化纖類等產品都很容易因為摩擦而產生靜電。現實生活中無所不在地都有靜電的情形發生，如大自然中帶電的雲塊便會在大地或地上物，甚至飛行中的飛機感應出靜電。

　　再者如塵埃、煙霧、水氣、雪、冰結晶體與行進中的汽車撞擊摩擦，也會在汽車上累積靜電，這就如為什麼我們長時間開車時很容易感應到車門的靜電。工作中工人以推車搬運物體，如被搬運的物體帶有電荷，那麼搬運的車輛亦會感應出靜電。

　　Ａ物體與Ｂ兩物體接觸與分離時產生的靜電以【圖示一】說明如下：

三、製造過程中發生靜電的原因

　　LCD製造流程上，最困擾著製程工程師當屬靜電防護的工作，而在製程上各個工序與流程，無時無刻不充斥著發生靜電的可能，靜電放電時產生的能量是造成破壞的主要原因。製程上要努力研究ESD的發生源，則必需要先知道產品在剝離與分離時因靜電放電時產生的能量是造成產品靜電破壞的主要原因。

　　而ESD對LCD產品的破壞當屬靜電擊穿、靜電吸著塵埃、電磁干擾（EMI）等三項問題，說明如【表三】：

【表三】

　　靜電引起的危害，嚴重者會造成燃燒與爆炸，有甚者更會造成人員在受電擊時由於不能自主的行動而導致身體遭受嚴重受傷。在LCD製程常常會碰到當相當能量之電荷聚積至放電的程度而產生火花，以致於引發可燃性混合物造成燃燒或爆炸等傷害，新竹科學園區有發生過一家知名半導體企業的廠房火災，即是因靜電放電造成火花，以至於引起火災，造成龐大的金錢損失。

　　各種帶靜電電位的程度表－人體活動時的靜電電位KV表，如【表四】說明：

【表四】

註：相對濕度愈高，則靜電電位（KV）值愈低。

　　人體(C=200pF)與日常活動所生之靜電量，如【表五】說明：

【表五】

註：為何人在高空不受靜電的傷害？因為沒有接觸地面，所以人在高空不會受到ESD的傷害。

　　靜電的摩擦電序列表，如【表六】說明：

【表六】

註釋：1.物質產生靜電的大小，【表六】中愈正性與愈負性物質互相摩擦產生的靜電也就會愈大。

2.舉例如愈正性的物質如空氣，與愈負性的物質如鎳或銅等物質，兩者互相接觸摩擦產生的靜電，亦會相對的增大。

四、製造過程中消除靜電的方法－電子工作區的ESD靜電防護

　　LCD製造業在國內發展的技術已達到國際的頂尖水準以上，品質的嚴格要求與良率的提升，則有賴檢驗的機制與高超的技術水準提升。LCD製程上降低不良品的發生，是LCD製造工程師責無旁貸的責任。而靜電的發生是無所不在的，常見的舉如LCD靜電擊穿、靜電吸著塵埃造成的Cell內污（Dust in the cell）污染等。

　　LCD製造業界中，對於ESD靜電防護可說是無所不用其極，製程工程師們日以夜繼的不斷研究，並且在工作實務中累積對於ESD的產生與消除都有著一套經驗傳承法則。標準有著一定的規範與法則，是一遵循的規則，但是在工作經驗中，所累積出的知識與專業技能，如不加以整理與紀錄，並且定期更新在作業指導書中，而放任其消失實在是一件非常可惜的事情，就如同消除ESD一般，消失了就不再復原。

　　LCD製造工廠，一般電子工作區域靜電防護，我們可利用如下5大項目與SIGH觀念來執行ESD的靜電防護，如下【表七】與【表八】：

【表七】：5大電子工作區域靜電防護項目

 【表八】：SIGH觀念

 五、製造工廠靜電消除方法－人員、設備、材料、方法與環境的靜電消除

　　在LCD製造工廠中，消除靜電危害技術的作業，最有效而且也是最經濟的防治措施即是『靜電接地技術』。靜電接地的目的通常有如下兩項重要要求：

1. 防止物體儲存電荷或帶電體。

2. 防止鄰近帶電體附近的物體產生靜電感應。

　　靜電接地的技術有如下【表九】說明：

【表九】

註：『接地』只適用在導體接地，非導體是無法接地的。

　　另外，除了接地技術是最經濟且是有效的方法外，其它列舉6項消除靜電危害技術運用在LCD製程上常用的方法，其包函如下：

1. 增加溼度

有許多的絕緣物質例如：木材、紙張、混凝土、紡織品等，皆會受到周圍空氣的濕度而影響其濕氣含量，如果當這些絕緣物質表面含有的濕氣愈高時，那麼其導電率亦會隨著增高。如以玻璃為例，50％相對濕度時的導電率，是20％相對濕度時的1,000倍導電率。

再詳細的解釋如右：相對濕度是指固定的體積內空氣的水含量，如23℃相對濕度65％與28℃相對濕度65％，兩者所含的相對濕度有一樣嗎？答案是不一樣的。理由為溫度愈高其相對濕度的含量也就愈高，就像夏天為何容易下雷陣雨一樣，基於此點理論與【表四】的靜電電位表所示，LCD製程要消除靜電，唯有提高溫度使得相對濕度提高來降低靜電的傷害，但此舉需注意溫度提高所帶來的Particle污染。LCD的ESD技術改善者，不可不知道這個道理，而且是需要審慎處理的。

2. 使用靜電消除器

靜電消除器是利用人為的方法把帶電體附近的空氣離子化，當帶電體碰到這些離子時，靜電荷可經由已離子化的空氣傳導至大地，或者吸引離子化空氣中相反極性的電荷加以中和。一般而言靜電消除器可經由離子產生方式區非為【交流式】與【直流式】兩種。

3. 使用抗靜電材料

如導電地板、導電桌墊、導電椅、抗靜電袋等。

4. 降低摩擦速度

如人員穿著靜電無塵衣或產品包裝以防靜電袋處理。

5. 抑制靜電的發生

此項是靜電『預防』的最佳方法，也是最根本的方法。

6. 離子化

係指利用增加空氣的導電度，使靜電荷可以被導開。

　　對於LCD製造各種靜電設備的功能與規範要求，整理製作成一表，詳細的內容如【表十】說明：

【表十】

六、結論

　　靜電防護ESD的觀念與工作，是現在人人所必需要知道的一門學問，這其中尤以從事半導體業與LCD電子光電科技業者最為重要。ESD靜電防護的工作做得好，不但可增加生產良率、節省製造成本，同時也可以使得產品可靠度提高、產品壽命週期相對較長，而客戶的滿意度也因產品品質的穩定，而相對的使客戶滿意度也提高了。相信這是從事ESD靜電防護工作的你我，所非常樂意見到的成果。

【參考資料】

• 常知安，2007，勞工安全衛生管理，千華數位文化股份有限公司，台北。