クリーンルームにおける帯電防止対策

1. 静電気の発生とその危険性

静電気は、物質内部または物質間（分極および伝導を含む）での電子の移動によって生じる。2種類の異なる物質が接触したり、非常に近い距離（例えば10～25cm）に置かれたりすると、量子トンネル効果により界面を電子が透過し、電子の交換が起こる。平衡状態に達すると、物質間には電位差が形成され、界面の両側に等量の正および負の電荷が生じる。接触後に物質が離れた場合、それらは等量かつ反対符号の電荷を帯びることになる。これが静電気発生の基本的な原理である。

静電気は主に次の3つの方法で発生する：

• 摩擦帯電 : 異なる2つの物質が接触または摩擦すると、電子は結合能力の弱い物質から強い物質へと移動し、一方の物質が正に帯電し、他方が負に帯電することになる。

• 伝導帯電 : 導体の場合、電子は表面上で自由に移動する。導体が帯電体に接触すると、電荷の平衡が達成されるまで電子が移動し、静電気が発生する。

• 誘導帯電 : 導体が外部の静電場に置かれたとき、同種の電荷間の反発力および異種の電荷間の引力によって電子が再分布し、電荷のアンバランスが生じ、静電気が発生する。

静電気の発生に関する基本的な原理と方法から、一般的な電子製品の製造・生産工程において、多くの段階で静電気が発生し得ることが明らかです。電子機器の製造工程では、作業者や作業台、工具、部品、梱包材などが帯電する可能性があります。静電気が存在する場所では、必ずESD（静電気放電）イベントが発生します。主な障害としては、瞬間的な放電電流により回路内でノイズが誘導されたり、基準グランド電位（例えば製品グランド、信号グランド）に揺らぎを生じさせたりして、正常な回路動作を妨げるといった問題があります。

静電気による障害の特性は、落雷や電磁妨害とは異なり、次のような特徴があります：

• 潜伏性 ：ESDイベントは人間には感知されないことが多いですが、それに気づかずに部品が損傷する場合があります。

• 遅延性と累積効果 ：一部のコンポーネントは、静電気放電（ESD）の影響で即座の故障は発生しなくても性能が低下することがあり、使用中に後から故障する可能性があります。

• ランダム性 ：静電気による損傷は、製造、生産、整備の各段階や、帯電した物体との接触時に発生する可能性があり、非常に予測が困難です。

• 複雑さ ：静電気損傷は他の種類の故障と誤認されやすく、誤った診断につながることがあります。

電子製品の組立において、静電気は製品品質、歩留まり、信頼性に深刻な影響を与えます。クリーンルームでは、生産時のESDリスクを最小限に抑えるため、体系的な静電気対策を実施する必要があります。

2. 静電気保護

効果的な静電気保護は、一般的に次の3つの基本原則に従います：

1. 静電荷の蓄積を低減または防止する。

2. 安全な静電気放電経路を確立する。

3. 必要な静電気監視システムを実施し、効果を確保する。

2.1 接地システム

強固な接地システムは、電荷の蓄積を防ぎ、安全な放電経路を提供するために不可欠です。静電気接地とは、帯電物体または静電気を発生させる可能性のある物体（非絶縁体）を導体を通じて大地に接続し、それらを大地と同じ電位に維持することを指します。これにより、電荷の移動と漏洩が促進され、静電気の放電が効果的に行われ、電荷の蓄積を防ぎます。

2.2 環境管理

静電気の発生とその大きさは、環境の湿度および空気中のイオン濃度と密接に関係しています。静電気電位は湿度と反比例します。クリーンルームのような超清浄環境では、イオン濃度が低いため、静電気が発生しやすくなります。

同じ動作でも湿度レベルによって静電圧が1桁異なる場合があります。ただし、湿度が高すぎると機器に結露を生じる可能性があるため推奨されません。湿度は30%～75%などの適切な範囲で維持する必要があります。

3. 静電気モニタリング

高湿度は人体で感知できないレベルまで静電気を低減することができますが、それでも感受性の高い部品を損傷させる可能性があります。正しい理解としては、高湿度は静電気の発生を抑制し、低湿度はそれを促進すると認識すべきです。厳格な静電気対策が必要な製品においては、従来の保護措置に加えて、静電気の発生をモニタリングし記録することが不可欠です。実用的な解決策には、静電気防止用入退管理システムやリアルタイムオンライン静電気モニタリングシステムが含まれます。

3.1 静電気防止入退管理システム

静電気を発生源で制御するために、重要なエリアには静電防止用のアクセス管理システムが導入されます。これらのシステムは、静電気管理区域に入る作業者が適切な静電気対策や機器を装備しているかを確認します。機能モジュールには以下が含まれます：

• 身元および権限の確認

• 静電気防止用リストストラップおよび靴の検査

• レベル制御パネル

効果を高めるため、高潔浄性が要求される環境では、アクセス管理システムを空気シャワー設備と統合することができます。アクセス信号を空気シャワードア制御システムに組み込むことで、作業員が作業エリアに入る時点から静電気対策機器の有効性を確保できます。

3.2 静電気リアルタイムオンライン監視システム

一般的な電子機器製造において、静電気テスターは、従業員のアンチスタティックリストストラップをチェックするために一般的に使用されます。ISO 9001に準拠するため、記録は多くの場合紙のフォームに手動で記載されます。ただし、アンチスタティックリストストラップが作業中に故障したり、アースシステムの一部が切断された場合、その障害を即座に検出するのが困難です。

これを解決するため、電子工場の一部ではアースシステムにリアルタイムオンライン監視モジュールを組み込んでいます。このシステムはアース回路の完全性を利用し、回路のいずれかの部分がオープン状態になった場合や、抵抗値が異常に高くなった場合（例：＞10 Ω）に赤色の警告灯（およびオプションで音声アラーム）を作動させます。このシステムによりリアルタイムでの監視が可能となり、面倒で形式的な紙の記録作業が不要になります。