静電気放電

　“静電気放電（Electro-static Discharge: ESD）”として、身近な現象としては、冬場等の乾燥期に衣服を着脱する際や、車のドアの開閉時や、乾燥機から衣服を取り出す時に感じるものがあります。このESD、実は、暗闇だと目にも見えますし、音も聞こえることがあります。また、雷は、自然界の非常に大きなESDといえます。

　このような現象は、感じる対象を人間として考えた場合のもので、その対象をESDに敏感な部品類（Electro-static Discharge Sensitive Devices：ESDS）にすると、もっと、小さな力で、大きな影響を与えるようになります。このようなESDSには、半導体ＬＳＩや、ある種の電子／電気機器装置類が含まれます。そして、これらのESDSは、表１に示されるような人体のありふれた動作で発生する静電気で、簡単に破壊されます。

　また、ESDSの破壊電圧は、表２に示されるようにさほど大きいものではありません。つまり、ESDSを取り扱う作業者は、十分な訓練を受け、十分な対策を行わないと、ESDSを簡単に破壊してしまうことになります。

　そこで、最近では、そのように対策を行った場所を、ESD Protective Area(EPA)として、一般の場所と区別して作業を行うことにしています。理想的には、工場全体や作業場全体を、EPAにするのが良いのですが、予算の面や作業性の面などから、実際には、そうできないのが一般的です。したがって、工場の中や作業場の中、あるいは、顧客への輸送においては、ESDSを特別に守るための対策が必要になります。

静電気は何故発生するのか

　２つの材料を擦り合わせたり、引き剥がしたりすると静電気が発生することは、よく知られています。これを簡単に考えると、”摩擦する力の一部が、電気エネルギーへ変化する結果”ということになります。もう少し詳しく考えると、物質同士を擦り合わせた際に局部的に表面分子の温度が上昇し、一方の物質は、電子を放出し易い状態となり、放出された電子が、もう一方の物質表面の分子に移動し、その結果、電子を失った側が正電荷に、電子を得た側が負電荷となります。

　そして、このような電子の放出し易さには、傾向があり、それを示したものが、摩擦帯電列と呼ばれるものです（表３）。この表の上部の材料と、下部の材料を擦り合わせた場合には、上部が正に下部材料が負の帯電を示すように配列されています。ただし、このような配列は、一般に経験則で温度、湿度、気圧等の環境要因により変化することがあるので、参考程度に使用すべきです。

　異なる材料間の帯電発生は理解しやすい現象ですが、同じ種類の材料ではどのようにして帯電が発生するのでしょうか？一つの要因に、摩擦が均一に行われていないことによるエネルギーの不均一さがあり、もう一つの要因として、表面の分子状態が同じ材質でも異なっていることが挙げられます。

帯電

　摩擦以外でも物質は帯電しますが、静電気電荷が物質に見られる状態を、帯電した物質と呼ぶことにします。この物質の帯電状態は、その物質が本来保持する電荷の流れやすさにより、その状態の継続時間が異なります。一般的には、電荷の流れやすい材料を導体、流れにくいものを絶縁体と呼びます。導体は、接地により簡単に電荷を拡散したり、接地が取れない場合でも、空気中のイオンと結合したり、物質の尖った場所等から、放電したりして、比較的短い時間で帯電状態を脱します。

　しかし、絶縁体の場合には、かなり長時間帯電状態を継続することになります。ここで、注意しなければならないのは、表３にも示されるように、金属のような導体でも帯電するということです。接地すれば、金属は、帯電しないと思い込むのは、このことからも危険であることが解ります。そして、金属は、先ほど述べたように、常時、放電の危険があります。また、絶縁体では、表面付近に、逆の極性の領域が発生することもあります。電子・電気産業での、一般的静電気発生源は、表４のようです。

抵抗率によるESD防止材料の区分

　物質を、導体と絶縁体に分類した場合、その中間領域を、半導体と呼ぶことがあります。ESD対策では、それぞれの用途により特別な要項を持たせるために、一般的に抵抗で表５のような特別な区分を設定しています。80年代の前半は、単純に導電性材料と絶縁性と区分していましたが、一般の導電材料とその間の抵抗値を有する半導電材料との区別が難しいために、静電気導電性材料、静電気拡散性材料、絶縁材料と区分する場合も多くなりました。又、帯電防止材料という用語は、摩擦などの静電気の発生を抑制するという意味で使用されていました。

　この概念については、近年、用語としては低帯電性という言葉を使用するようになってきたのですが、規格や標準などで数値化することが難しいため、国際規格で見送られています。

電気障害対策

　静電気対策の基本となるものは接地ですが、包装材料などでは、接地を取ることができなかったり、接地場所が不明な保守作業などでは、接地の代わりに、1.等電位結合という考え方を使用します。また、発生を抑制（防止ではありません）するため、その主たる要因と考えられる摩擦や誘導への対策も良く行われます。この場合、前者が、2.帯電防止、後者は、3.シールドというと分かりやすいかもしれません。この３つをうまく使用すれば、通常のESD問題は解決できます。

測定指標

　材料を評価する上で最も有効と思われるものは、実際に発生している障害に対して、どの程度、防御、あるいは、制御できているかを評価するものです。従って、静電気障害対策の評価を行う最も良い方法は、まず、静電気障害を、実際と同じような方法で発生させ、材料の発生電荷量や電圧の抑制効果を比較する方法が有効となります。既存の規格、標準、仕様書の中には、材料を摩擦させ、発生電荷を測定したり、発生電荷の減衰時間を測定する方法などが取り入れられます。しかし、再現性の問題は、解決できていません。

1. 帯電特性

　摩擦による帯電を評価する方法は、何らかの方法で摩擦帯電を発生しそれをファラディーカップで電荷量測定するというものです。DIPスティックにＩＣを入れスティックを傾斜させてＩＣとスティックを摩擦させ、その後ＩＣの電荷量を測定したり、袋に円盤状のクォーツ等を入れ袋を上下させることにより、その電荷量を測定するもの、傾斜させた板にサンプルフィルムを貼り付けて、その上にシリンダー状の物体を回転させながら転がし、その電荷量を測定する等様々な方法が考案されています。

　これらの方法は、具体的に電荷量が表示されているので、ESDSの破壊電圧を考慮しながら、使用特性を決定できるという利点があるのですが、電荷発生の再現性や試験手順の標準化等、多少問題がある為に最近では、あまり使用されなくなってきています。

2. 電荷の拡散

　静電気の発生を評価する他に、発生した静電気をどの程度拡散する能力があるかを評価する方法があります。それは、静電気電荷を拡散する能力を示すものです。

2.1 抵抗測定

　この拡散特性は、材料の表面に電流を流し、その抵抗を測定したり、拡散する時間を測定したりすることにより評価します。抵抗測定は、材料の様々な要因で測定値が変化するために、個々の材料・製品で測かったり、複数の異なる場所で測定を行うために、形状や大きさの異なる電極が開発されています。この他、電圧、印加時間、温度、湿度等の要因を決定しなければなりません。

　従来から行われていた表面抵抗の測定は、表面の電荷の流れ易さを示そうとしたものですが、そのままでは、相対的な比較ができないために、過去には、表面抵抗率に計算して、表示をしていました。しかし、この表面抵抗には、測定上の制約により、体積成分が含まれ、また、素材の形状により、測定値に大きな違いが出る為、現実的ではないことが指摘されたために、最近では、個々の製品毎に、抵抗を測定するようになってきました。

2.2 減衰時間

　抵抗は、間接的に静電気の拡散を予想しますが、減衰時間は、電荷の拡散を直接的に、時間（通常は、ミリ秒以上）で評価します。この評価方法は、比較的古くから行われてきた方法で、わが国でもＪＩＳになっています。

　減衰測定は、抵抗以外の容量成分を含んだ形で電荷の拡散を時間をスケールに表示するものです。MIL-PRF-81705では、初期電荷の1％つまり50Ｖ迄の減衰時間を2.00秒以下と規定しています。この２秒という値は、袋の開封に作業者が必要とする時間が、２秒程度で、仮に帯電していたとしても、その間に接地に逃がすことができる為です。つまり、減衰時間の測定は、非常に現実的で、様々な問題があると指摘されていても、MILで長期間使用されているのはそのためではないかと思います。

2.3 静電気シールド

　帯電を抑制できたとしても、誘導や直接放電で包装材料内のESDＳが損傷を受ける可能性があります。この現象に対処する為に考えられたのが、静電気シールド特性です。通常のEMIシールドをそのまま、使用しないのは、ESD管理では、剥きだしの導体は嫌われます。又、袋を開封せずに、内容物が、確認するような作業工程をとることが多いのです。そこで、このような目的のためには、金属化した層を持つラミネートフィルムを使用するようになってきたのです。しかし、このフィルムを評価する適当な指標が無く、結局、EMIシールドの測定方法を参考にして、考えられたのがキャパシティブプローブ測定です。