Puolijohde-, optoelektroniikka- ja tarkkuusvalmistusteollisuudessa tuotteen saantoon vaikuttavat tekijät eivät useinkaan ole ilmeisiä mekaanisia vaurioita, vaan pikemminkin valmistusprosessiin piilossa oleva sähköstaattinen kerääntyminen ja hiukkaskontaminaatio. Etenkin puhdastilaympäristöissä pienikin staattinen sähkö voi helposti vetää puoleensa pölyä ja hiukkasia ja laukaista paikallista purkausta aiheuttaen kontaminaatiota tai vikoja kiekkojen pinnoissa, valonaamioissa ja tarkkuuskomponenteissa. Se voi myös aiheuttaa mikro-vaurioita tai mahdollisia toimintahäiriöitä herkille laitteille, mikä vaikuttaa myöhempien prosessien vakauteen ja luotettavuuteen. Edistyksellisenä keraamisena materiaalina, jota käytetään laajalti tarkkuusvalmistuksessa, alumiinioksidia on pitkään arvostettu sen korkean kovuuden, kulutuskestävyyden, korroosionkestävyyden, korkean-lämpötilan sietokyvyn ja erinomaisten eristysominaisuuksien vuoksi. Erittäin sähköstaattiselle sähkölle herkissä sovelluksissa korkea eristys ei kuitenkaan aina ole etu. Liiallinen eristys voi johtaa varauksen kertymiseen pinnoille tai paikallisille alueille, mikä lisää hiukkasten houkuttelemisen ja paikallisen purkauksen riskiä. Siksi siitä, kuinka saavuttaa kontrolloitu sähköstaattinen hajoaminen säilyttäen samalla alumiinioksidin alkuperäiset suorituskykyedut, on tullut uusi suunta materiaalien optimoinnissa.
I. Mitä ovat sähköstaattista sähköä hajottavat materiaalit?
Sähkökäyttäytymisen näkökulmasta materiaalit luokitellaan yleensä kolmeen luokkaan:
01 Eristysmateriaalit
Sille on ominaista sähköinen eristys, erittäin suuri volyymivastus ja rajoitettu varauksen liikkuvuus, mikä johtaa pitkäaikaiseen varauksen kertymiseen pinnoille tai paikallisille alueille.
02 Sähköstaattista sähköä haihduttavat materiaalit (ESD-turvalliset/dissipatiiviset materiaalit)
Tilavuusresistanssi on eristeiden ja johtimien välissä. Ne eivät kerää varausta pitkiä aikoja, kuten hyvin eristävät materiaalit, eivätkä johda varausta välittömästi kuten erittäin johtavat materiaalit. Niiden ydinominaisuus on sähköstaattisen sähkön kertymisen estäminen ja hallitun, hellävaraisen varauksen hajaantuminen.
03 Johtavat materiaalit
Ominaista nopea latauksen johtuminen tai hajoaminen, pieni volyymivastus mahdollistaa nopean latauksen siirron.
II. Sähköstaattista dissipatiivista toiminnallista alumiinioksidia koskevat tekniset lähestymistavat
Toteutuksen näkökulmasta sähköstaattista hajoavaa toiminnallista alumiinioksidia ei tarkoiteta vain "antistaattisen etiketin" lisäämisellä tavalliseen alumiinioksidiin. Sen sijaan materiaalisuunnittelun avulla alunperin erittäin eristävä alumiinioksidi säädetään tavoitevastusalueelle, joka sopii sähköstaattiseen säätöön, mikä mahdollistaa alumiinioksidin alkuperäisen mekaanisen ja ympäristöllisen suorituskyvyn säilyttämisen samalla, kun saavutetaan vakaampi, paremmin hallittava sähköstaattinen hajoaminen. Kaiken kaikkiaan tekniset lähestymistavat voidaan jakaa karkeasti kahteen reittiin.
01 Pintafunktionalisointireitti
Tämä reitti ei muuta alumiinioksidimassan luontaisia ominaisuuksia. Sen sijaan se antaa sähköstaattisia ohjausominaisuuksia osan pinnalle pinnoitteiden tai pintakäsittelyjen avulla. Etuna on suhteellisen yksinkertainen toteutusreitti, joka sopii erityisen hyvin johtavien tai dissipatiivisten vaikutusten nopeaan aikaansaamiseen olemassa oleviin alumiinioksidin rakenneosiin. Rajoitukset ovat kuitenkin myös ilmeisiä: kun sovellukset vaativat parempaa korroosionkestävyyttä, kestävyyttä ja hiukkasten hallintaa, vain pintaratkaisut kohtaavat usein uusia haasteita. Julkisesti saatavilla olevan tiedon perusteella polymeeripinnoitteet ovat yleinen ratkaisu tällä reitillä. Asuzacin kirjallisuudessa huomautetaan, että koska alumiinioksidi itsessään on eristävä materiaali, monet aiemmat sovellukset käyttivät johtavia fluoripolymeeripinnoitteita (mukaan lukien teflonpinnoitteet) pinnan johtavuuden saavuttamiseksi. Chemoursin Teflon PFA C-980 -tuotetiedot osoittavat, että modifioidut fluoripolymeerit voivat saavuttaa antistaattisen sähkönjohtavuuden. Tämä osoittaa, että alumiinioksidin rakenneosien eristämisessä toiminnalliset pinnoitteet ovat olleet suhteellisen suora teollisuuden tie pinnan staattiseen hallintaan.
02 Joukkomuokkausreitti
Tämän reitin ytimenä on saavuttaa kohtalainen resistanssi ja hajoamisominaisuudet koko materiaalissa formulaatiosuunnittelun ja materiaalimassan mikrorakenteen ohjauksen avulla. Etuna on se, että hajoamiskyky tulee itse materiaalista, mikä tekee siitä suotuisamman ylläpitämään kulutuskestävyyttä, korroosionkestävyyttä, puhtautta ja mittojen vakautta pitkäaikaisessa käytössä. Puolijohde-, optoelektroniikka- ja tarkkuusvalmistusskenaarioissa tämä on erityisen tärkeää, koska komponentit tarvitsevat usein staattisen ohjauksen lisäksi myös pientä hiukkasten muodostusta, korkeaa puhtautta ja pitkää käyttöikää. Edustava esimerkki massamuokkausreitistä on CoorsTekin StatSafe™ ESD-turvallinen keraaminen materiaali. Julkiset tiedot osoittavat, että tämä materiaali perustuu todistetusti puolijohdelaatuiseen alumiinioksidiin ja saavuttaa staattisen sähkön häviämisen suunnitellun monivaiheisen mikrorakenteen avulla, jolla on hallittu sähköinen käyttäytyminen. Tavalliseen alumiinioksidiin verrattuna StatSafe™ säilyttää suorituskykyedut korkean kovuuden, suuren jäykkyyden, kulutuskestävyyden, korroosionkestävyyden ja mittapysyvyyden, samalla kun se tarjoaa erinomaiset hajoamisominaisuudet ja hyvän pinnanlaadun (niinkin alhainen 0,3 μm), mikä tekee siitä sopivan puhdastiloihin, erittäin tarkkoihin sovelluksiin, kuten päätytyökalut ja poimintatyökalut.