Ochrona ESD » Czynności i regulacje w miejscu pracy
Po dotknięciu klamki drzwi lub metalowej półki może czasami dojść do wyraźnie odczuwalnego wyładowania elektrycznego. Zwykle dzieje się tak, gdy powietrze jest bardzo suche i noszone są buty z dobrze izolowanymi podeszwami. W takim przypadku eksperci mówią o elektryczności kontaktowej lub o elektryczności tarciowej.
W większości przypadków takie wyładowania elektryczne są zaskakujące i czasami nieprzyjemne dla osoby nimi dotkniętej. Jednak zjawisko to zdecydowanie niezagrażażyciu ze względu na niskie wartości natężenia prądu. W przypadku komponentów elektronicznych sytuacja wygląda jednak zupełnie inaczej. Wynika to z faktu, że coraz większa miniaturyzacja sprawia, że obszary pod napięciem są coraz bliżej siebie. Nawet przy słabym ładunku elektrostatycznym, energia jest wystarczająca do kompleksowego zniszczenia komponentów, podzespołów elektronicznych, czujników lub całych obwodów. Dlatego należy podjąć odpowiednie środki ochronne, aby zapobiec temu efektowi. Aby zmniejszyć ryzyko wystąpienia ładunków elektrostatycznych, z chętnie pokażemy, co należy zrobić i jakie opcje są dostępne.
Wyładowanie elektrostatyczne lub ESD (Electrostatic Discharge) pojawia się zawsze wtedy, gdy między dwoma obiektami występują duże różnice potencjałów. W takim przypadku na jednym elemencie brakuje elektronów (biegun dodatni), a na drugim jest ich nadmiar (biegun ujemny). Do powstania statycznej różnicy potencjałów może dojść, gdy dwa nienaładowane elektrycznie obiekty zetkną się ze sobą, zostaną rozdzielone lub będą się o siebie ocierać. Materiały o słabym wiązaniu elektronowym oddają swoje materiałom o silniejszym wiązaniu.
Osoba chodząca po dywanie wykonanym z włókien syntetycznych, w dobrze izolowanych butach z gumowymi podeszwami, zbiera elektrony, które gromadzą się na powierzchni obuwia, powodując naładowanie ujemne. Napięcie może osiągnąć wartość kilkuset woltów. Gdy taka osoba dotknie metalowej klamki drzwi, która dobrze przewodzi prąd, następuje szybka wymiana ładunków – elektrony odpływają w kierunku ziemi. W zależności od wysokości ładunku elektrostatycznego, tuż przed kontaktem może dojść do powstania iskry. Następnie w ułamku sekundy następuje rozładowanie, co powoduje wyrównanie różnicy potencjałów
Górny szkic: Dwa elektrycznie nienaładowane atomy (A i B) z taką samą liczbą elektronów i protonów.
Środkowy szkic: Transfer elektronów odbywa się poprzez tarcie/kontakt.
Szkic dolny: Przyjmując elektron, atom A jest naładowany ujemnie, a uwalniając elektron, atom B jest naładowany dodatnio.
Uwaga: W celu uproszczenia ilustracji wybrano dwa modele atomów (A i B) z taką samą liczbą elektronów i protonów.
Chociaż wyładowanie elektrostatyczne jest nieprzyjemne dla zdrowych ludzi, zwykle nie ma poważnych konsekwencji. Ogromne i rozległe uszkodzenia mogą natomiast wystąpić w dziedzinie elektroniki i elektrotechniki.
Uszkodzenia elementów półprzewodnikowych
Wysokie napięcia występujące podczas wyładowań elektrostatycznych i związane z nimi szczytowe wartości prądu mogą sprawić, że tranzystory lub układy scalone staną się bezużyteczne w ułamku sekundy. Dzieje się tak, ponieważ komponenty te są bardzo wrażliwe na przekroczenie dopuszczalnych wartości granicznych.
Uszkodzenia obwodów elektrycznych
W obwodach elektrycznych wiele komponentów jest bezpośrednio połączonych ze sobą lub sprzężonych elektromagnetycznie. W rezultacie wyładowania elektrostatyczne mogą powodować ogromne zakłócenia i awarie, które mają negatywny wpływ na cały obwód, w tym na wszystkie podłączone systemy.
Uszkodzenia czujników i urządzeń pomiarowych
Czujniki i urządzenia pomiarowe są często wyposażone w bardzo czułe wejścia w celu precyzyjnego wykonywania wymaganych zadań pomiarowych. Systemy reagują odpowiednio wrażliwie, jeśli zastosowane wartości napięcia są wielokrotnie wyższe w przypadku wyładowania elektrostatycznego.
Uszkodzenia płytek drukowanych i obwodów scalonych
Uszkodzeniu mogą ulec nie tylko komponenty używane na płytkach drukowanych. Zagrożone są również same płytki drukowane. Jeśli wartości napięcia są wystarczająco wysokie, na blisko rozmieszczonych ścieżkach przewodzących mogą wystąpić przebicia napięcia. Nadmierne wartości szczytowe prądu mogą przeciążyć i zniszczyć ścieżki przewodzące.
Uszkodzenia spowodowane utratą danych
Podczas korzystania z elektronicznych nośników pamięci, wyładowania elektrostatyczne mogą prowadzić do częściowej lub całkowitej utraty danych. Oprócz straty danych, awarii mogą ulec całe maszyny i systemy produkcyjne, jeśli urządzenie do przechowywania informacji zawierało wymagany system operacyjny.
We wspomnianym już przykładzie z dywanem i klamką drzwi, napięcie statyczne musi wynosić około 3500 V, aby wyładowanie było zauważalne. W przypadku komponentów wrażliwych na ładunki elektrostatyczne (ESDS - Electrosatic Discharge Sensitive) wystarczy znacznie niższe napięcie , aby spowodować trwałe uszkodzenie. Dlatego osoby, które uszkadzają półprzewodniki w wyniku wyładowań ESD, często nie zdają sobie sprawy z tego, co zrobiły.
To jednak nie wszystko. Uszkodzenia półprzewodników spowodowane przez ESD nie są widoczne gołym okiem. Nawet test funkcjonalny w ramach zamierzonego projektu obwodu nie gwarantuje, że półprzewodniki będą nadal działać bezawaryjnie w dłuższej perspektywie.
Z tego powodu, podczas produkcji i przetwarzania komponentów ESDS, konieczne jest zagwarantowanie, że ładunki elektrostatyczne będą skutecznie eliminowane od samego początku.
W tym celu stosowane są różne pomoce techniczne, które omówimy bardziej szczegółowo poniżej.
Skuteczna ochrona ESD jest zawsze wymagana, gdy komponenty, zespoły lub całe urządzenia są wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne i muszą być chronione. Ponieważ w wielu produktach stosowane są obecnie rozbudowane elektroniczne systemy sterowania, zakres aplikacji, w których skuteczna ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi jest absolutnie niezbędna, stale się poszerza. Główne obszary zastosowań obejmują:
- Elektronika użytkowa i elektrotechnika
- Sterowniki w automatyce przemysłowej
- Komponenty do budowy komputerów
- Złożona elektronika komunikacyjna
- Systemy sterowania do budowy pojazdów
Ochrona ESD dotyczy nie tylko produkcji czy serwisu. Należy również zapewnić ciągłą ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi podczas opracowywania, zapewniania jakości, w różnych opakowaniach, a nawet w magazynie wysyłkowym, na przykład poprzez skuteczne uziemienie.
Wyładowanie elektrostatyczne może mieć miejsce tylko wtedy, gdy wcześniej doszło do naładowania elektrostatycznego. Aby temu zapobiec, istnieją dwa podejścia, które wzajemnie się uzupełniają:
1. Naładowanie statyczne przedmiotów i osób może być skutecznie zneutralizowane przez odprowadzenie elektronów.
2. Prąd podczas wyładowania powinien być ograniczony przez opory elektryczne, aby znacznie spowolnić wymianę ładunków.
W tym celu elektrony emitowane przez materiały o słabym wiązaniu elektronów są odprowadzane do potencjału ziemi za pomocą odpowiednich kabli połączeniowych. Chcielibyśmy przyjrzeć się bliżej najważniejszym środkom ochrony ESD stosowanym w tym celu:
Strefy ochronne ESD
Specjalnie oznakowane strefy ochronne EPA (Electronically Protected Area) są przeznaczone do obsługi i przechowywania komponentów wrażliwych na wyładowania elektrostatyczne. Wszystkie komponenty w strefie ochronnej są podłączone do potencjału uziemienia.
Stanowiska robocze ESD
Stanowiska robocze ESD z uziemieniem są używane do obróbki komponentów wrażliwych na wyładowania elektrostatyczne. Miejsca pracy wyposażone zostały w podłogi przewodzące, maty stołowe oraz złącza do pasków na nadgarstki i stopy.
Odzież ESD
Odzież syntetyczna bardzo szybko się naładowuje. Można to zaobserwować na przykład po zdjęciu swetra wykonanego z włókien syntetycznych. Antystatyczna odzież, obuwie i rękawice zapobiegają gromadzeniu się ładunków ze względu na ich przewodnictwo elektrostatyczne.
Opakowania ochronne ESD
Używane opakowania i pudełka do przechowywania muszą być wykonane z materiału rozpraszającego, aby powstające ładunki elektrostatyczne nie mogły dostać się do środka. Przy prawidłowym obchodzeniu się z nimi, będą się one niezawodnie odprowadzać.
Połączenie uziemienia
Prawidłowo przewodzące połączenie uziemiające o niskiej rezystancji wewnętrznej jest ważnym warunkiem wstępnym dla wszystkich działań ESD. Nawet najniższe napięcia statyczne powinny być odprowadzane niezawodnie i w pełnym zakresie.
Normen und Schulungen
Norma DIN EN 61340-5-1 (VDE 0300-5-1) określa ogólne wymagania dotyczące ochrony komponentów elektronicznych przed zjawiskami elektrostatycznymi. Osoby odpowiedzialne muszą być stale szkolone i uwrażliwiane w tym zakresie.
Najlepiej, jeśli stanowisko pracy ESD znajduje się w strefie bezpieczeństwa (EPA). Strefa ochronna może obejmować pojedyncze miejsce pracy, całe pomieszczenie z kilkoma stanowiskami roboczymi lub nawet cały budynek. Wyposażenie stanowiska pracy ESD zależy ostatecznie od rodzaju i zakresu wykonywanych tam czynności. Zasadniczo można jednak stwierdzić, że muszą istnieć pewne cechy sprzętu i środki ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi.
Stoły ESD i konstrukcje nośne
Stół roboczy ESD powinien być regulowany ergonomicznie, tak aby praca mogła być wykonywana przez długi czas bez zmęczenia.
Stół, jak również konstrukcja nośna, muszą być uziemione, aby miejsce pracy zawsze pozostawało neutralne pod względem ładunku.
Maty do miejsca pracy
Maty stołowe ESD okazały się idealne do tworzenia tymczasowych stanowisk pracy ESD.
Oferują one opcje podłączenia do uziemienia nadgarstków i stóp oraz mogą być podłączone do gniazd za pomocą wtyczek uziemiających ESD.
Uziemienie osób
Ze względu na swoje ruchy, ludzie są szczególnie podatni na ładunki elektrostatyczne.
Dlatego należy podjąć specjalne środki ochronne.
Obejmują one obuwie ESD, opaski ESD, krzesła ESD i odzież ESD.
Wykładziny podłogowe ESD
Fotele ESD
Podobnie jak stoły robocze, krzesła ESD również powinny być ergonomiczne i indywidualnie dopasowane do osoby z nich korzystającej.
Dzięki ich właściwościom rozpraszania ładunków elektrostatycznych, nie dochodzi do znacznego gromadzenia się wyładowań podczas przesuwania krzesła po podłodze w trakcie pracy.
Narzędzia i urządzenia
Wymagane narzędzia, takie jak pincety, śrubokręty i szczypce, również powinny być zabezpieczone przed wyładowaniami elektrostatycznymi.
Narzędzia takie jak stacje lutownicze lub wymagane urządzenia pomiarowe również muszą być odpowiednio chronione.
Skrzynki do przechowywania i systemy transportowe
Przedmioty przeznaczone do obróbki muszą być, zgodnie z procesem, przyniesione, przechowywane i również odtransportowane do stanowisk pracy chronionych przed wyładowaniami elektrostatycznymi (ESD).
W tym celu należy używać wózków transportowych ESD, skrzynek na sortyment ESD, toreb ESD oraz pojemników ESD, które posiadają funkcję odprowadzania ładunków elektrostatycznych.
Ważna uwaga: Należy stosować odpowiednie środki czyszczące, aby nie pogorszyć funkcji odprowadzania wody z podłóg i powierzchni magazynowych. Na przykład dostępny na rynku wosk do podłóg znacznie pogorszyłby zdolność odprowadzania wody z wykładzin podłogowych lub powierzchni posadzki.
Nasze rekomendacje produktów ESD
Dlaczego skuteczna ochrona przed ESD jest tak ważna?
Wyładowania elektrostatyczne zazwyczaj nie są odczuwalne przez osoby, które je wywołują. Jednakże ładunki mogą spowodować poważne uszkodzenia. Zwłaszcza, że usterki niekoniecznie występują natychmiast, w zależności od stopnia uszkodzenia. Niepotrzebne awarie systemu, kosztowne naprawy i znaczna utrata wizerunku w przypadku wadliwych produktów szybko sumują się do niemałej kwoty szkód..
Czy istnieją czynniki sprzyjające gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych?
Istnieje wiele czynników, które wpływają na poziom i polaryzację ładunku. Obejmują one rodzaj i właściwości powierzchni materiału oraz warunki otoczenia, takie jak wilgotność. Gdy wilgotność wynosi od 40 do 60%, ładunek jest generalnie uwalniany przez powietrze. Możliwe jest to tylko w ograniczonym zakresie, na przykład w suchym powietrzu z ogrzewania. Niska wilgotność sprzyja zatem gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych.
Co oznacza termin „antystatyczny”?
Komponenty i materiały elektroniczne są określane jako antystatyczne, jeśli przeciwdziałają naładowaniu elektrostatycznemu lub je redukują. Można to osiągnąć poprzez rozpuszczanie ładunków elektrycznych lub zmniejszenie tarcia.
Czy można przetestować funkcjonalność stacji roboczej ESD?
Istnieje szeroka gama różnych urządzeń testujących ESD, które mogą być używane do dokładnego testowania funkcjonalności stacji roboczej ESD lub sprzętu w strefie ochrony ESD (EPA).
Do czego potrzebne są wtyczki uziemiające ESD?
Wtyczka uziemiająca wykorzystuje styk uziemiający gniazda sieciowego do ustanowienia połączenia z potencjałem uziemienia wymaganym do rozładowania. Oznacza to, że nie są potrzebne żadne większe prace instalacyjne ani układanie kabli.