Rys. 1. Symbol elementów bezpiecznych przeciw ESD
ESD (Electro Static Discharge) są to wyładowania elektrostatyczne spowodowane poprzez transfer ładunków z obiektów będących o różnym potencjale elektrycznym. Takie ładunki występują gdy różne materiały są pocierane bądź oddalane od siebie. Przeskok dokonywany jest od ładunku o potencjale ujemny do ładunku posiadającego potencjał dodatni. Powstawanie takich ładunków może wystąpić podczas przemieszczania się po podłodze wykonanej z materiałów systentycznych, poprzez pocieranie o siebie części ubrań, przesuwanie pojemników plastikowych czy rozwijanie taśmy.
Przy takich sytuacjach powstaje napięcie elektrostatyczne którego wartość w środowisku pracy przekracza 10kV, natomiast przy niższej wilgotności może to nawet wynosić 30kV. Z tego powodu minimalna wartość wilgotności w miejscach przechowywania układów narażonych na tego typu problemy powinna wynosić minimum 30%. Poniżej tej wartości ładunki mogą łatwiej się gromadzić na powierzchni izolatorów. Jeśli ciężko jest zlikwidować ten problem należałoby zastosować jonizatory powietrza.
Przeskoki ładunków mogą spowodować dwa rodzaje błędów twarde oraz miękkie. Pierwsze z nich powoduje zniszczenie urządzenia, przez co staje się ono niezdolne do dalszej poprawnej pracy. Drugie natomiast staje się widoczne dopiero po pewnym czasie, gdy było ono już dłuższy czas eksploatowane.
Aby zapobiec występowaniu takich efektów należy w odpowiedni sposób zabezpieczyć każdy z etapów produkcji na jakich mogą wystąpić problemy, czyli produkcji, testowania, transportu, przechowywania, pakowania i ostatecznie użytkowania.
Materiały zabezpieczające przez wyładowaniami można podzielić na 4 rodzaje:
osłaniające, rezystancja do 10^3 Ohm
przewodzące, rezystancja od 10^3 do 10^5 Ohm
rozpraszające ładunki elektryczne, rezystancja od 10^5 do 10^12 Ohm
izolacyjne, rezystancja ponad 10^12 Ohm
Przeskoki ładunków mogą spowodować dwa rodzaje błędów twarde oraz miękkie. Pierwsze z nich powoduje zniszczenie urządzenia, przez co staje się ono niezdolne do dalszej poprawnej pracy. Drugie natomiast staje się widoczne dopiero po pewnym czasie, gdy było ono już dłuższy czas eksploatowane.
Aby zapobiec występowaniu takich efektów należy w odpowiedni sposób zabezpieczyć każdy z etapów produkcji na jakich mogą wystąpić problemy, czyli produkcji, testowania, transportu, przechowywania, pakowania i ostatecznie użytkowania.
Materiały zabezpieczające przez wyładowaniami można podzielić na 4 rodzaje:
osłaniające, rezystancja do 10^3 Ohm
przewodzące, rezystancja od 10^3 do 10^5 Ohm
rozpraszające ładunki elektryczne, rezystancja od 10^5 do 10^12 Ohm
izolacyjne, rezystancja ponad 10^12 Ohm
Poziom wyładowań jaki jest generowany będzie silnie zależny od wilgotności powietrza, co wspomniałem wcześniej. Poniżej przedstawiam zestawienie wartości napięcia elektrostatycznego dla różnych czynności:
- Wilgotność od 10 do 25%
- Chodzenie po dywanie 35000V
- Chodzenie po winylowej wykładzinie 12000V
- Praca przy biurku 6000V
- Wilgotność od 65 do 90%
- Chodzenie po dywanie 1500V
- Chodzenie po winylowej wykładzinie 250V
- Praca przy biurku 100V
Szczególnie czułe na wyładowania elektrostatyczne są takie układu jak CMOS, TTL, układy scalone, diody laserowe. Poziomy napięć niszczących układy to np. [3]
- VMOS - 30-1800V
- MOSFET - 100 - 200V
- GaAsFET - 100 - 300V
- EPROM - 100V
- JFET - 140 - 7000V
- CMOS - 250 - 3000V
- Wzmacniacze operacyjne - 190 - 2500V
- Tranzystor bipolarny - 380 - 7000V
- Diody Schotkiego - 300 - 2500V
- Tranzystor Schotkiego - 1000 - 2500V
Strefa EPA
Podstawowym elementem jaki należałoby zastosować w miejscach produkcyjnych jest wydzielenie strefy EPA ( ESD Protected Area ). W niej nie występują przedmioty, które mogły by uszkodzić urządzenia podatne na wyładowania elektrostatyczne. Charakteryzuje się ona występującym maksymalnym natężeniem pola elektrycznego wynoszące 100 V/cm.
Z stanowisk znajdujących się w tej strefie należy usunąć jedzenie oraz napoje. Przed wejście na zabezpieczony teren powinny znajdować się bramki sprawdzające uziemienie pracownika.
Ważnymi elementami jakie powinny się znaleźć w tej strefie zostały wymienione poniżej.
Każde stanowisko pracy powinno być wyposażone w maty antystatyczne. Wykonuje się je z dwóch lub trzech warstw. Te pierwsze są one wykonane z syntetycznego kauczuku. Od strony zewnętrznej powinna być wykonana jako powierzchnia rozpraszająca od spodu jako przewodząca objętościowo. Maty trzy warstwowe posiadają wierzch i spód z syntetycznego kauczuku, natomiast środek jest wykonany z pianki. Ich rezystancja mat wynosi 1 MOhm do 10 MOhm.
Drugi rodzaj mat jest wykonany z przewodzącej gumy syntetycznej, jako dodatek stosuje się węgiel. Umieszcza się ją do wyłożenia półek, wózków bądź regałów. Posiada ona nieco niższą rezystancję 100 kOhm do 1 MOhm.
Do pracy przy serwisie sprzętu wykorzystuje się przenośne maty wraz z systemem uziemiającym. Podczas pracy pracownik powinien być podłączony do maty poprzez opaskę zawierającą 1 MOhm rezystor, dodatkowo mata musi być odpowiednio uziemiona również z wykorzystaniem rezystora 1 MOhm.
Są one wykonane z dodatkiem tkaniny rozpraszającej wyładowania elektrostatyczne. Przeważnie ich skład oscyluje w okolicach 63-65% poliester, 34% bawełna i w zależności od producenta 1-3% materiału rozpraszającego ładunek statyczny np. włókno węglowe. Wplecione jest ono jako paski przez całą długość lub jako kratka. Typowa rezystancja powierzchniowa wynosi od 1 do 100 MOhm.
Kolejnym elementem są buty. Ich rezystancja powinna wynościć od 0,1 MOhm do 35 MOhm. Pozwalają one na zmniejszenie naładowania elektrostatycznego poprzez odporowadzenie ładunków.
Są one źródłem dodatkowego zabezpieczenia przed skutkami wyładowania elektrostatycznego. Mogą być one wykonane np. poliamidu. Palce dodatkowo są pokryte warstwą poliuretanu. W materiał dodatkowo zostało wplecione włókno węglowe.
Ich skuteczność w ograniczeniu ładunku jest niewielka, około kilku voltów. Natomiast sprawdzają się świetnie w przypadku ochrony komponentów bądź całych pakietów przed brudem, solą, tłuszczem jaki może znajdować na palcach.
Muszą one być czyste i zachowane w dobrym stanie. Częstotliwość wymiany zależna jest od charakteru pracy.
Działanie jonizatorów opiera się na rozpraszaniu w atmosferze dodatnich i ujemnych jonów. Jony wchodzą w kontakt z ładunkami jakie gromadzą się na powierzchniach, co powoduje ich neutralizację.
Jonizatory można podzielić na trzy rodzaje jądrowe, AC, DC. AC pozwala na neutralizację za pomocą strumienia powietrza,
Można wyróżnić dwa rodzaje ochrony jonowej tzw. lokalna i kompletna, w ich skład wchodzą różne rodzaje urządzeń i kontroli. Pierwsza z nich obejmuje mały obszar np. stanowisko robocze. Odpowiednią jonizacje otrzymuje się poprzez wykorzystanie pistoletowych oraz na biurkowych odmian tych urządzeń.
Wśród dodatkowych elementów zabezpieczających można wyróżnić np.
kuwety ESD
narzędzia w tym śrubokręty, pęsety, szczotki itp.
materiały biurowe np. segregatory, półki na dokumenty, podkładki, uchwyty ścienne, koszulki czy nawet długopisy.
Kolejnym elementem są opakowania przeznaczone do transportu komponentów, są to opakowania rozpraszające, przewodzące, ekranujące.
Wszystkie elementy znajdujące się w strefie EPA powinny byś okresowo sprawdzane i czyszczone za pomocą specjalnych środków, które nie pozostawią warstwy izolacyjnej na powierzchni.
Rys. 2. Strafa EPA, znak
Z stanowisk znajdujących się w tej strefie należy usunąć jedzenie oraz napoje. Przed wejście na zabezpieczony teren powinny znajdować się bramki sprawdzające uziemienie pracownika.
Ważnymi elementami jakie powinny się znaleźć w tej strefie zostały wymienione poniżej.
Maty
Każde stanowisko pracy powinno być wyposażone w maty antystatyczne. Wykonuje się je z dwóch lub trzech warstw. Te pierwsze są one wykonane z syntetycznego kauczuku. Od strony zewnętrznej powinna być wykonana jako powierzchnia rozpraszająca od spodu jako przewodząca objętościowo. Maty trzy warstwowe posiadają wierzch i spód z syntetycznego kauczuku, natomiast środek jest wykonany z pianki. Ich rezystancja mat wynosi 1 MOhm do 10 MOhm.
Drugi rodzaj mat jest wykonany z przewodzącej gumy syntetycznej, jako dodatek stosuje się węgiel. Umieszcza się ją do wyłożenia półek, wózków bądź regałów. Posiada ona nieco niższą rezystancję 100 kOhm do 1 MOhm.
Do pracy przy serwisie sprzętu wykorzystuje się przenośne maty wraz z systemem uziemiającym. Podczas pracy pracownik powinien być podłączony do maty poprzez opaskę zawierającą 1 MOhm rezystor, dodatkowo mata musi być odpowiednio uziemiona również z wykorzystaniem rezystora 1 MOhm.
Uziemienie pracowników
Pracownik musi być w odpowiedni sposób uziemiony. Najczęściej wykonuje się to poprzez opaskę zakładaną na nadgarstek. Jest to jeden z najbardziej skutecznych i tanich sposobów na zabezpieczenie się przed ESD. Pozwala ona bardzo skutecznie odprowadzać ładunki z ciała człowieka. Powinna ona być połączona przewodem miedzianym, zawierającym rezystor 1MOhm, z punktem uziemiającym EBP. Ten punkt służy do łączenia elementów na stanowisku roboczym. Jej końcówka powinna być połączona do uziemienia wspólnego. EBP ma przeważnie trzy wyprowadzenia do każdego z nich został podłączony rezystor 1 MOhm. Jedno z nich jest oczywiście podłączone do nadgarstka, druga podłączona do maty na blacie, trzecia do uziemiania łączonego razem z podłogą.
Rys. 3. Opaska nadgarstkowa, EPB
Rezystor zastosowany w EBP oraz w opasce służy do ograniczenia szybkość odprowadzania ładunków.
Można także kupić opaski ESD bezprzewodowe, które w swojej obudowie posiadają rezystor 1MOhm. Nie polecam takiego rozwiązania, gdyż one nie działają. Powodem jest to, że ładunki nie mają gdzie się przemieścić i przez to nie są one odprowadzane.
Jako dodatkowe uziemienie można stosować odpowiednie buty, o których jest krótko mowa w dalszej części artykułu, lub opaski, które należy na buty założyć. Aby wszystko działało poprawnie podłoga musi być odpowiednio uziemiona, nie może być wykonana z materiału izolacyjnego.
Można także kupić opaski ESD bezprzewodowe, które w swojej obudowie posiadają rezystor 1MOhm. Nie polecam takiego rozwiązania, gdyż one nie działają. Powodem jest to, że ładunki nie mają gdzie się przemieścić i przez to nie są one odprowadzane.
Jako dodatkowe uziemienie można stosować odpowiednie buty, o których jest krótko mowa w dalszej części artykułu, lub opaski, które należy na buty założyć. Aby wszystko działało poprawnie podłoga musi być odpowiednio uziemiona, nie może być wykonana z materiału izolacyjnego.
Fartuchy oraz buty
Są one wykonane z dodatkiem tkaniny rozpraszającej wyładowania elektrostatyczne. Przeważnie ich skład oscyluje w okolicach 63-65% poliester, 34% bawełna i w zależności od producenta 1-3% materiału rozpraszającego ładunek statyczny np. włókno węglowe. Wplecione jest ono jako paski przez całą długość lub jako kratka. Typowa rezystancja powierzchniowa wynosi od 1 do 100 MOhm.
Rys. 4. Fartuch ESD
Kolejnym elementem są buty. Ich rezystancja powinna wynościć od 0,1 MOhm do 35 MOhm. Pozwalają one na zmniejszenie naładowania elektrostatycznego poprzez odporowadzenie ładunków.
Rys. 5. Buty ESD [www.eurodis.pl]
Rękawiczki
Są one źródłem dodatkowego zabezpieczenia przed skutkami wyładowania elektrostatycznego. Mogą być one wykonane np. poliamidu. Palce dodatkowo są pokryte warstwą poliuretanu. W materiał dodatkowo zostało wplecione włókno węglowe.
Rys. 6. Rękawiczki ESD
Ich skuteczność w ograniczeniu ładunku jest niewielka, około kilku voltów. Natomiast sprawdzają się świetnie w przypadku ochrony komponentów bądź całych pakietów przed brudem, solą, tłuszczem jaki może znajdować na palcach.
Muszą one być czyste i zachowane w dobrym stanie. Częstotliwość wymiany zależna jest od charakteru pracy.
Jonizatory
Działanie jonizatorów opiera się na rozpraszaniu w atmosferze dodatnich i ujemnych jonów. Jony wchodzą w kontakt z ładunkami jakie gromadzą się na powierzchniach, co powoduje ich neutralizację.
Jonizatory można podzielić na trzy rodzaje jądrowe, AC, DC. AC pozwala na neutralizację za pomocą strumienia powietrza,
Można wyróżnić dwa rodzaje ochrony jonowej tzw. lokalna i kompletna, w ich skład wchodzą różne rodzaje urządzeń i kontroli. Pierwsza z nich obejmuje mały obszar np. stanowisko robocze. Odpowiednią jonizacje otrzymuje się poprzez wykorzystanie pistoletowych oraz na biurkowych odmian tych urządzeń.
Rys. 7. Jonizator powietrzny lokalny [www.lafotelektronik.pl]
Dodatkowe elementy zabezpieczające
Wśród dodatkowych elementów zabezpieczających można wyróżnić np.
kuwety ESD
narzędzia w tym śrubokręty, pęsety, szczotki itp.
materiały biurowe np. segregatory, półki na dokumenty, podkładki, uchwyty ścienne, koszulki czy nawet długopisy.
Kolejnym elementem są opakowania przeznaczone do transportu komponentów, są to opakowania rozpraszające, przewodzące, ekranujące.
Wszystkie elementy znajdujące się w strefie EPA powinny byś okresowo sprawdzane i czyszczone za pomocą specjalnych środków, które nie pozostawią warstwy izolacyjnej na powierzchni.
Bibliografia
[1] http://elektronikab2b.pl/prezentacja-artykul/10222-jak-zabezpieczy-produkcj-przed-wyadowaniami-elektrostatycznymi
[2] www.wikipedia.pl
[3] Podręcznik ESD - Renex
