ESD zaščita » Ukrepi in predpisi na delovnem mestu
Objavljeno: 16. september 2024 | Čas branja: 7 minut
Ko se dotaknete kljuke na vratih ali kovinske police, lahko včasih začutite električno razelektritev. To se ponavadi zgodi, ko je zrak zelo suh in nosimo čevlje z dobro izoliranimi podplati. Strokovnjaki v tem primeru govorijo o kontaktni elektriki ali o trenju elektriki.
V večini primerov so takšne električne razelektritve presenetljive in včasih neprijetne za osebo, ki jo prizadenejo. Vsekakor pa ta pojav zaradi nizkih vrednosti toka ni življenjsko nevaren. Pri elektronskih komponentah pa je situacija povsem drugačna. To je posledica dejstva, da povečana miniaturizacija približa energetska področja drug drugemu. Tudi pri šibkem elektrostatičnem naboju je energija dovolj za popolno uničenje komponent, elektronskih komponent, senzorjev ali celotnih vezij. Zato je treba sprejeti ustrezne zaščitne ukrepe za preprečitev tega učinka. Da bi zmanjšali tveganje statične elektrike, vam z veseljem pokažemo, kaj storiti in katere možnosti so na voljo.
Do elektrostatične razelektritve ali ESD (Electrostatic Discharge) pride vedno, ko so med dvema predmetoma velike potencialne razlike. V tem primeru en element nima elektronov (pozitivni pol), drugi element pa ima presežek elektronov (negativni pol). Statična potencialna razlika lahko nastane, ko dva električno nenabita predmeta prideta v stik, sta ločena ali drgneta drug ob drugega. Materiali s šibko elektronsko vezjo predajo svoje elektrone materialom z močnejšo vezjo.
Človek, ki hodi po preprogi iz sintetičnih vlaken in nosi dobro izolirane čevlje z gumijastimi podplati, zbira elektrone, ki se kopičijo na površini čevljev in povzročajo negativen naboj. Napetost lahko doseže več sto voltov. Ko se taka oseba dotakne kovinske kljuke vrat, ki dobro prevaja elektriko, pride do hitre izmenjave nabojev – elektroni tečejo proti tlom. Odvisno od količine elektrostatičnega naboja lahko pride do iskre tik pred stikom. Nato se v delčku sekunde zgodi razelektritev, ki izenači potencialno razliko
Zgornja skica: Dva električno nenabita atoma (A in B) z enakim številom elektronov in protonov.
Srednja skica: Prenos elektronov poteka s trenjem/stikom.
Spodnja skica: S sprejemom elektrona je atom A negativno nabit, s sprostitvijo elektrona pa je atom B pozitivno nabit.
Opomba: Za poenostavitev ilustracije sta bila izbrana dva modela atoma (A in B) z enakim številom elektronov in protonov.
Čeprav je elektrostatična razelektritev za zdrave ljudi neprijetna, običajno nima hujših posledic. Velika in obsežna škoda pa lahko nastane na področju elektronike in elektrotehnike.
Poškodbe polprevodniških elementov
Visoke napetosti, ki nastanejo med elektrostatično razelektritvijo, in s tem povezane tokovne konice lahko v delčku sekunde naredijo tranzistorje ali integrirana vezja neuporabne. To je zato, ker so te komponente zelo občutljive na preseganje dovoljenih meja.
Poškodbe električnih tokokrogov
V električnih tokokrogih so številne komponente med seboj neposredno povezane ali elektromagnetno sklopljene. Posledično lahko elektrostatična razelektritev povzroči velike motnje in okvare, ki negativno vplivajo na celotno vezje, vključno z vsemi povezanimi sistemi.
Poškodbe senzorjev in merilnih naprav
Senzorji in merilne naprave so pogosto opremljeni z zelo občutljivimi vhodi za natančno izvajanje zahtevanih merilnih nalog. Sistemi se odzivajo ustrezno občutljivo, če so uporabljene vrednosti napetosti večkrat višje v primeru elektrostatične razelektritve.
Poškodbe tiskanih vezij in integriranih vezij
Ne morejo se poškodovati samo komponente, ki se uporabljajo na ploščah tiskanih vezij. Ogrožena so tudi sama tiskana vezja. Če so vrednosti napetosti dovolj visoke, lahko pride do izpadov napetosti na tesno razmaknjenih prevodnih poteh. Preveliki tokovni vrhovi lahko preobremenijo in uničijo prevodne poti.
Škoda zaradi izgube podatkov
Pri uporabi elektronskih medijev za shranjevanje lahko elektrostatična razelektritev povzroči delno ali popolno izgubo podatkov. Poleg izgube podatkov lahko celotni stroji in proizvodni sistemi odpovejo, če je naprava za shranjevanje informacij vsebovala zahtevani operacijski sistem.
V zgoraj omenjenem primeru s preprogo in vratno kljuko mora biti statična napetost okoli 3500 V, da je razelektritev opazna. Pri komponentah, občutljivih na elektrostatične naboje (ESDS - Electrosatic Discharge Sensitive), je dovolj nižja napetost, da povzroči trajno poškodbo. Zato se ljudje, ki poškodujejo polprevodnike zaradi ESD razelektritev, pogosto ne zavedajo, kaj so storili.
A to še ni vse. Poškodbe polprevodnikov zaradi ESD niso vidne s prostim očesom. Tudi funkcionalno testiranje znotraj predvidene zasnove vezja ne zagotavlja, da bodo polprevodniki dolgoročno delovali brez napak.
Zaradi tega je treba pri izdelavi in obdelavi komponent ESDS zagotoviti, da so elektrostatični naboji učinkovito odpravljeni že od samega začetka.
V ta namen se uporabljajo različni tehnični pripomočki, ki jih bomo podrobneje obravnavali v nadaljevanju.
Učinkovita ESD zaščita je vedno potrebna, kadar so komponente, sklopi ali celotne naprave občutljive na elektrostatično razelektritev in jih je treba zaščititi. Ker mnogi izdelki zdaj uporabljajo sofisticirane elektronske krmilne sisteme, se obseg aplikacij, pri katerih je učinkovita zaščita pred elektrostatično razelektritvijo nujno potrebna, nenehno širi. Glavna področja uporabe vključujejo:
- Zabavna elektronika in elektrotehnika
- Krmilniki v industrijski avtomatizaciji
- Komponente za izdelavo računalnikov
- Kompleksna komunikacijska elektronika
- Nadzorni sistemi za konstrukcijo vozil
ESD zaščita ne velja le za proizvodnjo in storitve. Trajno zaščito pred elektrostatično razelektritvijo je treba zagotoviti tudi med razvojem, zagotavljanjem kakovosti, v različnih embalažah in celo v transportnem skladišču, na primer z učinkovito ozemljitvijo.
Do elektrostatične razelektritve lahko pride le, če je pred tem prišlo do elektrostatičnega naboja. Da bi to preprečili, obstajata dva pristopa, ki se dopolnjujeta:
1. Statični naboj predmetov in ljudi je mogoče učinkovito nevtralizirati z odstranitvijo elektronov.
2. Tok med praznjenjem je treba omejiti z električnim uporom, da znatno upočasnimo izmenjavo nabojev.
V ta namen se elektroni, ki jih oddajajo materiali s šibko vezavo elektronov, preko ustreznih povezovalnih kablov vodijo do ozemljitvenega potenciala. Želimo si podrobneje ogledati najpomembnejše zaščitne ukrepe ESD, ki se uporabljajo v ta namen:
ESD zaščitna območja
Posebej označena zaščitna območja EPA (Electronically Protected Area) so namenjena rokovanju in shranjevanju komponent, občutljivih na elektrostatično razelektritev. Vse komponente v varovalnem območju so povezane z ozemljitvenim potencialom.
ESD delovne postaje
ESD delovne postaje z ozemljitvijo se uporabljajo za obdelavo komponent, občutljivih na elektrostatično razelektritev. Delovna mesta so opremljena s prevodnimi tlemi, miznimi podlogami in priključki za zapestne in nožne trakove.
ESD oblačila
Sintetična oblačila se zelo hitro napolnijo. To lahko opazimo na primer pri odstranjevanju puloverja iz sintetičnih vlaken. Antistatična oblačila, obutev in rokavice zaradi svoje elektrostatične prevodnosti preprečujejo kopičenje nabojev.
ESD zaščitna embalaža
Uporabljena embalaža in škatle za shranjevanje morajo biti izdelane iz disipativnega materiala, tako da ustvarjeni elektrostatični naboji ne morejo prodreti v notranjost. Če z njimi ravnate pravilno, bodo zanesljivo odtekali.
Ozemljitev
Pravilno prevodna ozemljitvena povezava z nizkim notranjim uporom je pomemben predpogoj za vse dejavnosti ESD. Tudi najnižje statične napetosti je treba zanesljivo in v celoti odvajati.
Standardi in usposabljanje
Standard DIN EN 61340-5-1 (VDE 0300-5-1) določa splošne zahteve za zaščito elektronskih komponent pred elektrostatičnimi pojavi. Odgovorne osebe je treba v zvezi s tem nenehno usposabljati in senzibilizirati.
Najbolje je, če je delovna postaja ESD v varnostnem območju (EPA). Varovalno območje lahko zajema posamezno delovno mesto, celoten prostor z več delovnimi postajami ali celo celotno zgradbo. Oprema ESD delovne postaje je v končni fazi odvisna od vrste in obsega dejavnosti, ki se tam izvajajo. Načeloma pa lahko rečemo, da morajo obstajati nekatere značilnosti opreme in ukrepi za zaščito pred elektrostatično razelektritvijo.
ESD mize in podporne strukture
Delovna miza ESD mora biti ergonomsko nastavljiva, tako da lahko delo opravljate dolgo časa brez utrujenosti.
Miza, kot tudi nosilna konstrukcija, morata biti ozemljena, tako da delovno mesto vedno ostane nevtralno.
Podloge za delovno mesto
ESD namizne podloge so se izkazale za idealne za izdelavo začasnih ESD delovnih postaj.
Ponujajo možnosti ozemljitve zapestja in stopala in jih je mogoče priključiti na vtičnice z ozemljitvenimi vtiči ESD.
Ozemljitev ljudi
Ljudje smo zaradi svojega gibanja še posebej dovzetni za elektrostatične naboje.
Zato je treba sprejeti posebne zaščitne ukrepe.
Sem spadajo ESD obutev, ESD zapestnice, ESD stoli in ESD oblačila.
ESD talne obloge
Tla morajo biti iz disipativnega materiala v skladu z DIN EN 61340-5-1 ali pa je treba uporabiti ustrezne ESD preproge.
Poleg tega mora biti talno območje opisano kot območje ESD z ustreznimi oznakami.
ESD sedeži
Tako kot delovne mize morajo biti tudi ESD stoli ergonomski in individualno prilagojeni osebi, ki jih uporablja.
Zahvaljujoč njihovim lastnostim razpršitve elektrostatičnega naboja ni znatnega kopičenja razelektritev, ko stol med delom premikate po tleh.
Orodja in naprave
Pred elektrostatično razelektritvijo je treba zaščititi tudi potrebno orodje, kot so pincete, izvijači in klešče.
Orodja, kot so spajkalne postaje ali potrebne merilne naprave, morajo biti tudi ustrezno zaščitena.
Škatle za shranjevanje in transportni sistemi
Predmeti za obdelavo morajo biti v skladu s procesom pripeljani, skladiščeni in tudi transportirani na delovne postaje, zaščitene pred elektrostatično razelektritvijo (ESD).
V ta namen uporabite ESD transportne vozičke, ESD sortimentne škatle, ESD vrečke in ESD posode, ki imajo funkcijo odvajanja elektrostatičnega naboja.
Pomembna opomba: Uporabite ustrezna čistilna sredstva, da preprečite poslabšanje drenažne funkcije tal in skladiščnih površin. Na primer, komercialno dostopen talni vosek bi znatno zmanjšal drenažno sposobnost talnih oblog ali talnih površin.
Naša priporočila za izdelke ESD
Zakaj je učinkovita ESD zaščita tako pomembna?
Ljudje, ki jih povzročajo, običajno ne čutijo elektrostatične razelektritve. Vendar lahko obremenitve povzročijo resno škodo. Še posebej zato, ker ni nujno, da se napake pojavijo takoj, odvisno od stopnje poškodbe. Nepotrebne okvare sistema, draga popravila in znatna izguba slike v primeru okvarjenih izdelkov hitro povzročijo precejšnjo škodo.
Ali obstajajo dejavniki, ki prispevajo k kopičenju elektrostatičnega naboja?
Obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na raven in polarnost napolnjenosti. Ti vključujejo vrsto in površinske lastnosti materiala ter okoljske pogoje, kot je vlažnost. Ko je vlažnost med 40 in 60 %, se naboj običajno sprosti z zrakom. To je mogoče le v omejenem obsegu, na primer pri suhem ogrevalnem zraku. Nizka vlažnost zato spodbuja kopičenje elektrostatičnega naboja.
Kaj pomeni izraz "antistatičen"?
Elektronske komponente in materiali veljajo za antistatične, če preprečujejo ali zmanjšujejo elektrostatični naboj. To lahko dosežemo z raztapljanjem električnih nabojev ali zmanjšanjem trenja.
Ali je mogoče preizkusiti delovanje ESD delovne postaje?
Obstaja širok nabor različnih naprav za testiranje ESD, ki jih je mogoče uporabiti za natančno testiranje delovanja delovne postaje ESD ali opreme v zaščitnem območju ESD (EPA).
Zakaj potrebujete ESD ozemljitvene vtiče?
Ozemljitveni vtič uporablja ozemljitveni zatič vtičnice za izmenični tok, da vzpostavi povezavo z ozemljitvenim potencialom, ki je potreben za praznjenje. To pomeni, da niso potrebna večja inštalacijska dela ali polaganje kablov.