ESD: definicja, skrót i znaczenie – w kilku prostych słowach

ESD to skrót często używany w otoczeniu przemysłowym Ten składający się z trzech liter akronim oznacza „electrostatic discharge“ (wyładowania elektrostatyczne). 

Każdy z nas z pewnością już nieraz poznał na własnej skórze, czym są wyładowania elektrostatyczne, np. dotykając metalową klamkę lub podając komuś dłoń. Wówczas mówimy zwykle „ale mnie kopnęło”. Zacznijmy od definicji wyładowań elektrostatycznych, czyli ESD: wyładowania elektrostatyczne powstają wtedy, gdy pomiędzy dwoma przedmiotami o różnym potencjale elektrycznym dojdzie do niekontrolowanego wyrównania ładunków. Ludzie potrafią odczuć tego rodzaju wyładowania powyżej ok. 3500 V. Takie napięcie jest dla człowieka wprawdzie nieprzyjemne, ale nie jest niebezpieczne, w przeciwieństwo do podzespołów czułych na wyładowania elektrostatyczne (ESDS = electrostatic discharge sensitive): w tym przypadku uszkodzenia może spowodować napięcie wynoszące zaledwie 5 V. Tak powstałe uszkodzenia z reguły zauważa się dopiero po pewnym czasie, co może skutkować złożeniem reklamacji przez klienta. Dlatego przedsiębiorstwa, które wytwarzają lub obrabiają podzespoły czułe na wyładowania elektrostatyczne, powinny dużą uwagę poświęcić zagadnieniu ESD i odpowiednim środkom i rozwiązaniom chroniącym przed wyładowaniami. Warto skupić się nie tylko na złożonej koncepcji bezpieczeństwa w tym zakresie, lecz również na komponentach antystatycznych.

W jaki sposób powstają wyładowania elektrostatyczne (ESD)?

Do wyładowań elektrostatycznych dochodzi bardzo często. Powstają w wyniku pocierania lub rozłączania dwóch materiałów o różnym potencjale elektrostatycznym. Zwykle wystarczy sam kontakt. W takiej sytuacji mówimy o efekcie tryboelektrycznym, który swoją nazwę zawdzięcza pojęciu szeregu tryboelektrycznego (patrz niżej), z którego wynika, jak duży jest ładunek danego materiału i jaką ma biegunowość. Innymi słowy: z szeregu dowiemy się, jakie materiały mają skłonność do elektryzowania się ładunkiem dodatnim, a które ujemnym. Oznacza to, że materiały znajdujące się w zakresie dodatnim szeregu tryboelektrycznego podczas wyładowania elektrostatycznego przenoszą elektrony na materiały znajdujące się w obszarze ujemnym. W zakresie ujemnym szeregu mamy do czynienia z odwrotnym zjawiskiem.

Ludzie elektryzują się czasem nawet podczas chodzenia: podeszwy pocierają o podłogę z każdym kolejnym krokiem, gdy są odrywane od podłoża.

W otoczeniu przemysłowym stosuje się wiele tego rodzaju „dodatnich” materiałów. Dlatego odpowiednia ochrona podzespołów czułych na wyładowania elektrostatyczne podczas ich produkcji i obróbki jest wyjątkowo ważna. Nie wolno zapominać o tym, że wyładowania powodują również już naelektryzowane materiały znajdujące się w bezpośrednim otoczeniu. Ludzie elektryzują się czasem nawet podczas chodzenia: podeszwy pocierają o podłogę z każdym kolejnym krokiem, gdy są odrywane od podłoża. W przypadku zjawisk tryboelektrycznych powstaje napięcie, które przez odzież wnika w ciało i kumuluje się na skórze i we włosach. Ubranie izolujące, np. podeszwy wykonane z gumy syntetycznej lub tworzywa sztucznego, wzmacniają dodatkowo wyładowania. Zwykłe obuwie robocze nie zapewnia wystarczającej ochrony przed ESD.

Ekonomiczne znaczenie i wpływ uszkodzeń spowodowanych wyładowaniami elektrostatycznymi

Typowymi przykładami uszkodzenia podzespołów elektronicznych przez wyładowania elektrostatyczne są: kontakt między człowiekiem a elementem elektronicznym (np. za pośrednictwem dłoni i narzędzia) oraz kontakt z naelektryzowanymi komponentami. Wyładowania elektrostatyczne stanowią zagrożenie dla prawie wszystkich podzespołów z układami scalonymi. Składają się one bowiem z licznych połączonych ze sobą elektronicznych elementów półprzewodnikowych, np. tranzystorów, diod oraz innych elementów czynnych i biernych. Podzespoły elektroniczne mają mikroskopowe sieci ścieżek i struktur, dlatego nawet względnie niskie napięcie towarzyszące wyładowaniom elektrostatycznym ma dla nich bardzo poważne skutki: wyobraźmy sobie związane z tym wyrównanie potencjału jako miniaturowe uderzenie pioruna. Tego rodzaju elementy elektroniczne wyróżniają się również stale postępującą miniaturyzacją, z którą wiąże się coraz słabsza wytrzymałość układów scalonych. Dlatego ochrona przed ESD zyska w przyszłości jeszcze większe znaczenie.

Przykład skutków niewykrytego uszkodzenia spowodowanego przez ESD

Szkody spowodowane przez wyładowania elektrostatyczne są „niewidzialne”, dlatego zauważane są dopiero z pewnym opóźnieniem. Do wyjaśnienia tego przyda nam się poniższy, bardzo realny, przykład: przechodząc przez halę produkcyjną, pracownik w wyniku tarcia między podeszwami a podłogą naelektryzował się do ok. 1500 V. Jeśli pracownik dotknie podzespół elektroniczny, np. podczas pakowania, dojdzie do niekontrolowanego wyładowania. Ładunek wniknie w dany element i uszkodzi mikroskopowe ścieżki znajdujące się w układzie scalonym. Tego uszkodzenia nikt jednak nie zauważy, ponieważ napięcie wynosi mniej niż 3500 V, a do wyrządzenia szkód wystarczy ledwie 50 V. Sieć ścieżek w układzie została uszkodzona jedynie w małym stopniu, dlatego przez pewien czas spełnia jeszcze swoją funkcję. Dlatego szkody nie można wykryć w ramach kontroli jakości. U klienta również wszystko działa z początku bez usterek.

Szczególnie nie wolno lekceważyć utraty zaufania i osłabienia wizerunku spowodowanych uszkodzeniem podzespołów przez ESD.

Z biegiem czasu impulsy prądowe podczas normalnej eksploatacji stopniowo pogłębiają szkody powstałe wskutek wyładowań elektrostatycznych. W końcu ścieżki w układzie scalonym są na tyle uszkodzone, że dochodzi do zwarcia. Największym problemem jest fakt, że szkoda uwidacznia się dopiero po pewnym czasie. Do awarii dochodzi w bardzo krytycznym momencie procesu produkcyjnego. W przypadku tego rodzaju uszkodzeń upływa zwykle ok. 8 godzin, aż uda się ustalić uszkodzony element i go wymienić. Producent zobowiązany jest w ramach gwarancji wymienić ten element, co wiąże się dla niego z dodatkowymi kosztami. Jednak to nie jest jedyny skutek tego rodzaju uszkodzeń: Równocześnie ucierpiało zaufanie, jakie klient obdarzył zleceniobiorcę. To może stanowić powód, dla którego może szukać nowego producenta. Szczególnie nie wolno lekceważyć utraty zaufania i osłabienia wizerunku spowodowanych uszkodzeniem podzespołów przez ESD.

Electrostatic Protected Area, czyli strefa ochronna EPA

Pojawia się zatem pytanie, w jaki sposób można zapobiec szkodom spowodowanym przez ESD i jego skutkom. Dlatego konieczne jest opracowanie złożonej koncepcji bezpieczeństwa. W ramach tej koncepcji należy wyznaczyć osobę, która będzie odpowiedzialna za koordynację działań dot. ESD, szkolenia pracowników oraz regularne kontrole ochrony przed wyładowaniami. W bezpłatnym przewodniku „10 złotych zasad ochrony przed ESD“ dowiesz się, na czym polega tego rodzaju koncepcja bezpieczeństwa dot. ESD. W tym miejscu ograniczymy się do strefy EPA (Electrostatic Protected Area), ponieważ można na jej podstawie poznać najważniejsze zasady dotyczące ochrony przed ESD. Tylko w takim obszarze, zwanym „strefą ochronną EPA”, można bezpiecznie montować i obrabiać podzespoły elektroniczne. W tym obszarze wszystkie stosowane materiały muszą być zdolne do odprowadzania ładunków elektrostatycznych i być uziemione tym samym potencjałem. W ten sposób można skutecznie zapobiegać wyładowaniom elektrostatycznym oraz różnicom potencjału. Strefy EPA możliwe są w różnych wariantach – mogą obejmować jedno pojedyncze stanowisko pracy, określony obszar, a nawet cały budynek.

Do stref niechronionych dostęp mają wszyscy, natomiast do stref EPA może wejść wyłącznie przeszkolony personel i odpowiednio poinstruowane osoby z zewnątrz, które noszą odzież ochronną.

Wyjątkowo praktycznym rozwiązaniem jest to, że: W bezpłatnym konfiguratorze stanowisk pracy item można łatwo skonfigurować strefę EPA dla stołu roboczego EPA według indywidualnych wytycznych, a następnie poddać ją wizualizacji. W przypadku umieszczenia w projekcie komponentów, które nie są bezpieczne pod katem ESD, program wyraźnie o tym poinformuje. Przeciwieństwo strefy EPA również doczekało się odpowiedniej nazwy i skrótu: strefa niechroniona, czyli Unprotected Area (UPA). Do tego rodzaju stref dostęp mają wszyscy, natomiast do stref EPA może wejść wyłącznie przeszkolony personel i odpowiednio poinstruowane osoby z zewnątrz, które noszą odzież ochronną. Kontakt z komponentami czułymi na wyładowania elektrostatyczne zastrzeżony jest wyłącznie dla przeszkolonego personelu. W obrębie strefy EPA należy przestrzegać specjalnych zasad dotyczących pakowania tego rodzaju elementów. Jeśli ze względów technicznych związanych z procesem istnieje w strefie EPA konieczność stosowania materiałów powodujących wyładowania elektrostatyczne, generowane przez nie pole elektrostatyczne nie może przekraczać wartości 100 V/cm. W przeciwnym razie należy zmniejszyć natężenie pola poprzez stosowanie dodatkowych środków lub działań, np. jonizację lub zwiększenie wilgotności powietrza.

Podłogi i obuwie chroniące przed niekontrolowanymi wyładowaniami elektrostatycznymi

Podłoga antystatyczna to podstawowa właściwość każdej strefy EPA bądź obszaru chroniącego przed ESD. Podłoga jest uziemiona, dzięki czemu ładunki elektrostatyczne są bezpiecznie odprowadzane. Na stałe położona podłoga zgodnie z normą DIN EN 61340-5-1 ff składa się z kilku warstw. Uziemienie wykonane jest przy użyciu kilku miedzianych pasów. Użytkownicy mają do wyboru podłogi antystatyczne stałe i tymczasowe. Oba warianty mają swoje wady i zalety: Stała podłoga wyróżnia się długą trwałością przy zachowaniu niezmiennych właściwości i częściowo wyjątkową wytrzymałością, jej zakup wiąże się natomiast z względnie wysokimi kosztami. Tymczasowe podłogi natomiast są tańsze i umożliwiają szybkie dopasowanie w przypadku już urządzonych obszarów. Z drugiej strony są znacznie mniej wytrzymałe i cechują się ograniczoną trwałością. Dlatego przy doborze podłogi należy uwzględnić indywidualną sytuację.

Zwykłe obuwie, w tym również obuwie robocze, działa często jak izolator. Osoby, które noszą buty odprowadzające ładunki lub opaski antystatyczne do obuwia, uziemiają się i mają zdolność do odprowadzania ładunków elektrostatycznych.

Podłoga antystatyczna ma wyjątkowo duże znaczenie dla ochrony przed ESD, dlatego jej stan techniczny musi być zawsze idealny. Należy pamiętać, że do jej pielęgnacji i czyszczenia nie nadają się środki na bazie wosku. Istotną rolę odgrywa również obuwie robocze chroniące przed ESD. Jeśli bowiem użytkownicy stoją na uziemionej podłodze antystatycznej ze zdolnością do odprowadzania ładunków i nie mają elektrycznej styczności z nią, nie można osiągnąć zamierzonych efektów. Zwykłe obuwie, w tym również obuwie robocze, działa często jak izolator. Osoby, które noszą buty odprowadzające ładunki, które nadają się do stref chroniących przed ESD, lub opaski antystatyczne do obuwia, uziemiają się i mają zdolność do odprowadzania ładunków elektrostatycznych. Dzięki temu wyładowania powstające podczas chodzenia są bezpiecznie odprowadzane. Obuwie robocze personelu należy sprawdzać codziennie za pomocą testera do opasek, obuwia antystatycznego i rezystancji (testery uziemiania osobistego PGT).

Specjalne produkty przeznaczone do zastosowania w strefie EPA

Wymagania dotyczące stref EPA odnoszą się również do znajdujących się tam stanowisk pracy: Jeśli jest to możliwe, w obszarze manualnym nie powinny znajdować się żadne materiały wytwarzające ładunki elektrostatyczne. Na wypadek, gdy konieczne jest używanie telefonów lub terminali informatycznych, należy bezwzględnie wyznaczyć do obszaru manualnego odstępy bezpieczeństwa. Zasadniczo cały obszar roboczy powinien być uziemiony i odprowadzać ładunki elektrostatyczne. Ta zasada obowiązuje w szczególności w przypadku następujących elementów:

• Stoły robocze
• Krzesła robocze
• Szafki dolne
• Szuflady
• Regały
• Wózki transportowe

Stoły robocze ESD item wyposażone są w blat wyróżniający się przewodnością objętościową. W przypadku blatu roboczego ESD przewodność objętościową osiąga się, używając płyty wiórowej z domieszką sproszkowanego grafitu. Wierzchnia warstwa blatu również cechuje się przewodnością objętościową, która możliwa jest dzięki cząsteczkom na bazie węgla. W małych obszarach bardzo dobrze sprawdzają się również maty antystatyczne do stołów. Na stanowisku pracy ESD pracownicy powinni dodatkowo nosić uziemiające opaski antystatyczne. Bez znaczenia, czy chodzi o blaty stołów czy o akcesoria: rama stołu zapewnia uziemienie wszystkich elementów.

Narzędzia takie jak śrubokręty, lutownice lub przyrządy pomiarowe wchodzą w bezpośredni kontakt z komponentami wrażliwymi na wyładowania elektrostatyczne.

Z materiału odprowadzającego ładunki elektrostatyczne powinny być wykonane również pojemniki chwytakowe, skrzynki magazynowe, osłony i narzędzia. Narzędzia, np. śrubokręty, kolby lutownicze i przyrządy pomiarowe, mają bezpośredni kontakt z komponentami czułymi na wyładowania elektrostatyczne. Jeśli mają zdolność do odprowadzania ładunków elektrostatycznych, wyładowania można odprowadzić w kontrolowany sposób. W przypadku krzeseł roboczych mamy do czynienia z tym samym zjawiskiem, co w przypadku obuwia roboczego: z perspektywy ochrony przed ESD stanowią bardzo poważny czynnik ryzyka. Użycie dużej ilości materiałów do ich produkcji sprawia, że krzesła robocze często nie mają zdolności do odprowadzania ładunków elektrostatycznych. Dlatego do pracy wykonywanej w strefach ochrony przed ESD konieczne są siedziska (krzesła) zapewniające ochronę przed wyładowaniami elektrostatycznymi zgodnie z normą DIN EN 61340-5- 1:2009; Część 5-1 (arkusz 1).

Wózki do transportu i dostarczania materiałów zapewniające ochronę przed ESD

Tarcie i ruch wszędzie, dokąd sięga wzrok: ochrona podzespołów elektronicznych jest szczególnie ważna podczas transportu i przechowywania. Ochronę zapewniają specjalne ekranowane opakowania, odpowiednie pojemniki, a przede wszystkim wózki transportowe i materiałowe odprowadzające ładunki elektrostatyczne. Technika połączeń i profile item nadają się idealnie do tworzenia antystatycznych rozwiązań, ponieważ są wykonane z aluminium. Ponadto dostępne są liczne komponenty, które zostały zaprojektowane specjalnie do ochrony przed niekontrolowanymi wyładowaniami elektrostatycznymi. Takie akcesoria jak łańcuchy ESD lub rolki antystatyczne dodatkowo zabezpieczają wózki transportowe. Zasadniczo wszystkie stanowiska pracy i środki produkcji item, które zapewniają ochronę przed ESD, są przed wysyłką poddawane pomiarom kontrolnym w celu sprawdzenia ich zdolności do odprowadzania ładunków elektrostatycznych.

Krótkie zestawienie ważnych skrótów dotyczących ochrony przed ESD

• ESD | Electrostatic discharge: Wyładowanie elektrostatyczne
• ESDS | Electrostatic discharge sensitive: Czułe na wyładowania elektrostatyczne
• EPA | Electrostatic Protected Area: Strefa ochrony przed ESD
• UPA | Unprotected Area: Strefa niechroniona

Bezpłatne archiwum z artykułami dotyczącymi środków ochrony przed ESD

Od samego początku istnienia blogu item tematy dotyczące projektowania stanowisk montażowych stanowią jego integralną część. W obszernej kategorii pt. „Systemy stanowisk montażowych“ znajdziesz listę z wszystkimi artykułami. Na blogu omawiane są również inne zagadnienia związane z ESD, także opcja dotycząca stref EPA dostępna w konfiguratorze stanowisk pracy. Na specjalnej stronie można pobrać łącznie 4 bezpłatne artykuły w formacie PDF lub przeczytać inne artykuły odnośnie ochrony ESD:

• Ochrona przed ESD: Podstawy w prostych słowach
• Stół roboczy z wyposażeniem ESD: Zaprojektowany niezawodnie, łatwo i szybko
• Środki i działania zabezpieczające środowisko przemysłowe przed ESD
• Wykrywanie szkód spowodowanych ładunkami elektrostatycznymi – za pomocą mikroskopu elektronowego
• Rewolucja w konfiguracji online – stoły z ochroną ESD
• 4 artykuły PDF dotyczące ochrony przed ESD dostępne w centrum pobierania: 10 złotych zasad, podstawy ESD, urządzanie strefy EPA (Electrostatic Protected Area), wdrożenie koncepcji bezpieczeństwa dotyczącej ESD

Chcesz na bieżąco otrzymywać informacje o ergonomii i zapobieganiu wyładowaniom elektrostatycznym? W takim razie mamy coś dla Ciebie: Zapisz się do blogowego newslettera item, wykorzystując do tego baner w prawym górnym rogu!