Ochrona przed ESD: Podstawy w prostych słowach

Szkody spowodowane przez wyładowania elektrostatyczne nie są wprawdzie widoczne gołym okiem, mogą mieć jednak bardzo kosztowne konsekwencje. Z tego względu w wiele przedsiębiorstwach przemysłowych przestrzeganie zasad ochrony przed ESD uważa się za nieodzowne.

Prawie każdy z nas zna to zjawisko: „Ale to kopie!” – krótkie, lekkie porażenie prądem podczas witania się z kimś lub po dotknięciu metalowych klamek lub poręczy schodów. W takiej sytuacji mamy do czynienia z wyładowaniem elektrostatycznym (ESD) o napięciu do 35000 V – dla człowieka jest to doświadczenie dość bolesne, ale nie stanowi żadnego zagrożenia. Inaczej jest z podzespołami elektronicznymi. W takiej sytuacji wystarczy napięcie 100 V, aby doszło do utraty danych zapisanych na magnetycznym nośniku danych lub do uszkodzenia pamięci EPROM (układ scalony). Pomimo zagrożenia, jakim dla komponentów elektronicznych stanowią wyładowania elektrostatyczne, wiele przedsiębiorstw produkujących tego rodzaju podzespoły, lekceważy sobie ochronę przed ESD.

Czym jest ESD?

ESD to skrót od angielskiego pojęcia „electrostatic discharge“ i dotyczy niekontrolowanego wyrównania ładunków elektrycznych pomiędzy dwoma przedmiotami o różnym potencjale elektrycznym. W przypadku tego rodzaju wyładowań elektrostatycznych nawet nie jest konieczny bezpośredni kontakt między materiałami.

Problem w środowisku przemysłowym: Do uszkodzenia podzespołów elektronicznych na skutek ESD może dojść w każdym miejscu łańcucha produkcyjnego, ponieważ wyładowania elektrostatyczne powstają nieustannie, np. w wyniku tarcia i ruchu. Nawet wykonywanie zwykłych czynności przy stole roboczym generuje wyładowania o napięciu do 6000 V.

Wyładowania elektrostatyczne wyczuwalne są dopiero powyżej 3500 V, do uszkodzenia komponentów wystarczy jednak już napięcie rzędu 5 V.

Tutaj pojawia się kolejny problem związany z ESD: Liczne przypadki wyładowań elektrostatycznych, np. powstające podczas uścisku dłoni, są oczywiste z powodu związanego z nimi bólu, tymczasem często powstają ESD zupełnie niezauważalne. Wyładowania elektrostatyczne wyczuwalne są dopiero przy napięciu powyżej 3500 V. Do uszkodzenia wrażliwych komponentów może natomiast dojść już przy znacznie niższym napięciu. Przy wytwarzaniu dysków magnetycznych stałych wystarczy napięcie 5 V, aby uszkodzić wrażliwą głowicę. Kolejnym problemem jest to, że wyładowania elektrostatyczne generowane są nie tylko przez człowieka. Środki produkcyjne, np. wózki transportowe, narzędzia, a nawet powierzchnie robocze, również mogą powodować ESD i wynikające z nich uszkodzenia – chyba że są wykonane w wersji zabezpieczonej przed wyładowaniami elektrostatycznymi.

Ochrona przed ESD: Podstawowa ochrona do zastosowań przemysłowych

Niezauważalne pozostają nie tylko wyładowania elektrostatyczne: Spowodowane przez nie uszkodzenia, np. uszkodzenia ścieżek przewodzących, nie sposób zauważyć gołym okiem. W takim przypadku nie wystarczy nawet użycie mikroskopu optycznego. Aby zauważyć szkody spowodowane przez ESD, konieczny jest mikroskop elektronowy. Skutkiem uszkodzeń są awarie, do których dochodzi po kilku tygodniach lub miesiącach, już podczas eksploatacji urządzenia przez klienta końcowego. Następstwa takich sytuacji przedsiębiorstwa odczuwają bardzo szybko: reklamacje, drogie usługi gwarancyjne oraz utrata zaufania klientów. ESD to dla każdego przedsiębiorstwa pewien rodzaj „najgorszego scenariusza”, ponieważ do szkód spowodowanych przez wyładowania elektrostatyczne może dojść już u dostawców, przez co te pozostaną nieuważone we własnym zakładzie.

Zasady ochrony przed ESD muszą być wdrażane konsekwentnie, w całym przedsiębiorstwie.

Na szczęście można skutecznie zapobiegać tego rodzaju szkodom, pod warunkiem, że przedsiębiorstwa są świadome problemu i rzeczywiście przestrzegają zasad dotyczących ochrony przed ESD. Fundamentalne znaczenie ma ochrona przed ESD, która rozumiana jest jako koncepcja wdrażana w całym przedsiębiorstwie. Co więcej: Ochrona przed ESD rozpoczyna się już na etapie wyboru dostawcy i kończy się w momencie przekazania towaru klientowi. Odnośnie do wdrażania działań służących ochronie przed wyładowaniami elektrostatycznymi w przedsiębiorstwach istnieje nawet norma DIN EN 61340-5-1, która określa program kontrolny ESD, w którym w wiążący sposób opisane są dla wszystkich pracowników najważniejsze elementy ochrony ESD. Program obejmuje następujące obszary i wytyczne:

• -Przestrzeganie właściwych norm
• -Udokumentowane procedury ochronne dla całego łańcucha procesu (łącznie z dostawcami i klientem)
• -Odzież ochronna spełniająca wymogi określone w normach
• -Dobrze wykwalifikowani koordynatorzy ds. wyładowań elektrostatycznych oraz pracownicy
• -Strefy ochronne ESD spełniające wymogi norm
• -Codzienne kontrole istotnych obszarów
• -Przestrzeganie ochrony osób
• -Regularne wewnętrzne audyty

 Podstawy ochrony przed ESD

Bardzo istotne znaczenie dla skutecznej ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi ma zatem odpowiednio wyposażony personel. Pracowników należy również poinformować o konieczności prawidłowego stosowania wyposażenia chroniącego przed ESD. Szkolenia na temat wyładowań elektrostatycznych są pomocne przy wyjaśnianiu pracownikom problemów związanych z ESD oraz przedstawianiu im zasad dotyczących ochrony. W żadnym wypadku nie należy ograniczać szkoleń do osób zajmujących się obróbką komponentów elektronicznych: Kompleksowa ochrona przed ESD możliwa jest tylko wtedy, gdy realizowana jest przez wszystkich pracowników – niezależnie od tego, czy są to ekipy sprzątające, technicy czy magazynierzy.

Decydujące znaczenie dla kompleksowej ochrony przed ESD ma szereg czynników, np. odpowiednia odzież ochronna, specjalne narzędzia antystatyczne, przestrzeganie właściwych norm oraz wilgotność powietrza. W końcu niska wilgotność powietrza wzmaga powstawanie wyładowań elektrostatycznych. Dlatego w okresie zimowym częściej dochodzi do codziennych, odczuwanych przez nas wyładowań elektrostatycznych. W przypadku kontaktu z komponentami elektrostatycznymi obowiązuje zatem następująca zasada: Jeśli jest to możliwe pod względem konstrukcyjnym, względna wilgotność powietrza w obszarach chronionych powinna wynosić co najmniej 30%. Kolejnym zagrożeniem związanym z wyładowaniami elektrostatycznymi są materiały, które zostały dostarczone przez dostawców z różnym potencjałem elektrycznym. Tego rodzaju różnice można wyrównać podczas przyjmowania towarów za pomocą jonizatorów, jeszcze zanim zostaną rozdysponowane w zakładzie.

Środki produkcji i strefy EPA: Zasady ochrony przed ESD w praktyce

Zgodnie z normą DIN elementem ochrony przed ESD są także odpowiednio urządzone obszary chronione. Tego rodzaju strefy nazywane są electrostatic protected area (EPA). Podzespoły elektroniczne można montować i obchodzić się z nimi tylko w tych właśnie obszarach. Podstawowe założenie dotyczące strefy EPA polega na tym, że wszystkie stosowane tam materiały muszą odprowadzać ładunki elektrostatyczne i być uziemione tym samym potencjałem. W ten sposób można skutecznie zapobiegać wyładowaniom elektrostatycznym oraz różnicom potencjału. Strefa EPA może stanowić pojedyncze stanowisko, określoną powierzchnią lub nawet cały budynek.

Ochronę przed ESD zapewniają w strefach EPA różne elementy. Np. opaska antystatyczna zapobiega wyładowaniom elektrostatycznym na ciele człowieka, pod warunkiem jednak, że podłączona jest za pomocą kabla uziemiającego do listwy uziemiającej. Dodatkową ochronę zapewnia podkładka antystatyczna, która również podłączona jest do listwy uziemiającej i która zabezpiecza aktualnie obrabiane części. Do transportu towarów nadają się np. regały jezdne item SystemMobile, które połączone są z antystatyczną podłogą za pomocą antystatycznych łańcuchów energetycznych, dzięki czemu mogą odprowadzać ładunki elektrostatyczne. Dzięki odpowiednim rozwiązaniom ochrona przed ESD nie staje się wprawdzie mniej złożona, jest jednak względnie łatwiejsza w realizacji i opłaca się przede wszystkim ze względu na potencjalnie znacznie mniejszą liczbę wad wyrobów własnej produkcji.