Materiały i urządzenia do ochrony ESD - polscy producenci i dystrybutorzy

Ochrona przed skutkami wyładowań elektrostatycznych z pewnością nie jest zadaniem łatwym lub takim, którego konsekwencje są na tyle niegroźne, że często można je zlekceważyć. Dzieje się tak dlatego, że w przypadku elektryczności statycznej nie jest łatwo w sposób jednoznaczny odpowiedzieć na pytanie, czy liczba zastosowanych zabezpieczeń i ich typ w przypadku danej firmy są wystarczające i zapewniają skuteczność.

Oprócz wytycznych zawartych w normach, potrzebne jest doświadczenie i ogólna wiedza o zjawiskach fizycznych związanych z elektrycznością statyczną. Otwiera to szerokie możliwości działania dla kompetentnych sprzedawców specjalizujących się w tej tematyce, którzy w wielu przypadkach pełnią też rolę konsultantów.

Rynek ma już dzisiaj za sobą etap niewiedzy lub też braku przekonania, co do celowości inwestowania w środki ochrony co powoduje, że w pewnym stopniu sprzedają się one same i wymagają niewielkiego nakładu pracy promocyjnej. Widać to chociażby po tym, że działania marketingowe dostawców przesunęły się z reklamowania poszczególnych produktów na promocję kompleksowego zaopatrzenia połączonego ze szkoleniami, a więc na usługi o znacznie wyższym poziomie niż tylko zwykły handel.

Zagrożenia

Do gromadzenia się ładunków i występowania wyładowań elektrostatycznych przyczyniają się przede wszystkim ludzie. Uzyskane doświadczalnie wartości potencjałów przy wykonywaniu przez osoby różnych czynności wynoszą od kilkuset woltów do kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu kilowoltów. Warto podać jako przykład, że podniesienie ręki może wywołać zmianę potencjału człowieka o ok. 100 V, wstanie z krzesła o 1,5kV, a wykonanie jednego kroku, zwłaszcza po podłodze pokrytej wykładziną lub dywanem do 2kV.

Gdy dodatkowo weźmie się pod uwagę, że pojemność ciała ludzkiego zawiera się od około 50pF do nawet 250pF wiadomo już, że energia, jaka towarzyszy rozładowaniu potencjałów może mieć destrukcyjny wpływ na wiele urządzeń. Wyładowania są szczególnie dotkliwe przy wytwarzaniu, badaniu i pomiarach oraz podczas eksploatacji różnych urządzeń i systemów elektronicznych.

Mogą bowiem one prowadzić do uszkodzenia zastosowanych układów, podzespołów i elementów, zwłaszcza najbardziej złożonych elementów półprzewodnikowych. Przepływ dużego prądu może powodować u nich lokalne wydzielenie się dużej mocy i nadmierny wzrost temperatury lub nawet stopienie się fragmentów struktury.

Pośrednim efektem, który wynika z przepływu prądu przez wewnętrzne rezystancje lub w wewnętrznych obwodach z obciążeniami nieliniowymi, może być wystąpienie znacznych napięć. To zaś prowadzić może do przebić złączy p-n oraz osłabienia i przebić warstw dielektrycznych. Szczególnie uciążliwy i niebezpieczny może być efekt pewnego osłabienia obiektu, ale jeszcze bez wywołania jego uszkodzenia.

Tego rodzaju uszkodzenia „utajone” lub „uśpione” (ang. latent) mogą się ujawnić dopiero po pewnym czasie lub przy niekorzystnych warunkach narażeń. Ponadto, wyładowania elektrostatyczne powodować mogą przekłamania w pracy urządzeń cyfrowych i zmianę zawartości pamięci w układach programowalnych

Zagrożenie ze strony ładunków elektrostatycznych jest więc dość znaczne, szczególnie że nie jesteśmy w stanie dostrzec wyładowań poniżej 3kV, a charakterystyczną iskrę zauważamy dopiero powyżej 5-kilowoltowej różnicy potencjałów. Ponieważ uszkodzenie wrażliwych podzespołów może nastąpić już przy kilkudziesięciu woltach, wiele z nich może zostać niezauważonych w fazie produkcyjnej.

Ochrona

Najskuteczniejszym środkiem zapobiegającym wyładowaniom elektrostatycznym jest niedopuszczenie do gromadzenia się ładunków elektrycznych na materiałach nieprzewodzących. W tym celu gromadzące się ładunki powinny być w sposób ciągły odprowadzane do ziemi lub masy układu za pomocą materiałów antyelektrostatycznych (antystatycznych) lub rozpraszających ładunek elektrostatyczny (patrz ramka „Typy materiałów”).

Rys. 1. Wyniki redakcyjnej ankiety na temat zanotowanej przez dostawców zmiany zainteresowania klientów produktami do ochrony ESD w ostatnim roku.

Za najważniejszy sposób ochrony przed elektrycznością statyczną można natomiast uznać uziemianie materiałów przewodzących. Wszelkie powierzchnie robocze np. na stanowiskach montażowych lub pomiarowych powinny być przystosowane do uziemienia przez określoną rezystancję. Jako płaszczyzna uziemiająca dla personelu wyposażonego w specjalistyczne obuwie lub opaski uziemiające na obuwiu jest często wykorzystywana podłoga.

Podłoga taka powinna więc być wykonana z przewodzącej wykładziny, płytek lub odpowiednio pomalowana. W przeciwnym razie stosować należy w strefie ochronnej i na innych stanowiskach roboczych maty rozpraszające ładunki. Głównym środkiem ochrony dla personelu podczas manipulowania przyrządami wrażliwymi na elektryczność statyczną jest opaska nadgarstkowa.

Podczas używania narzędzi roboczych stosuje się rękawice i osłony palców wykonane z materiałów elektrostatycznie przewodzących lub elektrostatycznie rozpraszających. Operatorzy powinni być wyposażeni w zewnętrzną odzież o właściwościach elektroprzewodzących, a krzesła powinny być wykonane z materiałów słabo elektryzujących się i również uziemione, to samo dotyczy grotów lutownic.

Oprócz wymienionych środków zapewniających uziemianie równolegle stosuje się neutralizowanie ładunków elektrostatycznych za pomocą jonizatorów wysokonapięciowych, indukcyjnych lub z izotopami radioaktywnymi. Jonizatory są zwłaszcza użyteczne tam, gdzie nie można wykonać skutecznego uziemienia materiałów lub narzędzi, a więc np. na liniach produkcyjnych.

Ważne jest utrzymywanie stosunkowo dużej wilgotności powietrza, która skutecznie zapobiega gromadzeniu się ładunków elektrostatycznych w odniesieniu do materiałów wykazujących zdolność powierzchniowego absorbowania wody (higroskopijnych).

Wrażliwe na elektryczność statyczną przyrządy ESDS (ESD Sensitive Devices – elementy wrażliwe na ESD) chroni się w trakcie transportu i posługiwania się nimi przez opakowania wytworzone z materiałów elektroprzewodzących np. o charakterystyce odpowiadającej warunkom rozpraszania ładunków. Są to kosze, skrzynki, pojemniki, torebki, podstawki, gąbki i folie. Ściany, podłogi, regały, powierzchnie robocze stanowisk zaleca się przemywać antyelektrostatycznymi płynami czyszczącymi. Ogólnie akceptowana jest zasada, że czystość sprzyja osiągnięciu dobrej ochrony przed elektrycznością statyczną.

Działania organizacyjne

Oprócz bogatego arsenału materiałów i urządzeń właściwa ochrona przed elektrycznością statyczną obejmuje również szereg działań o charakterze organizacyjnym i szkoleniowym dla personelu. Pracownicy firmy muszą zdawać sobie sprawę z tego co robią i w jaki sposób problematyka ESD dotyczy ich pracy i wykonywanych czynności. Bez takiej świadomości inwestowanie nawet w najbardziej wyrafinowane środki ochronne nie ma większego sensu, gdyż jak w wielu innych dziedzinach najsłabszym elementem całego połączonego ze sobą łańcucha zależności okazuje się zazwyczaj człowiek.

Jedną z bardziej istotnych czynności w firmie jest powołanie w firmie tzw. koordynatora ESD a więc osoby, która będzie odpowiedzialna za całość zadań związanego z ochroną przed elektrycznością statyczną. Koordynator jest osobą odpowiedzialną za przeprowadzenie i przebieg szkoleń dla pracowników, wdrożenie i przestrzeganie procedur i zasad związanych z przebywaniem w strefie chronionej i manipulowaniem komponentami wrażliwymi na wyładowania. Takie kursy są prowadzone zwykle w kilku etapach różniących się poziomem szczegółowości, od prostych zagadnień dotyczących zachowania (co wolno a co nie), po bardziej szczegółową wiedzę na temat elektryzacji materiałów, powstawania wyładowań i metod ochronnych.

Koordynator zajmuje się ponadto kontrolą i planowaniem zakupów środków ochronnych, prowadzeniem dokumentacji i audytami. Niewątpliwie lista obowiązków jest długa, a odpowiedzialność takiej osoby jest znaczna. Szczęśliwie tematyka związana z ochroną produkcji elektronicznej przed elektrycznością statyczną jest dość dobrze opisana w normach, dzięki czemu wiadomo co trzeba robić.

Poza tym wyczerpujący i poradnikowy charakter tych dokumentów w zakresie dotyczącym ESD jest dużym ułatwieniem w pracy, dzięki czemu wiele zagadnień można opracować w ramach istniejącego potencjału kadrowego firmy. Do przedsięwzięć organizacyjnych zaliczyć można ponadto właściwe oznakowanie żółtym symbolem ręki komponentów wrażliwych na wyładowania elektrostatyczne ESDS, ich opakowań oraz wyposażenia pomiarowego. To samo dotyczy oznakowania zacisków uziemiających, wyznaczenia i oznakowanie stref chroniących przed wyładowaniami ESD – stref EPA (ESD Protected Area – obszar chroniony przed ESD) i przestrzeganie zasad pracy w tym obszarze.