ESD – grunnleggende kunnskap

Dette skrivet er ment å gi en innføring i ESD-sikring for ikke-teknisk personell. Mange bedrifter har ansatte som ikke har noen form teknisk/elektroteknisk utdannelse og som håndterer ESD-følsom elektronikk innenfor produksjon, service, lager, transport, salg etc. De blir gjerne fortalt hva de skal gjøre og hva de ikke skal gjøre for å unngå ESD-skader, men den helhetlige forståelsen mangler ofte. Her presenteres ESD-sikring på en så enkel, ikke-teknisk måte som mulig. For å få en  bra grunnleggende og helhetlig forståelse er det helt nødvendig med litt teori om statisk elektrisitet, triboelektrisk oppladning, induksjon mv. Videre tar vi for oss det mest  benyttede fysiske beskyttelsesutstyret som jordings-armbånd, ESD-bord/gulvbelegg, emballasje etc samt krav til  EPA(ESD Protected Area).  Økt forståelse for ESD-sikring gjør det lettere å opprettholde en høy produktkvalitet og feilfri elektronikk.
Bestill kurs her.

Husk at ESD-sikring er nødvendig kvalitetssikring når ubeskyttet elektronikk håndteres!

 

Electrostatic discharge (ESD) er en utladning av statisk elektrisitet mellom to objekter med forskjellig elektrisk potensial. Et kjent eksempel fra dagliglivet er f.eks.  det støtet du får når du går over et teppegulv og berører et metallisk dørhåndtak. For mennesker er et slikt støt normalt bare ubehagelig. For små elektronikk-komponenter kan støtet være ødeleggende.

 

 

 

 

ESDS (ESD Sensitive Device)
ESDS er betegnelsen elektronikkbransjen bruker på ESD-følsom elektronikk. ESDS kan være kompo-
nenter, kretskort, moduler og halvfabrikata.  Sørg for å gjøre deg kjent med hva som er definert som ESDS hos din bedrift ellers kan ESD-sikringen bli noe tilfeldig.

 

Statisk elektrisitet genereres når materialer gnis mot hverandre og separeres. Det kalles triboelektrisk oppladning. For at en oppladning skal skje må minst ett av materialene være elektrisk isolerende. Eksempler på elektrisk isolerende, oppladbare materialer er plast, glass, gummi, syntetiske materialer etc. Eksempler på elektrisk ledende materialer er metaller, menneskekroppen.

 

 

 

 

 

 

Triboelektrisk serie
Den triboelektriske serie indikerer hvordan forskjellige materialer lader seg opp i forhold til hverandre ved kontakt og separasjon. Jo lengre avstand mellom materialene, jo mere oppladning. Oppladningen måles i Volt(V). Materialer øverst gir lett fra seg elektroner (som er negative ladningsbærere) og ender derfor opp med å bli positivt ladet i forhold til materialene lengre ned i serien. I serien nedenfor er menneskehud plassert øverst og teflon nederst. Ved kontakt og separasjon av disse materialene vil tørr menneskehud bli veldig positivt oppladet og teflon veldig negativt oppladet (teflon tar opp elektroner, menneskehud gir fra seg elektroner).
 

                                 Økende positiv

 

Menneskehud

Glass

Glimmer

Menneskehår

Nylon

Ull

Pels

Bly

Silke

Aluminium

Papir

Bomull

Stål

Tre

Bonevoks

Gummi

Nikkel
Messing
Rayon
Polyester
Celluloid
Orlon
Polyuretan
Polyetylen
Polypropylen
PVC
Silikon
Teflon

                              

                             

                                    Økende negativ

 

                                         

                                             

                           Hvordan oppladningen varierer med luftfuktigheten

                                                    70-90% RF                                                   10-20% RF

                                                  Oppladning Volt                                        Oppladning Volt
Gå over vinylgulv                                  250                                                     12.000
Gå over syntetisk teppe                    1.500                                                     25.000
Arbeide ved arbeidsbenk                    100                                                      6.000
Skyve plastboks på vanlig benk       1.500                                                     18.000
Dra tape av kretskort                         1.500                                                     12.000
Pakke ut kretskort i plast                   3.000                                                     16.000

NB! Tallene er omtrentlige

 

Vær oppmerksom på dette:

Vi mennesker føler først ubehag med statisk elektrisitet når vi har generert ca. 3000V på kroppen og deretter lader oss ut ved å berøre f.eks metall eller komponenter. Elektronikk-komponenter kan ødelegges allerede ved 100V og i noen tilfeller også lavere enn det. Vi kan lett forledes til å tro at vi ikke har noe problem med statisk elektrisitet og ESD fordi vi selv ikke føler noe ubehag eller merker at vi lader oss ut mot følsomme komponenter. Er du bevisst på dette kan du bidra til å redusere antall ESD-skader.


 

 

 

 

Katastrofale og latente ESD-skader
Moderne elektronikk-komponenter kan være utrolig komplekse og kan inneholde hundrevis av millioner og ofte flere milliarder transistorer (høy pakketetthet). Det gjør de i stand til å utføre kompliserte oppgaver og beregninger lynraskt og nøyaktig. Med økende pakketetthet øker også følsomheten for
ESD-skade. Skader på komponenter (ESDS) deles inn i:
Katastrofale skader - Komponenten er fullstendig ødelagt og må byttes ut
Latente skader - Komponenten er degradert, fungerer ikke slik som den skal, og vil bryte sammen lenge før sin naturlige levetid. Kan være vanskelig å påvise i funksjonstester og kan oppleves som «uforklarlige» fei i utstyr hvor de er innmontert. Latente ESD-skader er normalt de skadene vi helst vil unngå fordi de kan være vanskelige å påvise i tide. ESD-sikring er derfor nødvendig kvalitetssikring for å hindre at katastrofale og latente ESD-skader oppstår.

Jording
Jording er et nøkkelbegrep innen ESD-sikring. Alt som jordes kan skal jordes; mennesker, utstyr etc. Materialer og mennesker som ikke har noen overskuddsladning kan ikke påføre elektronikk-komponenter ESD-skade. Mange materialtyper kan ikke lede elektrisk strøm og de kan derfor ikke jordes. Slike materialer kalles elektriske isolatorer, se ovenfor. Materialer som kan jordes kalles elektriske ledende eller konduktive, se ovenfor. Også menneske-kroppen er elektrisk ledende. Fordelen med elektrisk ledende materialer innen ESD-sikring er at de fort kan bli kvitt overskuddsladning ved jording. Ulempen med elektrisk isolerende materialer er at de ikke kan jordes. Derfor holder de på sin overskuddsladning og de kan holde på ladningen i lang tid, timer, dager, uker. Alle elektrostatisk oppladede mennesker  og objekter er omgitt av et elektrisk felt.

 


 

 


 

                                       

                                    Elektrostatisk Induksjon

                                                               

                                                                +
                                                                +
                                                                +
                                                                +

                                                                +

                                                                +

          
Elektrostatisk induksjon som beskrevet her må unngås for å forhindre ESD-skader.
Fenomenet oppstår når f.eks. en oppladet plastboks, plastpose eller lignende er plassert
nær et kretskort, komponent etc. (ESDS). Kretskortet eller komponenten ligger på et ujordet
underlag. Det positive elektriske feltet som omgir plastboksen forårsaker en ladningsforskyvning (polarisering) inne i komponenten. Det betyr at negativ ladning (elektroner) i komponenten trekkes
mot det positive feltet fra boksen og bindes opp av det. På motsatt side av komponenten er det nå
et overskudd av fri positiv ladning. Hvis komponenten (ESDS) nå blir berørt av en person eller et
elektrisk ledende objekt, skjer det en hurtig utladning (ESD) som kan skade komponenten. For å
unngå skade pga elektrostatisk induksjon må du følge disse reglene:

Ikke plasser ESDS på et ujordet underlag
Ikke plasser isolerende, oppladbare materialer inntil ESDS, min. avstand 50cm

 

Greit å vite: Ødeleggende ESD-utladninger får vi bare fra elektrisk ledende (konduktive) materialer og objekter, f.eks. mennesker som er elektrostatisk oppladet, ikke fra isolerende oppladbare materialer og objekter som plast, polyester, nylon etc.  Årsaken til at vi må unngå iisolerende, oppladbare materialer nær inntil ESD- følsom elektronikk (ESDS) skyldes det elektriske feltet som omgir materialene når de er oppladet og som kan forårsake elektrostatisk induksjon hos ESDS.  Det fins bare en effektiv metode for å nøytralisere feltet som omgir isolerende materialer, det er vha balansert ionisering, se beskrivelse
under ESD-beskyttelsesutstyr.

 

ESD-beskyttelsesutstyr
Det finnes på markedet et stort utvalg i produkter som skal beskytte mot ESD-skader. Ulike bedrifter
har ulike behov for beskyttelsesutstyr. Det har sammenheng med bedriftens aktivitet. En produsent av f.eks. datamaskiner vil helt klart ha et større behov for ESD-beskyttelse enn en bedrift som bare sporadisk håndterer ESDS. Vi tar her for oss det mest essensielle av utstyr og hjelpemidler som det er viktig å ha kjennskap til

Jordingsarmbånd

Bruk av jordingsarmbånd er den mest effektive og foretrukne metode  for jording av personer. Jordingsarmbånd skal alltid brukes ved sittende arbeid. Armbåndet skal sitte godt på håndleddet og kabelen skal festes til bordmatten vha trykknapp.
 

 

 

 

 

 

ESD-gulvbelegg
Et ESD-gulvbelegg har den egenskapen at det har en evne til å lede elektrisk strøm. Ikke på en slik måte at det utgjør en risiko for farlige elektriske støt, men på en slik måte  at det forhindrer elektrostatisk oppladning av personer og utstyr som er i kontakt med belegget. Det betinger at personer som forflytter seg på belegget bruker spesielle sko, kalt ESD-sko, eller spesielle hæl- eller tåstropper. Belegget er tilkoblet jord. Jording av personer via gulvbelegg er ikke så effektivt som via jordingsarmbånd.
Det er mange hensyn å ta ved valg av denne type belegg.

NB! For jording av personer er det bare de to metodene som er nevnt over som er anbefalte. Det er viktig å funksjonsteste ESD-jordingsarmbånd og fottøy. Helst daglig før arbeidets begynnelse (selvsagt forutsatt daglig bruk).
 

ESD-bord/bordmatter
Alle bord hvor det håndteres ESDS skal ha matte eller belegg som avleder elektrostatisk ladning til jord uten risiko for ESD-skade  og dermed kan man trygt håndtere ESD-følsom elektronikk.

 

ESD-stoler
ESD- stoler er nyttige hjelpemidler  innen ESD-beskyttelse. Stolene er ikke ment for jording av
personer, men for å unngå de negative  effektene som vanlige arbeidsstoler kan skape i et ESD-
beskyttet miljø. Stolene må plasseres på ESD-gulvbelegg eller matterfor å ha ønsket virkning.

 

Ioniseringsvifter
Balansert ionisering er den eneste effektive metode for å fjerne ladning på isolerende, oppladbare materialer og objekter. Slike materialer kan som kjent ikke jordes. Noen ganger er det helt nødvendig å bruke eller bringe slike materialer innenfor EPA (ESD Protected Area). Da må ioniseringsvifte tas i bruk. Viftens eneste oppgave er å nøytralisere det elektriske felt som oppstår rundt elektrostatisk oppladede, isolerende materialer. Kan fås som bordmodell, takmodell etc.

 

 

 

 


ESD -arbeidstøy
Bruk av vanlig arbeidstøy øker risikoen for ESD-skader fordi tøyet kan være laget av syntetiske
materialer som kan generere elektrostatiske felt som igjen påvirker følsom elektronikk du har
foran deg. ESD-arbeidstøy har fått tilsatt konduktive fibre til tøymaterialet og dermed skapes et såkalt Faraday-bur rundt kroppen som forhindrer felt fra syntetiske plagg innenfor tøyet å påvirke ESDS på utsiden. Bruk av ESD-arbeidstøy er utvilsomt et fordelaktig og ofte et helt nødvendig tiltak for å sikre
mot ESD-skader

 

 

 

 

ESD- pakkematerialer
Det er mange typer ESD-beskyttende pakkematerialer på markedet. Her skal vi bare omtale de to mest brukte. Det er svært viktig at man bruker emballasje tilpasset oppgaven og at man ikke firer på kravene. Utilfredstillende eller dårlig emballasje har skylden for mange ESD-skader. ESDS som skal transporteres/lagres utenfor EPA(ESD Protected Area) skal alltid oppbevares i skjermende emballasje. Den mest brukte form for skjermende emballasje er metalliserte poser. Metalliserte, skjermende poser har alle de egenskaper som god ESD-beskyttelse skal ha; skjermende, antistatiske, dissipative. At de er transparente er også et pluss og en sikkerhetsfordel. Ikke nødvendig å fjerne ESDS fra posen for identifikasjon. Pass på at posen omslutter innholdet og er lukket og at den ikke er tydelig slitt og perforert. Brukes både innen- og utenfor EPA

 

Antistatiske pakkematerialer som f.eks. rosa bobleplast eller film, populært kalt Pink Poly, er plastmaterialer som er tilført kjemiske antistater som skal motvirke triboelektrisk oppladning. Antistatiske poser har ingen skjermende effekt (Faraday-bur) og må derfor ikke benyttes til transport og lagring av ESDS utenfor EPA. Benyttes til emballering av ikke-elektroniske komponenter , som f.eks. skruer og smådeler som skal inn i EPA nær ESDS. I de senere år har det kommet antistatiske materialer på markedet med bedre egenskaper enn pink poly, som ble lansert på 70-tallet, lengre holdbarhet, god effekt ved lav luftfuktighet og antistatvirkning på både inn- og utside av pose, men skjermende er de ikke.
Følg derfor regelen: Antistatiske poser og bobleplast skal ikke brukes til transport og lagring av ESDS utenfor EPA med mindre skjermende tilleggsemballasje benyttes.
                               

EPA (ESD Protected Area)


 

 

 

 

EPA er områder som opprettes for å skape tryggest mulige forhold for håndtering av ESDS

EPA kan f.eks. være et lokale, en del av et lokale, et arbeidsbord eller en reol

De viktigste krav til EPA
Maks kroppspotensial <100V innenfor EPA
Isolerende, oppladbare materialer må holdes unna ESDS (min. 30-50cm). Hvis det ikke er mulig må ioniseringsvifte tas i bruk.
EPA må avmerkes og skiltes.
Kun ESD-sikrede personer skal ha adgang til EPA
Spising og unødvendige aktiviteter skal ikke foregå innenfor EPA
Vær nøye med å overholde krav til EPA!

 

Oppsummering 
Vi har gjennomgått det mest elementære innen ESD-sikring og vi forstår at forebygging av ESD-skader
er nødvendig. Graden av tiltak bestemmes av aktiviteten i din bedrift. Som en tommelfingerregel kan man si at det er bedre med for mye utstyr enn for lite.
En liten bedrift som bare driver med enkel håndtering av ESDS kan kanskje klare seg med et minimum
av utstyr som bordmatte, jordingsarmbånd og et passende utvalg i skjermende emballasje. Det krever
at de ansatte er konsekvente i bruk av utstyret. Skal man være på den  sikre siden må det mere utstyr
til, ESD-gulvbelegg, arbeidstøy mv. Et ESD-sikringsprogram er også nødvendig. Noen må også ha ansvar for ESD-sikringen. Den eller de kalles ESD-koordinator.

Krav til ESD-sikring bestemmes gjennom internasjonale standarder og utviklingen innenfor elektronikkindustrien. Internasjonalt ledende ESD-standard er i dag IEC61340-5-1

Eksempel på generelle punkter i et ESD-program

  • Utvelg en person (ESD-koordinator) som skal ha det overordnede ansvar for ESD-sikringen

  • Opprett EPA (se krav til EPA over) der det er hensiktsmessig og gjør de til   ”hellige” områder mhp ESD-sikkerhet. Ingen oppladbare materialer i EPA, i så fall må balansert ionisering anvendes

  • Hold god orden i EPA, det minsker risikoen for ESD-skader

  • Bruk EPA-skilt for å gjøre oppmerksom på at det er et EPA-område

  • Bruk Field-service kits ved feltarbeid, opprett provisorisk EPA

  • Obligatorisk bruk av jordingsarmbånd på stasjonær arbeidsplass ved sittende arbeid

  • Daglig kontroll av jordingsarmbånd/fottøy med loggføring

  • Innfør strenge, ufravikelige rutiner for lagring/transport av ESDS.

  • All ESDS som lagres/transporteres utenfor EPA skal oppbevares i skjermende emballasje  (f.eks metalliserte poser) som fullstendig omslutter ESDS (Faraday-bur)

  • ESDS med feil skal behandles som feilfrie for ikke å påføre flere feil

  • Rutiner for kontroll av innkommende ESDS for å sikre at den er forsvarlig emballert. Kun skjermende emballasje er godt nok

  • Rutiner for sjekk av eventuell antistatisk emballasje (rosa bobleplast etc.). Husk at disse materialene tørker ut og blir oppladbare etter en stund. Da utgjør materialet en risiko for ESDS og må fjernes

  • Rutiner for periodisk sjekk av bordbelegg mhp overflatemotstand og gjennomgangsmotstand til jord Rutiner for periodisk sjekk av gulvbelegg (gjennomgangsmotstand til jord)

  • Sørg for at alle involverte blir kjent med disse kravene. Ikke glem nyansatte

  • Alle som håndterer ESDS skal ha gjennomgått kurs

  • Sjekk at leverandører av ESDS er ESD-sikret

  • Gi klare instrukser til renholdspersonell. Unngå bruk av renholdsutstyr som genererer ladning i eller i umiddelbar nærhet av EPA

  • Anskaff utstyr i overensstemmelse med gjeldende standard IEC61340-5-1

 

 

www.elm-esd.no

Triboelektrisk oppladning og luftfuktighet
Luftfuktigheten spiller en stor rolle for hvor høy elektrisk ladning som genereres. Tørr luft gir høy oppladning, fuktig luft gir lav oppladning. For høy luftfuktighet er heller ikke bra fordi det kan forårsake korrosjon og også gå utover loddbarheten til komponentene. Ideelt uftfuktighetsområde for elektronikk er 40-60% relativ fuktighet (RF)

Vi skal her nøye oss med å vite at et elektrisk felt er et område hvor det eksisterer usynlige fysiske krefter som virker over avstander. Feltet kan være positivt eller negativt. I et positivt felt er det et underskudd av elektroner, i et negativt felt er det et overskudd av elektroner. Vi har alle opplevd elektriske felt og hva de kan føre til i dagliglivet. F. eks. støv som samlet seg på våre gamle TV- og PC-skjermer før flat-skjermene kom på markedet, eller kanskje vi gned en ballong mot tørt hår og etterpå fikk ballongen til å feste seg til veggen. Det skyldes tiltrekningskrefter pga feltet. I feltet vil like ladninger frastøte hverandre + + og - - (pluss, pluss og minus, minus), mens ulike ladninger tiltrekker hverandre, + - (pluss, minus). Tiltreknings- og frastøtingskreftene i et elektrisk felt som omgir oppladede objekter og materialer kan forårsake ESD-skade på komponenter gjennom et fenomen som kalles elektrostatisk induksjon.

Ujordet komponent.
Ladningsforskyvning (polarisering)oppstår i komponenten pga det elektriske feltet som omgir boksen

Elektrostatisk oppladet plastboks omgitt av et positivt elektrisk felt

jordingsarmbånf.png
ionevifte.jpg
ESD-tøy.jpg
pose1.jfif
pose3.jpg

Antistatisk pose (pink poly)

Metallisert (skjermende) pose

+
+
+

-
-
-

 ELM Kurs & Tjenester                                                           Email: post@elm-esd.no                                                       Tlf. +47 41 18 75 60
 Sørumsgata 8 - 2000 Lillestrøm                                           www.elm-esd.no                                                                    Kontakt