ESD-ionisering

Nyttig å vite  – Balansert Ionisering
Jording er et nøkkelord innen ESD-sikring, jording av personer, utstyr, gulv- og bordbelegg,
stoler, reoler etc. Men hva med materialer som ikke kan jordes men som likevel er nødvendig innenfor EPA(ESD Protected Area) og nær ESDS¹?. Vi snakker om isolerende materialer som
plast, glass, gummi, teflon samt kretskort mv. Isolatorer kan ikke lede strøm som konduktive materialer, men de kan lades opp triboelektrisk. Det er ingen grunn til å bekymre seg for elektrostatiske utladninger fra isolatorer, det er det elektriske feltet som omgir de som skaper problemer. Alle oppladede personer og gjenstander er omgitt av et elektrisk felt. Et elektrisk /elektrostatisk felt kan forårsake elektrostatisk induksjon hos ESDS som utsettes for feltet. Elektrostatisk induksjon er en av hovedårsakene til ESD-skader. Altså må vi sørge for å nøytralisere feltet.
Elektrisk oppladede konduktive materialer nøytraliseres ved jording, men for isolerende materialer finnes det i praksis bare en effektiv metode for nøytralisering, og det er balansert luftionisering. Ionisering benyttes i stor utstrekning innen elektronikkindustrien og på områder hvor statisk elektrisitet av ulike årsaker utgjør et problem. En ioneviftes oppgave er å nøytralisere det elektriske felt som oppstår rundt elektrostatisk oppladede, isolerende materialer. De fleste ioneviftene på markedet fungerer etter Corona-prinsippet, og det er disse vi skal konsentrere oss om. En annen ioniseringsteknologi, Alfa-ionisering, basert på radioaktiv nedbrytning av Polonium 210, blir også omtalt.


Hva er luftioner?
Et ion er et atom eller molekyl som har en positiv eller negativ elektrisk ladning fordi det har mistet eller tatt opp elektroner, atomet/molekylet er altså ikke lengre elektrisk nøytralt. Et
luftion er et elektrisk ladd molekyl som er en blanding av gasser, inkludert nitrogen, oksygen, karbondioksyd, vanndamp samt også spor av andre gasser. Luftioner forekommer naturlig i
lufta i et forhold 1.2:1 i favør av positive ioner. Hvis et ion utsettes for et elektrisk felt, vil det bevege seg med en hastighet avhengig av feltstyrken og i en retning avhengig av både feltretningen og ionets polaritet som kan være positiv eller negativ.


Alfa-ionisering
Alfa-ionisering er den klart mest effektive metode for nøytralisering av oppladede, iso-
lerende materialer. I motsetning til Corona-ionisatorer som benytter generering av
elektrostatiske felt til ioneproduksjon, benytter  Alfa-ionisatorer et radioaktivt grunnstoff, Polonium 210, som pga radioaktiv nedbrytning avgir alfa-partikler (helium-kjerner). Alfa-partiklene kolliderer med luftmolekyler som får revet løs elektroner og demed blir positive
ioner. Elektronene får ikke operere særlig lenge på egen hånd før de blir fanget opp av nøytrale molekyler som blir til negative ioner. Fordelene med alfa-ionisatorer er:  Perfekt ionebalanse (0 offset spenning), ypperlig i renrom, behøver ingen elektrisk strømforsyning
og er derfor velegnet i brannfarlige og eksplosjonsfarlige miljøer. Alfa-ionisatorer er ved- likeholdsfrie. Leveres i mange forskjellige utgaver, overhead, bordplassering, ioniserings- pistoler etc.
Ulemper: Kostbare, trenger utskiftning årlig fordi halvparten av effekten er borte etter 138 dager (halveringstid for Polonium 210).  Radioaktivitet kan virke skremmende på mennesker. Spesielle håndteringsregler. Ta gjerne kontakt med Statens Strålevern før eventuell anskaffelse.

Corona-ioniseringsvifter
Corona-ioniseringsvifter benytter et kraftig elektrisk felt som dannes ved å påtrykke høy
spenning (5– 20kV) på nålespisser (emittere) til å akselerere elektroner. En del frie elektroner
er alltid til stede i atmosfæren. Et positivt felt påvirker frie elektroner til å akselerere mot
emitterne. På veien kolliderer de med luftmolekyler som får revet løs elektroner og dermed blir positive ioner. Det positive feltet frastøter de positive ionene, fortrinnsvis i retning mot
det isolerende materialet som skal nøytraliseres. På samme måte vil et kraftig negativt elektrisk felt sende frie elektroner bort fra emitterne, de kolliderer med luftmolekyler som genererer flere frie elektroner som fanges opp av nøytrale molekyler nær emitterne. De negative ionene frastøtes av det negative elektriske feltet. Et oppladet objekt tiltrekker seg ioner av motsatt polaritet og en rekombinasjon finner sted.

Hva sier ledende ESD-standard IEC61340-5-1 om ioniseringsvifter?
Når ioniseringsvifter inngår i et ESD-program skal de kunne redusere en ladning fra 1000V
til 100V på <20 sek. og offset spenning <+/-35V. En god ioniseringsvifte klarer å redusere fra 1000V til 100V på kanskje 4-5 sek. og en langt lavere offset-spenning.
Det er viktig at ionebalansen blir best mulig ellers kan ioneviften risikere å virke mot sin hensikt, nemlig å lade opp gjenstanden/materialet i stedet for å nøytralisere. Mange ione- vifter har korrigeringskretser som sørger for god balanse og stabilitet i ioneproduksjonen (anbefales).


Viktig å vite
Det er flere forhold som avgjør ioniseringseffekten og som  man må ta hensyn til for å få
optimal nytte av viftene. Det må ikke være hindringer som forstyrrer luftstrømmen mellom
ioneviften og «arbeidsstedet».  Ujordede elektrisk ledende objekter i ionestrømmen må
jordes, ellers kan de ta opp ladning fra viftene.  
Vær også oppmerksom på effekten av spenningsundertrykkelse (voltage suppression).
F.eks. et oppladet isolerende plastark som ligger på arbeidsbordet vil ikke bli nøytralisert av
ionestrømmen fordi det elektrostatiske feltet har kollapset. Det forklares med  utgangspunkt
i den grunnleggende formelen i elektroteknikk  Q=C x V (ladning = kapasitans x spenning).  
Når arket ligger ned mot bordflaten er kapasitansen maks.og spenningen minimal. Løftes
arket fra bord-platen kan man enkelt med en feltmåler sjekke at spenningen stiger og at det elektrostatiske feltet er fullt til stede. Ioniseringen har har hatt null effekt på plastarket, så vær på vakt! Emitterne krever rensing/utskiftning. Med tiden vil de avgi partikler. Spesielt i renrom er det uakseptabelt.

AC(Vekselstrøm)-ioniseringsvifter
Denne viftetypen er den mest benyttede og har den enkleste teknologien., er derfor også
billigst i anskaffelse. Høy spenning påtrykkes nåler (emittere) som produserer henholdsvis
positive og negative ioner i takt med nettfrekvensen (50Hz i Norge). Ioniseringseffekten
er lav fordi positive og negative ioner følger tett etter hverandre fra de samme emittere
separert i tid med bare en halvperiode (1/100s). Det betyr at tap av ioner pga rekombinasjon
kan bli betydelig. For å minimere ionetapet, benyttes høy viftehastighet til å transportere
ionene mot «arbeidsstedet». Det gjør at AC-ionevifter er lite egnet i f.eks. renrom. Dessuten
kan ustabil nettfrekvens påvirke ionebalansen og nøytraliseringseffekten.

HDC(-AC Hybrid ionizerteknologi utviklet og patentert av Shishido i Japan
Virkemåten skiller seg klart ut ifra vanlig AC-ionisering. Hos vanlige AC-ionisatorer basert på
corona-ionisering benyttes en transformator til å drive opp spenningen til flere tusen volt for

å generere ioner på emitternålene, 220V/50Hz nettspenning tilføres på primærsiden.
AC-Hybrid ionisatorer benytter en patentert strømforsyning som sørger for stabil tilførsel av strøm vha digital regulering (PBM) på primærsiden av en trådviklet ultrakompakt trafo.

Hvilke fordeler har AC-hybrid teknologien?
 

     -Stabil nøytraliseringsevne over lange tidsperioder

     -Langt mindre emitternålslitasje og mindre smussbelegg

     - Svært lav ozonutskilling

     -Enestående ionebalansefunksjon
      (Amplitydemodulasjon styrer mengden av ioner som genereres og
      posisjonsmodulasjon som sørger for at emitternålen absorberer overskuddsioner)
   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

DC(Likestrøm)-ioniseringsvifter
DC-viftene benytter separate emittere for å produsere henholdsvis positive og negative
ioner vha høy positiv og negativ likespenning. Ioniseringseffekten er langt høyere enn hos
AC-viftene. Fordi lavere luftstrømshastighet kan benyttes, er de også velegnet i renrom.
Ionebalansen er bedre enn hos AC-viftene som gjør de mere anvendelig til ESD-beskyttelse
av svært følsom ESDS. DC-vifter er mere komplisert enn AC-vifter og prisen er høyere.


Pulsed DC(Likestrøm)-ioniseringsvifter
Denne teknologien er den mest avanserte og mest effektive blant Corona-ionevifter.
Separate strømforsyninger benyttes for å generere positive og negative spenninger
til emitterne.  Metoden gir mulighet for forhåndsinnstilling av tidsintervallet for av/
påslåing av emitterne samt forholdet mellom antallet positive og negative ioner som
produseres (ioniseringsfrekvensen). Frekvensen er langt lavere enn hos AC-vifter slik at rekombinasjon av ioner reduseres betydelig og ytelsen øker deretter. Luftstrømmen kan kontrolleres etter behov uten at det går utover ytelsen. En minimum pulseringsfrekvens
på 2-3 ggr/s er viktig for å unngå for høye spenningssvingninger på objektet som skal be-skyttes.  Virkemåten tillater at viftenegjerne kan plasseres i tak, 5 m eller høyere. Pulsed
C-vifter er vanligst i renrom.

Ioneviftene kan fås i forskjellige typer for best mulig tilpasning til sin oppgave. Vanlige
typer i et elektronikkmiljø er: Overhead-vifter, benchtop-vifter og ioniseringspistoler.
Alle kan leveres i AC eller DC versjon. Det er viktig å passe på at ione-luftstrømmen ikke forstyrres av luftstrømmer fra andre vifter eller fra ventilasjonsanlegget.

Overhead ionevifte
Som navnet forteller er overhead-viften konstruert plassering over arbeidsstedet, enten
ved å henge ned fra taket eller under ei hylle. Fordelen med denne typen er at de tar opp minimalt med plass, er relativt stillegående, bra dekningsareal. Leveres i både AC og DC-versjon. Henges vanligvis 50-100cm over arbeidsstedet. Effektiviteten varierer med vifte-hastighet og avstand til "arbeidsstedet".


Benchtop ionevifte
Viftetype som egner seg til mindre nøytraliseringsoppgaver. Kan stå på arbeidsbord eller monteres på vegg. Finnes både i AC og DC-versjon.
Rimelig i ankaffelse, støyer generelt mere enn overheadvifter.

 

Ioniseringspistol
Nøytraliserer elektrostatisk ladning hurtig, fjerner støv og partikler på bl.a. elektronisk utstyr.
Svært anvendelig og fleksibelt apparat. Er avhengig av trykkluft.

Corona-ionisering og ozon
Et biprodukt av corona-ionisering er ozon. Ozon kan forårsake luftveis- og øyeirritasjon,
sår hals, hodepine og moderat åndenød. Ozonutskillingen fra viftene er oftest svært lav
og godt under maks. grenser satt av myndighetene, slik at de negative helseeffektene
er svært uvanlige, sjekk likevel databladet. En grei forholdsregel er: Lukter det ozon er konsentrasjonen for høy.
Administrativ norm for ozon i arbeidsmiljøet er 0,2 mg/m3 luft.

¹ ESDS(ESD Sensitive Device) kan være elektronikk-komponent, kretskort, modul,
  tykk/tynnfilmmotstand som er ESD-følsom

Pulsbreddemodulering (PBM) er en metode for å generere et analogt signal vha en digital krets. PBM betår av to hovedkomponenter som definerer signalet, dutycycle og frekvens. Dutycycle angir den tid signalet er i høy tilstand som en prosentdel av den tid det tar å fullføre en periode. Frekvensen bestemmer periodetiden. HDC-AC-Hybrid teknologi opererer med 200Hz grunnfrekvens, altså periodetid 1/200s. Ved å styre 

primærsiden på transformatoren vha firkantpulstog (PBM) kan utgangspulsen på

sekumdærsiden reguleres svært nøyaktig.

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