Nyttig å vite om ESD(ElectroStatic Discharge) - jording etc.

Bedrifter som håndterer ubeskyttet ESD-følsom elektronikk, også kalt ESDS(ESD Sensitive Device)¹ er innforstått med at ESD-sikring er nødvendig for å unngå skader. Det handler om kvalitetssikring  av elektronikk. Selv om vi har  ESD-kvalitetsstandarder som veileder oss og er til stor nytte for implementering av et effektivt ESD-program, er det likevel behov for gode råd og tips hva angår flere ESD- messige forhold. Her ser vi nærmere på jording av personell og dertil tilhørende utstyr, krav og anbefalinger, samt  en analyse av personoppladning. Vi har tatt utgangspunkt i ledende internasjonale ESD-standard IEC 61340-5-1 rev.2016. Det anbefales fra begynnelsen å innføre et ESD-program som sikrer alle områder i bedriften hvor behov for ESD-sikring er til stede, i motsatt fall kan det bli mere snakk om skadebegrensning enn effektiv ESD-sikring. Det er to metoder for jording av personell, via gulvbelegg, og via jordingsarmbånd. Vi ser nærmere på begge.

 

Ca. 3000V er den spenningen som skal til for at mennesker skal føle ubehag med statisk elektrisitet. Noen elektronikk-komponenter kan skades av statiske spenninger <100V. 
Når vi beveger oss over vanlige gulvbelegg, kan vi lett generere flere tusen volt på kroppen.
Da er det ikke vanskelig å forstå at vi lett kan ta knekken på elektronikk-komponenter,
kretskort, moduler etc. uten at vi selv merker det.

ESD-gulvbelegg                                                                                      
ESD-gulvbelegg er ofte den viktigste enkeltbestanddel innenfor ESD-sikring. Et godt belegg
er et effektivt virkemiddel til bekjempelse av ESD-skader. Altså er det viktig å velge riktig type. Standarden krever en øvre resistansgrense, gjennomgangsmotstand til jord (Rg), på <1GΩ for  slikt belegg. Dersom belegget skal benyttes til jording av personell er øvre resistansgrense,
Rg <35 MΩ, men nå gjelder systemresistans, som er kombinasjon person, fottøy/gulv til jord, alternativt Rg <1GΩ og personoppladning<100V ved såkalt «walking test». 
Hvis man står foran valg av ESD-belegg bør man velge et belegg som oppfyller krav til  Rg<35MΩ  systemresistans. Et gulvbelegg med Rg<1GΩ kan muligens forhindre personoppladning >100V, men mange usikre variabler påvirker beleggets oppladningsegenskaper, bl.a. luftfuktighet, renholdsrutiner, forurensning mm. Måling av personoppladning ved «walking test»  på et ESD-messig forsvarlig nivå med pålitelige, holdbare data, er en omfattende prosess som krever fagkompetanse og utstyr utover hva som behøves for gulv med systemresistans Rg<35MΩ. Høyohmige vinylbelegg har neppe mulighet til å klare 100V-grensen, høyohmige gummibaserte belegg kan klare det. Uansett, ESD-belegg med systemresistans  Rg<35MΩ er utvilsomt det beste og tryggeste valget, dessuten er det lett å teste. Kan utføres uten spesiell fagkunnskap og med enkelt utstyr.
Vær oppmerksom på at det er bare i kombinasjon med ESD-fottøy at gulvbelegget fungerer tilfredsstillende til jording av personell. Benyttes vanlige sko, har belegget minimal eller ingen effekt. Boning av ESD-gulvbelegg krever spesialpolish, vanlig polish må aldri benyttes. Merk at
ESD-gulvbelegg bare er et krav dersom belegget inngår i et ESD-program.

Jordingsarmbånd
Jording via jordingsarmbånd er den foretrukne metode for jording av personell. Armbånd kan brukes både ved stående og sittende arbeid med ESDS¹, og det skal alltid brukes ved sittende arbeid fordi man da ikke kan være sikre på at føttene er trygt plassert på ESD-gulvet. Et komplett jordingsarmbåndsystem består av selve armbåndet og en kabel for tilkobling til f.eks. bordmatte. Krav til total resistans person/komplett armbåndssystem er <35MΩ. Armbåndet skal sitte godt rundt håndleddet i direkte kontakt med hud. En sikkerhetsmotstand på vanligvis 1MΩ 1/4W skal være innmontert i kabelen i enden nær armbåndet. Den skal beskytte mot elektrisk sjokk hvis kabelen kommer i kontakt med strømførende utstyr, beskytter mot spenninger opp til 250V. For høyere spenninger må armbånd/kabel endres tilsvarende. Kabelen er gjerne tilkoblet ESD-matte
via trykknapp. Tilkobling til en ende av bordmatta via alligatorklemme er ikke akseptabelt.

Hvorfor 35MΩ?
Resistansgrensen er ikke tatt ut av lufta. Tester og matematikk viser at det ikke er mulig å overstige 100V personoppladning når systemresistansen er på 35MΩ, se nærmere forklaring og fysiske formler under avsnittet ESD-gulvbelegg og oppladning.

Hvorfor maks 100V kroppspotensial?
Fordi maks. 100V (HBM)personoppladning gir tilfredsstillende beskyttelse for de fleste elektronikk-komponenter.  Komponenter som kan skades av spenninger <100V krever særskilte tiltak. Dessverre er ikke halvlederprodusentene særlig flinke til å oppgi ESD-følsomhetsnivåer i data-bladene. Merk at 100V er basert på simuleringsmodell, (HBM)Human Body Model, som simulerer utladning fra en person gjennom en finger mot en komponent. To andre simulerings-modeller benyttes også for å simulere ESD-situasjoner, nemlig CDM(Charged Device Model) og den mindre viktige MM(Machine Model) som er en variant av HBM.
 

CDM
Forebygging av HBM-skader forhindrer ikke CDM-skader. CDM simulerer en ESD-situasjon hvor ESDS¹ lader seg opp enten triboelektrisk eller pga elektrostatisk induksjon og deretter utlades direkte mot f.eks. metall, altså selvskade pga selvutladning. CDM-skader kan være mere øde-leggende enn HBM-skader pga svært kort utladningstid og høy strømstyrke (lav resistans og kapasitans). CDM-skader forebygges hovedsakelig ved å fjerne eller å holde isolerende, opplad-
bare materialer på avstand fra ESDS og i tillegg benytte ioniseringsvifter for å nøytralisere ladning på slike materialer. Isolerende materialer kan som kjent ikke lede strøm og kan derfor ikke jordes, men de kan lades opp triboelektrisk.
 

Test av fottøy
At fottøyet er i orden er en absolutt betingelse for å ikke overskride 100V personoppladning. Periodisk test er obligatorisk. På markedet finnes forskjellige testapparater, noen er designet for
å teste en og en fot, andre er designet for å teste begge føtter samtidig med uavhengige kretser for hver fot (anbefales). Man må også anskaffe et apparat som er innstilt på det resistansområdet som ESD-standarden krever, 100kΩ – 35MΩ. På apparater som er ment for å teste en fot i gangen, må man passe på å ikke stå med begge føttene på metallplata for da måles en resistansverdi som er bare halvparten av den reelle verdien (resistanser i parallell), og det blir feil. Man må også unngå å sette den foten som ikke er under test, på et ESD-gulv. Foten må løftes opp for å unngå feilmålinger. Sørg for rene skosåler før test.

Test av jordingsarmbånd
Test av jordingsarmbånd skal utføres periodisk og i overensstemmelse med bruk av jordings-
armbåndet, f.eks. daglig. Det finnes flere typer apparater i handelen, ofte er det kombinasjons-
apparater som tester både fottøy og armbåndssystem (armbånd m/kabel). Det er viktig at man
velger apparat som har et resistansområde som samsvarer med standarden (IEC61340-5-1),
750kΩ -35MΩ. Noen apparater har også velger for resistansområde. Pass på at riktig område
er valgt. Testen utføres enkelt med armbåndet på håndleddet og ved å plugge kabelen til apparatet. Trykk på metallknappen på testapparatet og lysdioder (vanligvis) angir enten OK,
eller feil på øvre eller nedre resistansgrense. Det kan være feil på armbånd eller kabel, kanskje
begge deler, eller personen kan ha uvanlig tørr hud som kan avhjelpes med spesielle fuktighetskremer. Poenget er at man må finne årsaken til feilen før man går i gang med å håndtere ESDS¹.

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

ESD-gulvbelegg og personoppladning                                                                     
Når en person beveger seg over et gulv blir personen elektrisk oppladet som et resultat av kontakt og friksjon mellom skosåle og gulvbelegg, og en ladning (Δq) genereres for hvert skritt.

Hvis skrittfrekvensen er lik n skritt pr. tidsenhet, gir det en oppladningsstrøm
 Ic = nΔq  

​

Strømmen lader opp personen slik at spenningen V, til å begynne med vil øke
med en middelhastighet   lik
 ∆V = nΔq
 ∆t       C

​

hvor C er personens kapasitans. Spenningsøkningen, ΔV, vil etter første skritt bli

∆V =Δq
         C
Spenningen forårsaker en utladningsstrøm, Id, gjennom resistansen R fra person til jord

Id =V/R og spenningen vil nå sitt maksimum, Vm, når Ic_= Id eller

Vm = RnΔq  

Hvis maks. akseptable kroppspotensial er Vm= 100V, må jordingsresistansen, R, oppfylle betingelsen under: 

R<  Vm       R< Vm  =   100     = 100 Mohm

      nΔqm        10e-6    10e-6

 

Δqm = ε0EbA  er maks. oppladning som genereres pr.skritt

ε0  er en fysikalsk konstant, permittivitet i vakuum ≈ luft= 8.85 · 10–12 F · m–1  (Farad/meter).
Eb er 3 · 10e6 V/m er maks. feltstyrke før dielektrisk gjennomslag,  A= skosålens areal (150cm2).
Skrittfrekvensen (n) er satt til 2/s som er i overensstemmelse med ISO standard.

Formelen viser at en systemresistans, R, på 100MΩ normalt er tilstrekkelig for å forhindre
personoppladning på >100V. Hvorfor krever ESD-standarden da maks. 35MΩ?
Både praktiske forsøk og matematikk viser at det ikke er mulig å overstige 100V person-
oppladning når systemresistansen er på maks. 35MΩ. Selv om skrittfrekvensen økes til
det dobbelte og skosålearealet økes betraktelig, overstiges ikke 100V grensen.
Merk at personens kapasitans, C, ikke har betydning for maks spenning,Vm, men er med på å bestemme, sammen med utladningsresistansen, hvor hurtig spenningen øker.

Kilde: www.incompliancemag.com   Is static electricity static?

​