Predpokladám, že ste sa už so skratkou ESD určte stretli. Ak nie, tak si o ESD, alebo "ElectroStatic Discharge" čo to povieme, aby sme vedeli o čo ide. Elektrostatický výboj (ESD) je často prehliadaný, no pritom dokáže spôsobiť nemalé problémy v elektronike, priemysle aj v bežnom živote. Od poškodenia citlivých elektronických súčiastok až po nebezpečné iskry v prostrediach s horľavými látkami, ESD predstavuje reálne riziko.
ESD vznikne postupným vytvorením elektrostatického napätia medzi predmetom a jeho okolím. V zápätí príde k spontánnemu výboju v podobe impulzu elektrického prúdu. Okamžite preskočí elektrický výboj a vzniká vysoké napätie a prúd. Ak je výboj v mieste integrovaného obvodu, tento môže byť poškodený alebo zničený. Elektrostatický výboj je náhly tok elektrónov z jedného povrchu na druhý.
Je to spôsobené rozdielnym potenciálom medzi dvoma povrchmi, ak jeden má viac elektrónov ako druhý. Príroda vo svojej podstate miluje rovnováhu, takže sa elektróny vymieňajú, aby sa vyrovnala vzájomná nerovnováha. Elektróny sa v priestore neustále vymieňajú, keď na seba objekty vzájomne pôsobia. Problémy nastávajú, keď použité materiály neumožňujú elektrónom ich ľahký pohyb a tým pádom aj dosiahnutie rovnováhy.
Keď sa tieto nabité miesta dotknú, alebo sa dostanú do tesnej blízkosti (ale ani nie priameho kontaktu) s iným objektom, môže dôjsť k náhlej výmene alebo "výboju", pri ktorom dôjde k náhlej výmene elektrónov za účelom vytvorenia prirodzenej rovnováhy. Elektrostatický výboj sa vyskytuje v prírode neustále, najmä v suchom podnebí a v zimnom období, keď vo vzduchu nie je dostatočná vzdušná vlhkosť, ktorá by pomáhala odvádzať prebytočné elektróny (voda je vodivá, takže umožňuje ľahší tok elektrónov).
Nebezpečný náboj môže teda vzniknúť medzi dvoma separovanými materiálmi. V jednom materiáli je prebytok elektrónov, v druhom je nedostatok elektrónov. Výsledná energia sa meria v coulomboch. Náboj objektu sa rovná súčinu jeho kapacity C vzhľadom na zem a jeho napätia U. Ak je na objekte náboj, potom tento objekt bude niesť aj napätie vzhľadom na zemnú referenciu. Preto, keď chceme vyjadriť hodnotu ESD, nikdy nehovoríme o coulomboch, ale vždy o voltoch. To je oveľa pohodlnejšie.
Prečítajte si tiež: Naša recenzia Karell CB-50
Hodnota statického napätia, ktoré môžete merať na nabitom objekte, vo vzťahu k neutrálnej referencii, samozrejme závisí od umiestnenia kontaktných materiálov v triboelektrickej sérii, ale aj od vlhkosti vzduchu. To dáva zmysel, pretože vlhký vzduch vedie elektrinu lepšie ako suchý vzduch a čím je vzduch vlhší, tým rýchlejšie prebytočné elektróny uniknú z atómov. Všimnete si, že dôležitou premennou je v tomto prípade práve vlhkosť. Je pravdou, že hodnoty vlhkosti ako 28% alebo 80% sa v praxi nevyskytujú, nakoľko normálna hodnota relatívnej vlhkosti v kanceláriách a dielňach je 50%.
Všimnite si, že nemusíte nič cítiť, počuť alebo vidieť čo sa týka vlastného vybitie. Priemerný človek je necitlivý na výboje do 3 000 V. Aj keď nič necítite, nepočujete ani nevidíte, integrovaný obvod môže zniesť za určitých okolností napätie až 3 000 V. Ak sa pri nabití na statické napätie 10 000 V dotknete pinu integrovaného obvodu, ktorý je na potenciáli zeme, cez pracovný stôl, vytvorí sa uzavretý obvod. Statické napätie vo vašom tele vytvára prúd, ktorý preteká cez integrovaný obvod k zemi.
Medzi vašim telom a zemou sú všetky druhy rezistorov a napätie 10 000 V je rozdelené medzi tieto rezistory v pomere k ich relatívnej hodnote v celkovom obvode odporu. Môže sa preto stať, že medzi dve vodivé cesty v integrovanom obvode, ktoré sú od seba vzdialené 1 μm, je privádzané napätie 2 000 V. Dôsledok bude zrejmý. Napätie preskočí, výsledný prúd generuje toľko energie lokálne, že sa časť integrovaného obvodu doslova vyparí.
Poviem vám úžasný príklad: veľmi rýchle vybitie 15 000 V generuje energiu 20 MJ, ktorá pri veľmi lokálnej premene môže produkovať výkon 200 kW. Toto je hlavná príčina veľmi rozsiahleho poškodenia, ktoré ESD spôsobuje na elektronických komponentoch, ale aj celých blokoch PCB. To isté platí mimochodom aj o bleskoch. Problém s poškodením ESD je ten, že ho nevidíte. Na obrázku nižšie je ako pozoruhodný príklad poškodenie, ktoré ESD spôsobilo vo vnútornej štruktúre integrovaného obvodu. Vo vnútri obvodu došlo k subminiatúrnej explózii, ktorá spôsobila skrat medzi dvoma susednými dráhami. Po vážnom poškodení navonok samozrejme nie je ani stopy.
Každému komponentu môžete na základe výsledkov merania priradiť určitú triedu citlivosti / odolnosti voči ESD. Táto trieda poskytuje údaj o maximálnej hodnote napätia ESD, ktoré komponent znesie bez evidentného poškodenia. Obrázok nižšie ukazuje, že dobre a najmä bezpečne navrhnuté pracovisko vám ušetrí veľa práce, a to hlavne čo sa týka prevencie voči ESD. Tento prehľad poukazuje skôr na priemyselné usporiadanie, ale rovnako je vhodné aj pre váš hobby stôl.
Prečítajte si tiež: Sprievodca výberom elektrických zásobníkov
Prevencia a ochrana pred ESD
Najlepšou a aj najjednoduchšou (a aj najlacnejšou) metódou prevencie pred ESD je použitie ESD náramku na zápästie, uzemňovacej podlahovej podložky alebo celkové uzemnenie pracovného stola. Pretože však nie každý z vás má prístup k špeciálnym podlahovým podložkám, je potrebné vykonať aspoň základné opatrenia, aby sme čo najviac znížili pravdepodobnosť vzniku ESD. Náramok na zápästie má vodivý povrch, ktorý sa dotýka pokožky, takže môže bezpečne odviesť nadbytočné elektróny.
Bezpečná podlahová ESD rohož funguje podobným princípom, takže odvádza náboj z čohokoľvek na svojom povrchu. Ak pracujete na počítači, môžete si náramok na zápästie pripnúť priamo na nenalakovanú časť skrinky počítača - najlepšie v jeho zadnej časti. Pre uchovávanie elektronických komponentov používajte vždy špeciálne obaly na to určené. Antistatický sáčok je obalový materiál, ktorý je špeciálne navrhnutý tak, aby zabránil interakcii statickej elektriny s citlivými elektrickými komponentmi.
Tieto vrecká sú vyrobené z plastového polyetyléntereftalátu a často sa používajú na skladovanie a prepravu elektrostaticky citlivých zariadení. Dodávajú sa v mnohých rôznych veľkostiach, od malých obalov pre čipy až po veľké sáčky určené pre PCB dosky. Ak plánujete pracovať pracovať s citlivými elektronickými komponentami, dôrazne odporúčam zakúpiť a používať antistatický náramok. Nakoniec vám na nasledujúcom obrázku ukážem medzinárodne štandardizovaný piktogram, ktorý musí byť pripevnený na všetkých obaloch obsahujúcich výrobky citlivé na ESD. Táto ikona má tiež žlté pozadie a čierny text.
Práca v stoji a v sede - Pri práci môžte sedieť, alebo stáť. Ak sedíte na stoličke vždy zabezpečte, aby sa vaša obuv dotýkala uzemnenej podlahy. Elektrické prívody a vedenia - Vždy odpojte všetky sieťové a signálové vodiče a vedenia od zariadenia (napr. Dúfam, že som vám týmito informáciami ako tak objasnil aké veľké je nebezpečenstvo statickej elektriny pre elektroniku. Pomerne veľa užívateľov však podceňuje tento problém.
Čo je to ESD?
ESD je skratkou pre elektrostatický výboj. Vďaka veľkým rozdielom potenciálov (rôzne napätia) vzniká krátky elektrický prúd ako iskra alebo preraz. V závislosti od veľkosti napätia je možné tento jav cítiť (od 3 000 V), počuť (od 5 000 V) a vidieť vo forme iskier alebo zábleskov (od 10 000 V). Mnohé elektrostatické výboje sú však pod prahom ľudského vnímania, ale môžu byť napr. škodlivé pre elektronické súčiastky.
Prečítajte si tiež: Recenzie elektronických terčov
Človek cíti výboj pri približne 3 000 V. Na porovnanie - na zničenie polovodičovej súčiastky stačí už 30 V. Ak je človek elektrostaticky nabitý, vlasy mu doslova „stoja vzpriamene“. Predmety s rovnakým nábojom sa navzájom odpudzujú.
Ako vzniká elektrostatický náboj?
K elektrostatickému nabíjaniu dochádza oddeľovaním nábojov. To nastáva napríklad pri vzájomnom trení dvoch rôznych materiálov alebo pri ich vzájomnom oddelení. Často vzniká v bežných každodenných situáciách, napríklad pri chôdzi s plastovou podošvou po koberci. Absorbujú sa pri ňom predovšetkým záporné elektrické náboje, ktoré sú rozložené po celom predmete alebo telese. Pokiaľ dôjde ku kontaktu s iným vodivým telesom alebo s uzemnením (napr. s radiátorom), tento náboj prudko odtečie.
Príklady vzniku oddelených nábojov:
- Chôdza po podlahe z plastu
- Trenie o syntetické oblečenie
- Posuv plastových nádob
- Odvíjanie lepiacich pások
- Pohyb pásových dopravníkov
Malá vlhkosť vzduchu podporuje vznik elektrostatického nabíjania, preto je potrebné udržiavať vlhkosť vzduchu v rozmedzí 40 % až 60 %.
Kedy je ESD nebezpečný?
ESD normálne nepredstavuje ohrozenie pre osoby. Elektrostatický výboj však môže byť nebezpečný vo výrobných prevádzkach elektronického priemyslu. Nekontrolovaný elektrostatický výboj môže spôsobiť totálne poškodenie elektronických konštrukčných celkov (polovodičových konštrukčných prvkov) a taktiež skryté závady, v dôsledku ktorých môžu vznikať vysoké náklady spojené s:
- Následným zlyhaním
- Reklamáciami
- Nákladmi na opravy a výmeny
- Stratou dobrej povesti
- Stratou zákazníkov
V moderných pracovných úsekoch sa môže ľahko vyskytnúť napätie viac ako 10 000 V. Predovšetkým plasty sa vďaka svojmu vysokému povrchovému odporu veľmi dobre elektrostaticky nabíjajú. Povrchový potenciál bežnej plastovej škatule je napríklad až 20 000 V - vzniká tak nebezpečné prostredie pre elektronické súčiastky v nej prepravované.
Súčasti, ktoré sú pri obrábaní alebo preprave ohrozené elektrostatickým nábojom, sa nazývajú ESDS (angl. Electrostatic Discharge Sensitive Devices, slovensky zariadenia citlivé na elektrostatický výboj) a sú označené nasledujúcim symbolom:
Zóny s ESD ochranou (EPA)
Účinnú ochranu pred škodami spôsobenými elektrostatickým výbojom ponúkajú zóny s ESD ochranou, známe ako EPA (angl. Electrostatic Protected Area). Tu sú prijaté všetky preventívne opatrenia pre prácu s elektrostaticky citlivými súčasťami bez ich poškodenia.
Zóna s ochranou proti ESD (EPA) zahŕňa nasledujúce oblasti (minimálne požiadavky podľa DIN EN 61340-5-1):
- Pracovisko ESD: Vaše pracovisko, zamestnanec, stolička, podlaha a značenie sú neutrálne voči náboju.
- Obuv s ochranou proti ESD: Požiadavky na antistatickú obuv sú pre zamestnancov povinné.
- Odev s ochranou proti ESD: Oblečenie, ktoré zamedzuje elektrostatický výboj alebo ho odvádza.
- Nástroje s ochranou proti ESD: Nástroje vhodné pre ESD zaručujú bezpečné zaobchádzanie so súčiastkami.
- Kontajnery a regály s ochranou proti ESD: Ideálne vybavenie na skladovanie a prepravu predstavujú škatule odvádzajúce elektrostatický náboj, a tiež regály a skrine určené na ukladanie citlivých súčastí.
- Skúška ESD: Vaše ochranné zariadenia je potrebné pravidelne kontrolovať pomocou meracej techniky.
Dodržujte zásadu: „Kde nie je nabíjanie, nie je ani vybíjanie“. Vykonávanie iba potrebného počtu pohybov a elektrostaticky bezpečná výbava zmenší riziko vzniku statického výboja spôsobeného osobami na minimum.
Elektrostatika a antistatická ochrana
Ochrana výrobkov pred účinkami poškodenia ESD sa začína pochopením kľúčových pojmov elektrostatických nábojov a elektrostatických výbojov. Ochranu elektronických súčiastok pred elektrostatickými javmi nazývame antistatická ochrana. Základným európskym štandardom, ktorý sa zaoberá požiadavkami potrebnými pre návrh, presadenie, zavedenie a udržiavanie programu potlačovania elektrostatického výboja vzťahujúcim sa na výrobu, spracovanie, montáž, inštaláciu, balenie, nalepením štítkov, servisu, skúšania, kontrolovania, prepravy alebo inou manipuláciu s elektrickými alebo elektronickými súčiastkami, zostavami a prístrojmi citlivými na poškodenie elektrostatickým výbojom vyšším alebo rovným s výbojom 100 V modelu ľudského tela (HBM), 200 V modelu nabitej súčiastky (CDM) a 35 V na osamelých vodičoch, je norma IEC 61340-5-1 Edition 2.0: 2016-05.
Štandard IEC 61340-5-1, Medzinárodnú normu IEC 61340-5-1, vypracovala technická komisia IEC/TC 101 Elektrostatika. Momentálne je platné druhé vydanie IEC 61340-5-1 Edition 2.0: 2016-05, ktorým bolo nahradené prvé vydanie z roka 2007. Toto vydanie je technickou revíziou.
Príklady ESDS sú mikroobvody, diskrétne polovodičové súčiastky, hrubo a tenkovrstvové rezistory, hybridné súčiastky, dosky s plošnými spojmi a piezoelektrické kryštály. Chúlostivosť zariadenia možno stanoviť vystavením zariadenia simulovaným ESD.
Dôležité zásady potlačovania ESD, ktoré tvoria základ normy IEC 61340-5-1
- Zabrániť výboju z akéhokoľvek nabitého vodivého objektu (osoby a zvlášť zariadenia na automatickú manipuláciu) do ESDS. To možno zabezpečiť pospájaním alebo elektrickým pripojením všetkých okolitých vodičov vrátane personálu k známemu uzemneniu alebo umelej zeme (ako je to na palube lode alebo lietadla). Toto pripojenie vytvára rovnováhu potenciálov medzi všetkými vodivými predmetmi a pracovníkmi.
- Zabrániť výboju z ľubovoľne nabitej súčiastky citlivej na ESD. K nabitiu môže dôjsť v dôsledku priameho kontaktu a oddelenia, alebo náboj môže byť indukovaný elektrickým poľom. Nevyhnutné izolanty v okolí nestratia svoj elektrostatický náboj pripojením k uzemneniu. Ionizačné systémy zabezpečujú neutralizáciu elektrostatických nábojov na týchto izolantoch (materiál dosiek plošných spojov a niektoré puzdrá súčiastok sú príkladmi nevyhnutných izolantov).
- Môžu byť vyžadované obaly chrániace proti ESD pre citlivé predmety mimo vyhradeného priestoru (EPA) s ochranou proti elektrostatickému výboju, pretože mimo EPA nie sú chránené. Ochranu pred ESD možno dosiahnuť uzavretím výrobkov citlivých na ESD v materiáloch chrániacich pred ESD. Vo vnútri EPA môžu primeranú ochranu poskytovať elektrostaticky disipatívne materiály. Mimo EPA sa odporúčajú elektrostaticky tieniace materiály. Ďalšie informácie o týchto materiáloch sú uvedené v norme IEC61340-5-3.
Každá spoločnosť používa iné procesy a bude požadovať rôznu kombináciu preventívnych ESD opatrení pre optimálny program potlačovania ESD. Školenie je dôležitou súčasťou programu potlačovania ESD. Musí sa zabezpečiť, aby príslušný personál rozumel prístrojom a postupom a aby ich používal v zhode s plánom programu potlačovania ESD. Školenie je dôležité pri zvyšovaní povedomia a porozumenia problémom ESD. Neškolený personál je často hlavným zdrojom rizika ESD.
Bezpečnosť nadovšetko
Postupy a prístroje popísané v norme IEC 61340-5-1 môžu vystaviť personál elektrickému riziku a možnému zásahu elektrickým prúdom. Používatelia tejto normy zodpovedajú za výber zariadenia, ktoré je v zhode s príslušnými zákonmi a predpismi, vonkajšou a vnútornou politikou príslušnej organizácie. Používatelia sa upozorňujú, že táto norma nemôže nahradiť alebo rušiť žiadne požiadavky na bezpečnosť personálu.
Program potlačovania ESD
Potlačovanie ESD musí zahŕňať všetky administratívne a technické požiadavky normy IEC 61340-5-1. Organizácia musí zostaviť, dokumentovať, zaviesť, udržiavať a overovať zhodu s týmto programom. Rozvoj a realizácia samotného programu je zrejmá. Čo nemusí byť také zrejmé, je potreba priebežne kontrolovať, auditovať, analyzovať, získavať spätnú väzbu a zlepšovať. Audit je nevyhnutný pre zabezpečenie úspešnosti programu kontroly ESD. Budete požiadaní, aby ste neustále zisťovali návratnosť investícií programu a zdôvodnili realizované úspory. Technologické zmeny diktujú vylepšenia a úpravy. Spätná väzba pre zamestnancov a vrcholový manažment je nevyhnutná.
Plán by mal zahŕňať rozsah programu a zahŕňať úlohy, činnosti a postupy potrebné na ochranu citlivých položiek ESD na, alebo nad úroveň citlivosti ESD zvolenej pre plán. Príprava a distribúcia písomných postupov a špecifikácií tak, aby všetky oddelenia jasne pochopili, čo sa má robiť. Úplne zdokumentované postupy vám pomôžu splniť administratívne a technické požiadavky IEC 61340-5-1, pomôcť vám pri certifikácii podľa ISO 9001 a v neposlednom rade môžu pritiahnuť nových zákazníkov.
Efektívny program kontroly ESD vyžaduje efektívny tréningový program, v ktorom všetci zainteresovaní pracovníci rozumejú kľúčovým konceptom.
Tabuľka: Vysvetlivky k tabuľke 2
a) Pre kvalifikáciu výrobku by podmienky prostredia na skúšky mali byť (12 ± 3) % relatívnej vlhkosti a (23 ± 2) °C. Pokiaľ citovaná norma IEC nestanoví minimálnu dobu aklimatizácie pred skúškou pre kvalifikáciou výrobku, potom by táto doba mala byť 48 hodín.
b) Skúšobné metódy v stĺpci pre overovanie zhody sa vzťahujú iba na základný skúšobný postup a neočakáva sa kompletné vykonanie skúšobnej metódy.
c) Rp-p v tabuľke označuje rezistenciu medzi dvoma bodmi, Rg označuje rezistenciu k zemi, Rgp označuje rezistenciu k uzemniteľnému bodu.
d) Maximálne povolené skúšobné napätie pre meranie ESD podlahy, ktoré by malo byť použité pre ESD.
tags: #prklady #eu #elektricky #naboj