Ochrana pred elektrostatickým výbojom » Opatrenia a predpisy na pracovisku
Uverejnené: 12. 4. 2024 | Doba potrebná na prečítanie: 7 minút
Občas sa stane, že človek zaznamená veľmi citeľný elektrický výboj, keď sa dotkne kľučky na dverách alebo kovového regálu. Zvyčajne k tomu dochádza v prípadoch, keď je vzduch veľmi suchý a na sebe máme obuv s dobre izolovanou podrážkou. Odborníci v tomto prípade hovoria o dotykovej elektrine alebo tiež o tzv. triboelektrine (elektrine vznikajúcej trením).
Vo väčšine prípadov sú takéto zásahy elektrickým prúdom pre dotknuté osoby spočiatku prekvapivé a niekedy aj nepríjemné. Tento jav vďaka malej intenzite prúdu však určite nie je životu nebezpečný. Naproti tomu, pri elektronických súčiastkach táto záležitosť vyzerá, ale úplne inak. Vďaka neustále pokračujúcej miniaturizácii sa totiž vodivé súčasti dostávajú čoraz bližšie k sebe. Dokonca aj pri slabom statickom náboji je vznikajúca energia bez problémov dostatočná na to, aby úplne zničila súčiastky, elektronické komponenty, senzory alebo kompletné obvody. Preto je nevyhnutné prijať vhodné opatrenia na to, aby sa zabránilo tomuto javu. Radi vám tu ukážeme, čo robiť, aby sa riziko elektrostatického náboja znížilo a aké možnosti v tomto ohľade existujú.
Elektrostatický výboj alebo ESD (Electrostatic Discharge) nastáva vždy v situácii, keď dve telesá vykazujú vysoké rozdiely potenciálov. V prípade rozdielu potenciálov existuje na jednom telese nedostatok elektrónov (kladný pól) a na druhom telese prebytok elektrónov (záporný pól). Statické rozdiely potenciálov potom môžu vzniknúť, ak sa dva elektricky nenabité predmety dostanú do kontaktu, sú oddelené alebo sa vzájomne o seba trú. Pritom materiály, ktoré viažu elektróny slabo, odovzdávajú svoje elektróny materiálom, ktoré ich viažu silnejšou väzbou.
Napríklad človek, ktorý prejde po koberci z umelých vlákien v dobre izolovanej obuvi s gumovými podrážkami, zachytí prostredníctvom svojich topánok elektróny a môže sa tak rýchlo elektrostaticky záporne nabiť. Napätie pritom môže dosahovať niekoľko sto voltov. Pokiaľ sa osoba následne dotkne kľučky dverí s dobrou vybíjacou schopnosťou, dôjde k výmene náboja a elektróny odtečú smerom do zeme. Podľa toho, aký vysoký statický náboj bol, môže sa už krátko pred dotykom objaviť preskok. Vybitie potom prebehne v zlomku sekundy, pričom sa rozdiel v náboji, resp. rozdiel napätí znovu vyrovná.
Horný obrázok: Dva elektricky nenabité atómy (A a B) s rovnakým počtom elektrónov a protónov.
Prostredný obrázok: Vplyvom trenia/kontaktu sa uskutoční prenos elektrónov.
Spodný obrázok: Prijatím elektrónu je atóm A záporne nabitý a atóm B je odovzdaním elektrónu kladne nabitý.
Poznámka: Pre zjednodušenie boli modely atómov (A a B) zvolené tak, aby mali rovnaký počet elektrónov a protónov.
Pre zdravé osoby je elektrostatický výboj síce nepríjemný, ale väčšinou nemá žiadne vážne následky. Naproti tomu v oblasti elektroniky a elektrotechniky môžu nastať ako masívne, tak aj rozsiahle poškodenia.
Poškodenie polovodičových súčiastok
Vysoké napätia, ktoré sa pri elektrostatickom výboji vyskytujú a s nimi spojené prúdové špičky môžu v zlomku sekundy úplne zničiť tranzistory alebo integrované obvody. Tieto súčiastky totiž reagujú veľmi citlivo na prekročenie prípustných limitných hodnôt.
Poškodenie elektrických obvodov
V elektrických obvodoch sú mnohé komponenty vzájomne priamo spojené alebo elektromagneticky prepojené. Z tohto dôvodu môžu elektrostatické výboje zapríčiniť masívne poruchy a chyby fungovania, ktoré sa môžu negatívne prejaviť na celom obvode vr. všetkých pripojených systémov.
Poškodenie senzorov a meracích zariadení
Senzory a meracie zariadenia sú často vybavené vysoko citlivými vstupmi, aby mohli presne spĺňať požadované meracie úlohy. Rovnako citlivo reagujú systémy, ak sú v prípade elektrostatického výboja privádzané hodnoty napätia niekoľkonásobne vyššie.
Poškodenie podložiek tlačených obvodov a dosiek plošných spojov
Poškodenie môžu utrpieť nielen súčiastky osadené na doske plošných spojov. Ohrozené sú aj samotné podložky tlačených obvodov . Pokiaľ sú hodnoty napätia vyššie, môže u tesne vedľa seba ležiacich vodivých dráh dochádzať k preskokom napätia. Príliš vysoké prúdové špičky môžu vodivé dráhy preťažiť a zničiť.
Poškodenie v dôsledku straty údajov
Pri používaní elektronických pamäťových médií môžu elektrostatické výboje spôsobiť čiastočnú alebo kompletnú stratu dát. Ak odhliadneme od straty údajov, môže taktiež dôjsť k výpadku kompletných strojov a výrobných zariadení v prípade, ak dátové úložisko obsahovalo potrebný operačný systém.
V príklade s kobercom a kľučkou na dverách, ktorý sme spomenuli vyššie, musí statické napätie dosiahnuť úroveň približne 3 500 V, aby bol výboj citeľný. V prípade súčiastok citlivých na ESD (ESDS znamená Electrosatic Discharge Sensitive) stačí výrazne nižšie napätie, aby sa trvalo poškodili. Z tohto dôvodu osoby, ktoré pri kontakte s polovodičmi spôsobujú poškodenie elektrostatickým výbojom, často vôbec ani netušia, čo sa stalo.
Ale to nie je všetko. Poškodenia polovodičov elektrostatickým výbojom nie sú viditeľné voľným okom. Dokonca ani kontrola funkčnosti počas zostavovania zamýšľaného obvodu nezaručuje, že budú polovodiče trvalo fungovať bez porúch.
Z tohto dôvodu je pri výrobe a spracovaní súčiastok citlivých na elektrostatický výboj bezpodmienečne nutné dbať na to, aby sa elektrostatickému náboju spoľahlivo zamedzilo hneď od začiatku.
Na tento účel sa používajú najrôznejšie technické pomôcky, ktorým sa následne budeme podrobnejšie venovať.
Dobre fungujúca ochrana proti elektrostatickému výboju je nevyhnutná všade tam, kde súčiastky, konštrukčné skupiny alebo celé zariadenia citlivo reagujú na elektrostatický výboj a musia byť chránené. Keďže sa vo veľkom počte produktov používajú komplexné elektronické riadiace jednotky, oblasť, ktorá bezpodmienečne vyžaduje účinnú ESD ochranu, sa ešte ďalej rozširuje. Medzi hlavné oblasti použitia zaraďujeme:
- spotrebnú elektroniku a elektrotechniku
- riadiace systémy a priemyselnú automatizáciu
- komponenty na stavbu počítačov
- komplexnú komunikačnú elektroniku
- riadiace systémy na výrobu vozidiel
Ochrana pred ESD sa pritom nevzťahuje len na výrobu alebo servis. Tiež pri vývoji, zaistení kvality, pri rôznych obaloch a dokonca v expedičných skladoch musí byť zaručené efektívne uzemnenie a nepretržitá ochrana pred ESD.
Elektrostatický výboj sa môže uskutočniť len vtedy, ak predtým došlo k elektrostatickému nabitiu. Aby sme tomu zabránili, ponúkajú sa dve riešenia, ktoré sú vzájomne prepojené:
1. Statickému nabíjaniu predmetov a osôb je možné efektívne zabrániť elektrickým odvádzaním elektrónov.
2. Prúd pri výboji by mal byť obmedzený elektrickými odpormi, aby sa výmena náboja výrazne spomalila.
Za tým účelom sú elektróny, ktoré sú odovzdávané látkami so slabou väzbou, odvádzané vhodnými spojovacími káblami do zeme. Najdôležitejšie na to používané opatrenia na ochranu pred ESD si predstavíme trochu podrobnejšie:
Ochranné zóny ESD
Na manipuláciu s komponentmi citlivými na ESD a ich skladovanie sú zriaďované špeciálne označené ochranné zóny EPA (Electronical Protected Area). Všetky súčasti ochrannej zóny sú uzemnené.
ESD pracovisko
Na spracovanie súčiastok citlivých na ESD sa používajú ESD pracoviská s uzemnením. Pracoviská disponujú vodivými podlahami, stolnými rohožami a prípojkami na zápästné pásky a nožné pásky.
ESD odev
Odevy zo syntetiky sa extrémne rýchlo nabíjajú. To je vidieť, keď si napríklad vyzliekame sveter zo syntetických vlákien. Antistatický odev, obuv a rukavice zamedzujú svojou elektrickou vodivosťou takéto nabitie.
ESD ochranné obaly
Používané obaly a úložné boxy musia byť z materiálu, ktorý odvádza elektrický náboj, aby sa prípadný elektrostatický náboj nemohol dostať dovnútra. Pri správnom zaobchádzaní dochádza k spoľahlivému odvádzaniu.
Uzemňovacia prípojka
Vodivé uzemnenie s malým vnútorným odporom je dôležitým predpokladom pre všetky opatrenia na ochranu pred elektrostatickým výbojom. Odvádzané by mali byť aj tie najmenšie statické napätia, spoľahlivo a v plnom rozsahu.
Normy a školenie
Norma DIN EN 61340-5-1 (VDE 0300-5-1) definuje všeobecné požiadavky na ochranu elektronických súčiastok pred elektrostatickým javom. Zodpovedné osoby musia byť v týchto otázkach pravidelne školené a senzibilizované.
ESD pracovisko by sa malo ideálne nachádzať vo vnútri ochrannej zóny (EPA). Ochranná zóna môže zahŕňať buď jednotlivé pracoviská, celú miestnosť s niekoľkými pracoviskami alebo dokonca celú budovu. Finálne vybavenie ESD pracoviska nakoniec závisí od druhu a rozsahu činností, ktoré sa na ňom vykonávajú. V zásade je možné ale povedať, že niektoré charakteristiky vybavenia a ochranné opatrenia ESD musia byť k dispozícii za každých okolností.
ESD stoly a nadstavby
ESD pracovný stôl by mal byť ergonomicky prispôsobiteľný, aby bolo možné uňho pracovať dlhšiu dobu bez únavy.
Stôl, rovnako ako jeho nadstavby, musia byť uzemnené, aby bolo pracovisko vždy neutrálne, pokiaľ ide o náboj.
Rohože na pracovisku
Pre zariadenia dočasných ESD pracovísk sa maximálne osvedčili ESD stolové rohože.
Tie poskytujú možnosť pripojenia na uzemnenie zápästia a chodidla a môžu byť pripojené do zásuvky prostredníctvom ESD uzemňovacieho konektora.
Uzemnenie osôb
Osoby majú sklon sa staticky nabíjať, pretože sa pohybujú.
Preto je potrebné prijať osobitné ochranné opatrenia.
Medzi ne patrí ESD obuv, ESD náramky, ESD stoličky a ESD odev.
ESD podlaha
Podlaha musí byť schopná odvádzať elektrický náboj podľa normy DIN EN 61340-5-1 alebo je na podlahu nutné použiť vhodné ESD rohože.
Podlahová plocha musí byť navyše vymedzená vhodným označením ako ESD zóna.
ESD stoličky
Podobne ako pracovné stoly, aj ESD stoličky musia byť ergonomické a musia sa dať individuálne prispôsobiť osobe, ktorá ich používa.
Vďaka schopnosti odvádzať elektrický náboj nedochádza pri rolovaní stoličky po podlahe k takmer žiadnemu nabíjaniu.
Nástroje a náradie
Potrebné nástroje ako napríklad pinzety, skrutkovače a kliešte by taktiež mali byť schopné odvádzať elektrický náboj.
Pomôcky ako spájkovacie stanice alebo potrebné meracie prístroje by mali v každom prípade vykazovať potrebnú ochranu pred ESD.
Úložné boxy a prepravné systémy
Predmety, ktoré majú byť opracované, musia byť v rámci procesu privezené na ESD pracovisko, musia tu byť uložené a taktiež odtiaľ odvezené.
K tomu sa musia použiť ESD prepravné vozíky, ESD prepravky, ESD vrecká a ESD boxy, ktoré disponujú funkciou odvádzania elektrického náboja.
Dôležité upozornenie: Aby sa nezhoršovala funkcia odvádzania elektrického náboja na podlahách a odkladacích plochách, musia sa používať vhodné čistiace prostriedky. Napríklad bežne predávaný vosk na podlahu by významne zhoršil schopnosť podlahových plôch, resp. povrchov podláh odvádzať elektrický náboj.
Nami odporúčané produkty ESD
Je účinná ochrana pred ESD skutočne dôležitá?
Určite áno. Rušivé impulzy ESD totiž nie sú osobami, ktoré ich vysielajú, vôbec vnímané. Statické výboje však môžu spôsobiť enormné škody. Navyše sa také poškodenie často neprejaví ihneď. Zbytočné výpadky systémov, drahé opravy a značná strata imidžu u chybných produktov v súčte znamenajú nezanedbateľné škody.
Existujú faktory, ktoré vznik elektrostatického náboja umožňujú?
Existuje mnoho faktorov, ktoré ovplyvňujú výšku a polaritu náboja. Okrem iného sem patrí, druh a vlastnosti povrchu materiálov a okolité podmienky, ako je vlhkosť vzduchu. Pri vlhkosti vzduchu 40 až 60% sa náboj spravidla vybíja vzduchom. To je ale v prípade suchého vzduchu možné iba obmedzene. Nízka vlhkosť vzduchu teda vytvára priaznivé podmienky na vznik elektrostatického náboja.
Čo rozumieme pod pojmom „antistatický“?
Elektronické súčiastky a materiály sú označované ako antistatické, ak zabraňujú vzniku statického náboja alebo ho znižujú. K tomu môže dochádzať buď odvádzaním elektrického náboja alebo znížením trenia.
Je možné vyskúšať funkčnosť ESD pracoviska?
Existuje množstvo rôznych ESD testovacích prístrojov, ktorými je možné metrologicky presne skontrolovať funkčnosť ESD pracoviska alebo zariadenia ESD ochrannej zóny (EPA).
Na čo sa používajú uzemňovacie konektory ESD?
Uzemňovací konektor využíva ochranný kontakt sieťovej zásuvky na vytvorenie potrebného spojenia so zemným potenciálom. Vďaka tomu nie sú nutné žiadne väčšie inštalačné práce alebo pokládka káblov.