ESD - co to jest? Dlaczego ochrona przed ESD jest ważna?

1. ESD - co to jest? Dlaczego ochrona przed ESD jest ważna?
2. Co oznacza skrót ESD?
3. Normy ESD
4. Jak działają buty ESD?
5. Jak działa opaska ESD?
6. Podsumowanie

Wraz z rozwojem mikroelektroniki szczególnego znaczenia nabrała ochrona komponentów, płytek PCBA oraz niektórych urządzeń (np. aparatury pomiarowej wyposażonej w czułe wejścia RF) przed zagrożeniami wynikającymi z gromadzenia ładunków statycznych. Każdy elektronik wie, że przypadkowe wyładowanie może z łatwością uszkodzić układy scalone czy niektóre półprzewodnikowe komponenty dyskretne, a jednak w praktyce wciąż trafiamy na przykłady obchodzenia się z elementami elektronicznymi bez zachowania choćby pozorów ochrony ESD. Czy noszenie opasek, obuwia oraz odzieży ochronnej, stosowanie mat i mebli ESD, a nawet narzędzi z antystatycznym wykończeniem faktycznie jest konieczne? W naszym dzisiejszym wpisie odpowiadamy na najczęstsze pytania dotyczące ochrony przed ładunkami statycznymi.

Co oznacza skrót ESD?

Skrót ESD pochodzi o angielskich słów ElectroStatic Discharge, co w dosłownym tłumaczeniu oznacza "wyładowanie elektrostatyczne". Zjawisko to polega na gwałtownym przepływie prądu pomiędzy dwoma obiektami, które wykazują w danym momencie znacznie różniące się potencjały elektryczne. Choć opis ten w pierwszej chwili może kojarzyć się z efektownym przeskokiem iskry, to w rzeczywistości wyładowanie elektrostatyczne wcale nie musi dawać widocznych ani słyszalnych efektów (choć faktycznie nierzadko są one widoczne). Mało tego – zjawisko to niekoniecznie wiąże się z przepływem prądu przez tymczasowy kanał utorowany na wskroś odstępu powietrznego. W przypadku elementów elektronicznych znacznie bardziej prawdopodobnym scenariuszem jest bowiem wyładowanie kontaktowe, przebiegające poprzez jedno lub kilka wyprowadzeń komponentu.

I tutaj właśnie dochodzimy do sedna problemu. Elektryzowanie materiałów (lub – ogólnie rzecz biorąc – dielektrycznych tworzyw sztucznych, np. plastikowych pojemników lub folii polimerowych) jest jednym z największych wrogów elektroniki. Chyba każdy miał okazję zaobserwować pojawiające się w ciemności iskry, przeskakujące np. podczas zakładania lub zdejmowania ubrania wykonanego ze sztucznej tkaniny. I faktycznie, wyładowanie tego rodzaju byłoby z niemal stuprocentową pewnością zabójcze dla wrażliwej struktury krzemowej układu scalonego czy też małej diody laserowej. Niestety, do zniszczenia półprzewodnika nie trzeba wcale tak efektownego wyładowania ESD, gdyż uszkodzenie struktury może nastąpić przy różnicach potencjałów na tyle niskich, że nie dadzą o sobie znać nawet w idealnie cichym i ciemnym pomieszczeniu. Mało tego – jeżeli mamy "pecha", to do awarii może dojść nawet podczas posługiwania się narzędziami ręcznymi (np. wkrętakiem czy obcinaczkami) nieprzystosowanymi do prac elektronicznych. Remedium na wszystkie opisane problemy stanowi urządzenie stanowiska pracy z wykorzystaniem wyposażenia określanego mianem ESD Safe.

Co to znaczy ESD Safe?

Określenie ESD Safe to nic innego, jak deklaracja producenta danego wyrobu (np. narzędzia), że materiały zastosowane do jego wytworzenia, a nierzadko także zabiegi konstrukcyjne (np. uziemienie grota w przypadku stacji lutowniczych) utrudniają lub wręcz całkowicie uniemożliwiają gromadzenie ładunków oraz nagłe, niekontrolowane ich rozładowanie. Ale jak tego dokonać, skoro wspomniane wcześniej tworzywa sztuczne są dosłownie wszędzie wokół nas? Odpowiedź stanowią dwa słowa: rozpraszanie i odprowadzanie.

Jeżeli do materiału będącego izolatorem (np. tworzywa sztucznego, tkaniny czy też lakieru proszkowego) wprowadzimy elementy (np. drobiny lub włókna) przewodzące prąd elektryczny, to wypadkowa rezystancja powierzchniowa takiego obiektu spadnie do pewnego mierzalnego poziomu. Nie może być ona jednak ani zbyt wysoka (bo domieszka nie spełni swojej roli), ani zbyt niska, gdyż rozładowanie wciąż następowałoby wtedy bardzo szybko, a to wiązałoby się z przepływem chwilowego prądu o wysokim natężeniu, który niechybnie uszkodziłby wrażliwy komponent. Odpowiednio dobrana rezystancja pozwala natomiast rozprowadzić ładunki, łagodnie obniżając różnicę potencjałów do zera lub przynajmniej do bezpiecznej wartości, przy której ewentualne potencjały resztkowe zostaną zneutralizowane przez wbudowane zabezpieczenia ESD, obecne w niemal wszystkich układach scalonych.

Z drugiej strony, ładunki muszą zostać gdzieś odprowadzone – najlepiej do ziemi. Dlatego też podstawowym zagadnieniem w konstrukcji wszystkich stanowisk wyposażonych w środki ochrony ESD jest skuteczny system uziemienia – jeżeli bowiem zarówno operator, jak i meble, maszyny oraz narzędzia będą ze sobą w pewien sposób połączone galwanicznie (za pośrednictwem rezystancji powierzchniowej przedmiotów i odzieży, a także warstw przewodzących – o nich za chwilę), to potencjał w obszarze całego miejsca pracy będzie bez przerwy wyrównywany. A to samo w sobie oznacza, że… nie wytworzy się żadna większa różnica potencjałów (będąca wszak warunkiem koniecznym powstania wyładowania ESD).

Normy ESD

Wspomnieliśmy już, że niezwykle istotną kwestią w ochronie antystatycznej jest odpowiednia wartość rezystancji powierzchniowej, która pozwoli na łagodne, ale niezawodne rozładowywanie gromadzących się przez cały czas ładunków statycznych. Dlatego też zagadnienia zabezpieczeń ESD zostały ujęte w licznych normach branżowych, określających zarówno dopuszczalne zakresy rezystancji, jak i szereg innych kwestii związanych z metodyką badań oraz bieżącym monitorowaniem skuteczności środków ochronnych.

Poniżej zebraliśmy najważniejsze normy obowiązujące w Polsce w 2024 roku, dotyczące właśnie zagadnień ochrony przed elektrycznością statyczną.

• PN-EN 61340-5-1:2017-01 - Elektryczność statyczna, część 5-1: Ochrona przyrządów elektronicznych przed elektrycznością statyczną. Wymagania ogólne,
• PN-EN IEC 61340-4-5:2018-09 - Elektryczność statyczna, część 4-5: Znormalizowane metody badań do określonych zastosowań. Metody oceny skuteczności ochrony przed elektrycznością statyczną, zapewnianej przez obuwie i podłogę w układzie z udziałem człowieka,
• PN-EN IEC 61340-4-3:2018-04 - Elektryczność statyczna, część 4-3: Znormalizowane metody badań do określonych zastosowań. Obuwie,
• PN-EN 61340-4-9:2016-11 - Elektryczność statyczna, część 4-9: Znormalizowane metody badań do określonych zastosowań. Odzież,
• PN-EN 61340-4-6:2015-11 - Elektryczność statyczna, część 4-6: Znormalizowane metody badań do określonych zastosowań. Opaski nadgarstkowe,
• PN-EN 61340-4-1:2006 - Elektryczność statyczna, część 4-1: Znormalizowane metody badań do określonych zastosowań. Rezystancja elektryczna wykładzin podłogowych i gotowych podłóg,
• PN-EN 61340-2-1:2015-12 - Elektryczność statyczna, część 2-1: Metody pomiaru. Zdolność materiałów i wyrobów do rozpraszania ładunku elektrostatycznego,
• PN-E-05204:1994 - Ochrona przed elektrycznością statyczną. Ochrona obiektów, instalacji i urządzeń. Wymagania.

Już pobieżny przegląd powyższych dokumentów wskazuje, że znormalizowane zagadnienia ochrony ESD w przemyśle elektronicznym koncentrują się przede wszystkim wokół dwóch następujących zagadnień:

• środków ochrony osobistej (opaski, obuwie, odzież),
• podłóg antystatycznych.

Taki stan rzeczy nie powinien być zaskoczeniem, bowiem to właśnie podczas chodzenia wytwarzamy najwięcej ładunków statycznych. Odpowiada za to rzecz jasna zjawisko elektryzowania przez tarcie, zachodzące pomiędzy obuwiem a podłogą - oraz pomiędzy ocierającymi się o siebie warstwami odzieży.

Jak działają buty ESD?

Klucz do zrozumienia zasady działania obuwia ESD leży w wielokrotnie już wcześniej wspomnianej rezystancji powierzchniowej. Jeżeli bowiem założymy buty antystatyczne i staniemy na platformie osobistego testera ESD (podłączając się jednocześnie do urządzenia za pomocą opaski nadgarstkowej), to przyrząd wykaże przepływ (znikomego) prądu pomiarowego przez nasze ciało. Oznacza to, że buty w niewielkim stopniu przewodzą ładunki elektryczne. Jeżeli zatem chodzimy po podłodze w obuwiu ESD, to wszystkie ładunki, które „próbują” zgromadzić się na naszym ciele, są skutecznie odprowadzane do ziemi – o ile rzecz jasna poruszamy się po odpowiedniej, antystatycznej podłodze. Mało tego – sama posadzka lub mata podłogowa ESD także ma zdolność do rozpraszania, a następnie odprowadzania ładunków statycznych do uziemienia, za co odpowiadają dwie warstwy, wykonane ze specjalnych materiałów: górna, nieco twardsza, ma dość dużą rezystancję powierzchniową i pozwala w kontrolowany sposób rozpraszać ładunki, zaś dolna, trwale z nią połączona, ma rezystywność znacznie niższą i jest (za pomocą specjalnego przewodu) podłączona do potencjału ziemi. Obuwie wraz z matą/posadzką ESD tworzą więc skuteczny system ochrony antystatycznej, który możemy bez zbędnej przesady przyrównać do pierwszej linii frontu w walce z wyładowaniami ESD.

Jak działa opaska ESD?

Wiemy już, jak duże znaczenie w ochronie antystatycznej ma obuwie oraz posadzka ESD (a także odpowiednia odzież). Pojawia się zatem pytanie, czy faktycznie potrzebujemy jeszcze antystatycznej opaski nadgarstkowej? Odpowiedź brzmi – zdecydowanie tak! Jak już wspomnieliśmy, stosunkowo wysoka rezystancja powierzchniowa obuwia i zewnętrznej warstwy podłogi ESD łagodnie odprowadza ładunki, gromadzone wraz z każdym ruchem, do uziemienia. Jeżeli jednak dotykamy bezpośrednio wyprowadzeń układów scalonych lub innych wrażliwych komponentów elektronicznych, to preferencyjną ścieżką rozładowania może stać się ich półprzewodnikowa struktura, stanowiąca dla prądu impulsowego naprawdę niewielką przeszkodę. Dlatego też konieczna jest kolejna bariera ochronna, tym razem o znacznie niższej oporności. Klasyczna opaska ESD ma bezpośredni, galwaniczny kontakt z ciałem operatora (metal do skóry), a jej spiralny przewód uziemiający jest wyposażony w rezystor szeregowy o oporności „zaledwie” 1 MΩ. Takie rozwiązanie zapewnia nieporównanie skuteczniejsze odprowadzanie ładunków i praktycznie wyrównuje potencjał ciała pracownika z potencjałem ziemi. Dzięki temu praca z opaską zapewnia najwyższy poziom bezpieczeństwa ESD, niezbędny do pracy nawet z najbardziej wrażliwymi komponentami elektronicznymi.

Podsumowanie

Ochrona przed zgubnym wpływem ładunków statycznych na komponenty, układy oraz urządzenia elektroniczne ma fundamentalne znaczenie dla ich niezawodności i znacząco redukuje ryzyko kosztownych strat materiałowych bądź awarii zarówno wyposażenia, jak i montowanych bądź serwisowanych produktów. Dogłębne zrozumienie istoty działania obuwia, opasek czy podłóg antystatycznych jest zatem niezbędne w codziennej pracy wszystkich osób mających bezpośredni kontakt z nieosłoniętymi elementami półprzewodnikowymi oraz zespołami PCBA. W ofercie Renex dostępna jest szeroka gama wyposażenia ESD, która umożliwia budowę stanowisk z pełną ochroną antystatyczną (tzw. stref EPA) – począwszy od opasek, obuwia i odzieży, poprzez podłogi i narzędzia ręczne klasy ESD Safe, aż po zaawansowane testery rezystancji do monitorowania skuteczności środków ochrony osobistej. Nasza firma realizuje ponadto refundowane szkolenia dla elektroników w zakresie zagadnień ESD oraz zapewnia kompleksowe wsparcie w obszarze wdrażania stref EPA, zarówno na poziomie pojedynczych stanowisk roboczych, jak i kompletnych linii produkcyjnych.