Jak prawidłowo zabezpieczyć się przed ESD przy drobnych pracach?

Czy istnieje prosta ochrona przed niekontrolowanymi wyładowaniami elektrostatycznymi? Zanim udzielimy odpowiedzi na to pytanie, należy zastanowić się co to jest za zjawisko i dlaczego powstaje. W artykule przedstawimy podstawowe informacje dotyczące ochrony przed wyładowaniami elektrostatycznymi oraz jakie istnieją zagrożenia z nimi związane i sposoby zabezpieczania.

Wyładowanie elektrostatyczne (z ang. electrostatic discharge, w skrócie ESD) jest zjawiskiem wynikającym z gwałtownego przemieszczania się elektronów pomiędzy ciałami o różnym potencjale. Wyobraźmy sobie budowę najmniejszej cząstki, którą jest atom. W jądrze atomu znajdują się protony i neutrony, na orbitach wokół jądra krążą elektrony. Elektrony mają możliwość przemieszczania się, więc jeśli jeden materiał będzie miał skłonności do gromadzenia elektronów - będzie on naładowany ujemnie. Natomiast drugi materiał, który będzie miał skłonność do tracenia elektronów, będzie naładowany dodatnio. W trakcie zbliżania się materiałów do siebie może nastąpić między nimi wyrównanie potencjału, czyli gwałtowny przeskok elektronów i to właśnie nazywane jest wyładowaniem elektrostatycznym. Jeśli teorię mamy za sobą, możemy zatem skupić się na ochronie przed tym zjawiskiem.

Ochrona przed ESD – człowiek i jego ubiór

Jednym z podstawowych zabezpieczeń przed wyładowaniami elektrostatycznymi jest stosowanie opaski nadgarstkowej. Opaska ta powinna posiadać wewnętrzną część przewodzącą i zewnętrzną rozpraszającą, a także obowiązkowo musi być podłączona za pomocą przewodu z rezystorem 1MΩ do punktu uziemienia oznaczonego jako punkt, do którego podłączone jest wyposażenie stanowiska. W takim punkcie również na jedno gniazdo występuje zabezpieczenie poprzez rezystor 1MΩ. Gniazda takie mogą posiadać różną formę, mogą być zamontowane pod blatem stołu lub również powszechnie stosowane w formie wtyczki schuko, najczęściej występują w barwie żółtej. Wracając do opaski, według testów i badań jest to najpewniejsze zabezpieczenie przed ESD przy pracach siedzących, więc warto mieć ją na uwadze.

Kolejnym zabezpieczeniem człowieka przy pracy z elektroniką, będzie specjalny fartuch antystatyczny. Celem noszenia takiego zabezpieczenia jest przede wszystkim ochrona pakietów lub elementów elektronicznych przed odzieżą, którą mamy na sobie i która może generować ładunki statyczne. Fartuch nas nie uziemi, ale stworzy coś na zasadzie klatki Faradaya, co nie pozwoli wydostać się ładunkom na zewnątrz. Według odpowiednich norm taki fartuch musi być właściwie oznakowany oraz posiadać atesty związane z zastosowaniem go w strefach gdzie pracuje się z elektroniką wrażliwą na wyładowanie elektrostatyczne. Przechodząc do następnej części garderoby człowieka pracującego z elektroniką wrażliwą na ESD, zaliczyć możemy obuwie lub specjalne opaski na obuwie własne. Ogólnie zalecane jest noszenie obuwia uziemiającego, dlatego, że obuwie takie jest bardziej odporne na zużywanie się jeśli chodzi o właściwości przewodzenia ładunku. Po za tym wygodniej się z nimi pracuje i jest bezpieczniejsze. Tańszą alternatywą jest zastosowanie opasek na obuwie. Należy jednak pamiętać o tym, że nie są tak trwałe jak obuwie i często wymagają odpowiedniej instrukcji zakładania, ponieważ osoby je zakładające nie zawsze potrafią to zrobić w należyty sposób. W obuwiu jak i w opasce, również występuje zabezpieczenie rezystorem, w przypadku butów o wartości 2MΩ. Musimy pamiętać, że opaski na obuwie jak i obuwie nosimy w parze, a nie pojedynczo! W całym systemie uziemiania w układzie człowiek – obuwie – podłoga, trzeba wiedzieć, że to wszystko działa ze sobą tylko wtedy, gdy mamy odpowiednią podłogę i obuwie. Rozwiązanie takie będzie pomocne przy pracach stojących lub mobilnych. Z kolei przy pracach siedzących i tak mimo obuwia zakładamy opaskę nadgarstkową. Jeśli mamy do czynienia z elektroniką, która jest zminiaturyzowana i wrażliwość na wyładowania elektrostatyczne jest dużo większa, należy zastosować dodatkowe rękawiczki antystatyczne. Takie rękawiczki również będą posiadały w sobie odpowiedni materiał rozpraszający ładunki statyczne oraz oznaczenie, że są bezpieczne i mogą być stosowane w obsłudze elektroniki wrażliwej na ESD. Dodatkową pozytywną cechą stosowania takiego zabezpieczenia jest to, że nie pozostawiamy żadnych zabrudzeń na montowanym czy serwisowanym pakiecie.

Ostatnim, rzadziej stosowanym zabezpieczeniem będzie nakrycie głowy. Pewnie każdy czytając ten artykuł zada sobie pytanie: po co nakrycie głowy? Wyobraźmy sobie, że mamy do czynienia z pakietem elektronicznym. Ludzki włos spada na układ scalony i jego wyprowadzenia, pakiet zostaje zamontowany w produkcie docelowym i używany jest w normalnym środowisku pracy. Po pewnym czasie wilgoć w środowisku roboczym, która nas otacza może być na poziomie między 35 a 70%, wnika do takiego pakietu, a włos ten nabierając wilgoci staje się przewodnikiem, który może doprowadzić do zwarć na takim pakiecie.

Podsumowując zabezpieczenie człowieka w pracach, gdzie mamy do czynienia z elektroniką wrażliwą na ESD jest bardzo ważne, dlatego że to właśnie my bardzo często przenosimy elektrony i przekazujemy je wyrównując potencjał. Musimy dodatkowo zdawać sobie sprawę, że człowiek odczuwa ESD na poziomie około 2000V, a niektóre układy możemy uszkodzić już dużo mniejszym wyładowaniem elektrostatycznym, dlatego takie zabezpieczenia są istotne.

Ochrona przed ESD – zabezpieczenia miejsca pracy

W obszarze roboczym powinniśmy stworzyć specjalnie wydzieloną strefę, w której będziemy pracować z elektroniką wrażliwą na wyładowania elektrostatyczne. Miejsce takie nazywamy strefą EPA (ang. ESD Protected Area), czyli strefą chronioną przed ESD. Podstawowym zabezpieczeniem naszego obszaru roboczego będzie mata antystatyczna podłączona do uziemienia. Taka mata będzie zbudowana z dwóch warstw – dolna przewodząca, a górna rozpraszająca. Mata ma dodatkową cechę: jest odporna na działanie wysokich temperatur, więc ochroni nam blat roboczy od uszkodzeń termicznych. Matę podłączamy do uziemienia za pomocą przewodu zawierającego rezystor 1MΩ, tutaj też proponujemy wykorzystać gniazdo schuko, które podłączamy do listwy lub gniazda elektrycznego. Tym sposobem wykorzystamy uziemienie elektryczne, które jest w budynku. Kolejnym wyposażeniem będzie krzesło, które powinno być dedykowane do strefy EPA. Dlaczego? Krzesło nie uziemia człowieka, ale ma za zadanie być wolnym od pola elektrostatycznego. Chodzi o to, że gdy przysuwamy zwykłe krzesło odchodząc od stanowiska może generować się duże pole elektrostatyczne, co może z kolei powodować niekontrolowane wyładowanie elektrostatyczne. Co jest niezbędne do właściwego działania takiego krzesła? Musimy mieć podłogę, która to krzesło uziemi. Podłoga będzie miała właściwości rozpraszające, a krzesło dzięki swojej budowie, za pomocą kółek przewodzących, będzie odprowadzało do uziemienia nagromadzone ładunki. Podłoga i cały jej system musi być podłączony do uziemienia. O czym należy pamiętać jeśli chodzi o pozostałe wyposażenie stanowiska? Wszystko co może generować ładunki lub powodować zagrożenie związane z ESD, musi być usunięte z powierzchni roboczej. Co może wchodzić w skład takiego niepożądanego wyposażenia? Na przykład narzędzia ręczne, które nie są dedykowane do strefy EPA, opakowania generujące ładunki statyczne i podobne materiały, które są niepotrzebne do naszej pracy z elektroniką wrażliwą na wyładowania elektrostatyczne.

To tak w skrócie o stanowisku, natomiast sama profesjonalna strefa EPA, powinna się składać z bardziej rozbudowanego systemu ochrony przed ESD. Co mamy na myśli? To, że w takim pomieszczeniu przed samym wejściem, będziemy posiadać m.in. odpowiedni system kontrolny. Oznacza to pomiar obuwia i opasek nadgarstkowych, a w bardziej zaawansowanych strefach EPA, gdzie produkuje się elektronikę wrażliwą na wyładowania elektrostatyczne, zastosowanie śluzy powietrznej ze zjonizowanym nadmuchem. W takich strefach EPA, cała powierzchnia ma zastosowaną podłogę antystatyczną podłączoną do sytemu uziemienia budynku. Stoły robocze są atestowane, oznaczone i dedykowane do takich stref. Oprócz tego co opisano powyżej o samym stanowisku, całe pozostałe wyposażenie jest szczegółowo sprawdzane i zatwierdzane przez Koordynatora ESD, czyli przez osobę, która posiada odpowiednią wiedzę i kwalifikacje do zarządzania strefą ochronną. W całej strefie EPA będzie stała kontrola temperatury i wilgotności powietrza. Szczegółowe wymagania co do tworzenia stref możemy poznać na szkoleniach dla operatorów lub Koordynatorów ESD. Dowiemy się na nich o wszystkim, co jest niezbędne do stworzenia stref EPA lub odpowiednich stanowisk jak również o dokonywaniu pomiarów i wykonywaniu audytów oraz redagowaniu sprawozdań.

Zagrożenia związane z ESD

Każdy może sobie zadać pytanie po co to wszystko? Po co takie zabezpieczenia. Przecież każdy młody człowiek interesujący się informatyką czy elektroniką lub posiadający zdolności manualne, wymieniał w swoim komputerze pamięć lub rozbudowywał płytę główną o dodatkowe akcesoria. Robił to na wykładzinie w domu i bez żadnego uziemienia, bez zachowania szczególnej ostrożności i wszystko później działało bez problemu. Właśnie takie działania powodują wątpliwości, czy zabezpieczenie przed ESD ma sens. Powiemy krótko, ma i to duże. Dlaczego? Dlatego, że porównując skalę produkowanej elektroniki lub obsługiwanej przez serwis a zabaw związanych z rozbudową komputera w domu jest nieporównywalna. Jeśli takie uszkodzenie przez ESD zostanie wykryte w fabrykach nie ma to większych konsekwencji finansowych jak tylko to, że produkt zostaje wyrzucony lub trafi do naprawy. Natomiast gdy uszkodzenie wyjdzie na jaw po czasie, kiedy pojawi się już u klienta, będzie to miało swoje konsekwencje w postaci niezadowolonych odbiorców. A trzeba pamiętać, że jeden niezadowolony klient, to potencjalnych dziesięciu, którzy czegoś nie kupią lub nie oddadzą do danego serwisu. Zagrożeń związanych z ESD można by było wymieniać bez końca. Wiele firm będących największymi, światowymi producentami elektroniki stosuje się do zasad ochrony przed ESD i robi to na bardzo zaawansowanym poziomie. Jest to związane z prowadzonymi badaniami, których wyniki wskazywały na takie uszkodzenia i niestety miało to duże konsekwencje w postaci ogromnych strat finansowych. W ciągu 20 lat pakiety elektroniczne uległy dużej miniaturyzacji, co miało z kolei wpływ na wrażliwość w temacie wyładowań elektrostatycznych. Im mniejsze pakiety elektroniczne tym większą wrażliwością na ESD się charakteryzują. Dochodzą do tego rozbudowane technologie LED i O-LED, które wyładowań po prostu nie lubią. Dochodzi dodatkowo poziom zabezpieczeń przed ESD w konstrukcji takiego pakietu. Najlepszym rozwiązaniem będzie odgórne założenie, że pakiet elektroniczny jest wrażliwy na wyładowanie elektrostatyczne.

Reasumując, to co napisaliśmy o wyładowaniach elektrostatycznych jest tylko podstawowym krótkim wyjaśnieniem na czym polega zabezpieczanie przed ESD. Więcej informacji można zdobyć na odpowiednich szkoleniach dedykowanych dla operatorów lub Koordynatorów ESD.