ESD (wyładowania elektrostatyczne) towarzyszą nam wszędzie. Jakie zagrożenia mogą nieść dla urządzeń elektronicznych?  

Czy niewyczuwalne dla człowieka wyładowanie może uszkodzić urządzenie? 

W jaki sposób temu zapobiegamy? 

Wyładowanie elektrostatyczne (ESD) to gwałtowny przepływ ładunku elektryczności statycznej z jednego obiektu na drugi, z powodu różnego potencjału, przechodzącego ze źródeł elektrostatycznych. Gdy energia elektryczna ma możliwość zetknięcia się lub nawet zbliżenia do wrażliwego elementu, może spowodować jego uszkodzenie.

Jest to bardzo powszechne zjawisko, otaczające nas także w życiu codziennym. Każdy z nas został kiedyś „kopnięty” przez naelektryzowany sweter. Przykładem bardzo silnego wyładowania elektrostatycznego jest także piorun podczas burzy.

Doskonale zdajemy sobie sprawę, jak wielkim zagrożeniem dla naszych domowych bądź biurowych urządzeń jest piorun – gwałtowne zwiększenie napięcia w instalacji elektrycznej prowadzi do ich uszkodzenia. Niestety każde wyładowanie, nawet to niewidoczne dla człowieka, niesie zagrożenie dla urządzeń elektrycznych, zwłaszcza w przypadku elementów szczególnie czułych na ESD. Z tego powodu dla profesjonalnego dostawcy elektroniki szalenie istotnym jest zabezpieczenie urządzeń i komponentów przed wyładowaniami. Dzięki temu Klienci nie muszą obawiać się, że ich produkt będzie zawierał defekty.  

Wyładowania elektrostatyczne powstają zwykle podczas kontaktu obiektów bądź materiałów o różnym potencjale elektrostatycznym, np. gdy materiały pocierają się o siebie bądź się rozłączą. W wyniku kontaktu jeden z materiałów przyjmuje ładunek dodatni, a drugi staje się naładowany ujemnie. W wyniku tego materiał otrzymuje ładunek elektrostatyczny, który przy zetknięciu z przewodnikiem jest przenoszony – i tak następuje wyładowanie. 

Zestawienie materiałów pod względem biegunowości i wielkości ładunku nazywa się szeregiem tryboelektrycznym.Podczas wyładowania materiały, które sklasyfikowane są w dodatnim zakresie szeregu przenoszą elektrony na materiały sklasyfikowane w ujemnym zakresie, a materiały, które sklasyfikowane są w ujemnym zakresie szeregu przenoszą elektrony na materiały sklasyfikowane w dodatnim zakresie.

Powszechność tego zjawiska jest wyzwaniem dla producentów elektroniki. Opisany kontakt pomiędzy materiałami, prowadzący do wyładowania, może wystąpić nawet podczas tak prozaicznych czynności jak chodzenie, bowiem podeszwy pocierając o podłogę mogą wytworzyć ładunek elektrostatyczny (łatwo zauważyć, że każdy krok może potencjalnie spowodować ESD!), a ponadto buty czy odzież mogą ten efekt wzmacniać. Z tego tytułu wymagane jest stosowanie specjalistycznej odzieży.

Do uszkodzeń elementów elektronicznych może dojść na wiele sposobów: poprzez kontakt elementu z naelektryzowanym podzespołem, kontakt elementu z człowiekiem, a nawet podczas automatycznego transportu urządzeń. Znaczenie ma niemal całe otoczenie: od temperatury i wilgotności powietrza, aż po rodzaj powierzchni, na której element jest przechowywany bądź transportowany.

Proces miniaturyzacji urządzeń zwiększył ich wrażliwość na wyładowania. Mikroskopowe wręcz rozmiary sieci ścieżek i struktur w niektórych podzespołach powodują, że nawet względnie niskie napięcie może trwale uszkodzić element. Dla przykładu, aby człowiek zauważył wyładowanie, powinno ono mieć wartość ok. 3500 V, ale układom scalonym może zaszkodzić nawet napięcie rzędu 10 V. Tymczasem chód może wytworzyć napięcie ok. 1500 V.

Nie tylko napięcie ma szkodliwy wpływ na urządzenia. Podczas ESD wytwarza się także bardzo wysoka temperatura. Gdy wyładowanie dojdzie do wrażliwego elementu elektronicznego: półprzewodnika, karty rozszerzeń i innych, wskutek wzrostu temperatury mogą się stopić lub odparować łączenia, powodując awarię. 

Powstałe defekty mogą być widoczne od razu. Test lub nawet człowiek gołym okiem może wykryć, iż jakiś obwód jest przepalony bądź stopiony.  

Natomiast dużo bardziej problematyczne są wady ukryte, które powstają zazwyczaj przy niższym napięciu. Wyładowanie nie musi uszkodzić produktu w sposób całkowity, ale może osłabić poszczególne elementy urządzenia, takie jak styki czy izolację. Możliwe jest, że defekt nie zostanie wykryty ani podczas procesu produkcji, ani podczas typowego użytkowania urządzenia. Dopiero długotrwałe intensywne użytkowanie może wzmocnić wadę do tego stopnia, iż urządzenie przestanie działać prawidłowo, a w niewielkim stopniu uszkodzony styk szybciej się zużyje.  ESD zapoczątkuje proces, który może doprowadzić do nieprawidłowego działania urządzenia, bądź skrócenia jego żywotności.

Wyładowania elektrostatyczne powstają w wyniku różnicy potencjałów, dlatego stanowiska pracy powinny być wyposażone w system uziemienia. Dbałość o odpowiedni poziom rezystancji powierzchniowej, czyli skuteczne odprowadzenie ładunków do ziemi (zarówno od operatora, jak i maszyn, narzędzi czy nawet wyposażenia hali) spowoduje ciągłe wyrównywanie potencjałów, dzięki czemu ESD nie nastąpi.

Oczywiście, ów odpowiedni poziom rezystancji powierzchniowej, ale także i inne parametry, wyszczególnione są w normach. Pracujemy w oparciu o uznaną normę IPC-A-610, której ściśle przestrzegamy, spełniając wymagania standaryzacji montażu i produkcji elektroniki. Wdrażanie standardów jest nadzorowane przez certyfikowanych trenerów IPC. 

Ochrona przed wyładowaniami elektrostatycznymi definiowana jest także przez szereg innych norm. O ogólnych warunkach traktują normy: PN-E-05204:1994, PN-EN 61340-5-1:2017-01, PN-EN 61340-2-1:2015-12; o podłodze oraz obuwiu: PN-EN IEC 61340-4-5:2018-09, PN-EN IEC 61340-4-3:2018-04, PN-EN 61340-4-1:2006; o odzieży i opaskach: PN-EN 61340-4-9:2016-11, PN-EN 61340-4-6:2015-11.  

Warto zwrócić uwagę, iż system norm kładzie szczególny nacisk na cztery aspekty: podłogę, obuwie, odzież oraz opaski. Podłogę – ponieważ umożliwiające chodzenie bądź transport tarcie powoduje, jak już wcześniej wspomniano, elektryzowanie. Dlatego podłoże powinno mieć właściwości antystatyczne oraz zdolność do rozpraszania i uziemiania ładunków.

Specjalistyczne obuwie ESD to takie, którego opór elektryczny wynosi od 0,75 MΩ do 35 MΩ oraz ma właściwości pozwalające odprowadzić ładunki z naszego ciała do ziemi.

Odzież ESD ma przeciwdziałać elektryzowaniu, które powstaje podczas ruchu człowieka, kiedy trą o siebie poszczególne elementy ubioru. Specjalistyczna odzież ma również właściwości rozpraszające, dzięki czemu zapewnia odpowiednią ochronę przed wyładowaniami.

Wyładowaniu powstałemu poprzez dotknięcie przeciwdziała opaska nadgarstkowa. Składa się z metalu przyłożonego bezpośrednio do skóry montera oraz przewodu uziemiającego. Dzięki temu ładunki zgromadzone na skórze lub odzieży są bezpośrednio odprowadzane do ziemi, w związku z czym także potencjał elektryczny ciała pracownika jest niemal równy potencjałowi ziemi. To stosunkowo proste rozwiązanie daje najwyższą gwarancję ochrony przed ESD.

W JM elektronik stosujemy te zasady rygorystycznie. Wszyscy nasi pracownicy są odpowiednio wyszkoleni. Nie dopuszczamy do tego, by Klient otrzymał wadliwe urządzenia. 

Electrostatic Protected Area (EPA) to wyznaczony i oznaczony obszar chroniony, w którym normy ESD są ściśle przestrzegane. W tym obszarze wszystkie powierzchnie, przedmioty, ludzie i urządzenia wrażliwe na wyładowania elektrostatyczne są utrzymywane w takim samym potencjale elektrycznym. W naszej firmie strefa obejmuje całą powierzchnię produkcyjną.

Współpraca z Klientami oznacza także współodpowiedzialność za wyprodukowane urządzenia. Zapewniamy najwyższe standardy ochrony przed ESD, aby nasi Klienci, a także ich Klienci końcowi byli przekonani, że posiadają produkt pozbawiony defektów. Wybór profesjonalnego partnera EMS powoduje, że żywotność produktów końcowych jest odpowiednia, w związku z czym Klienci nie zrażają się do marki. Wyprodukowane przez nas urządzenia spełniają najwyższe wymagania jakości i żywotności.