Ochrana před elektrostatickým výbojem » Opatření a předpisy na pracovišti
Zveřejněno: 12. 4. 2024 | Doba potřebná k přečtení: 7 minut
Občas se stane, že člověk zaznamená velmi citelný elektrický výboj, například při kontaktu s klikou dveří nebo kovovým regálem. Dochází k tomu většinou v případech, kdy je vzduch velmi suchý a na sobě máme obuv s dobře izolovanými podešvemi. Odborníci v takovém případě hovoří o dotykové elektřině nebo také o triboelektřině (elektřině vznikající třením).
Ve většině případů jsou takové údery elektrickým proudem pro dotčené osoby nejprve překvapivé a někdy také nepříjemné. Životu nebezpečný ale tento jev díky malé intenzitě proudu určitě není. Naproti tomu u elektronických součástek tato záležitost vypadá úplně jinak. Díky neustále pokračující miniaturizaci se totiž vodivé součásti dostávají čím dál blíže k sobě. Dokonce i při slabém statickém náboji postačuje energie bez problému k tomu, aby zcela zničila součástky, elektronické komponenty, senzory nebo kompletní obvody. Proto je nezbytné přijmout vhodná opatření pro zamezení tomuto jevu. Rádi vám zde ukážeme, co udělat pro snížení rizika elektrostatického náboje a jaké možnosti v tomto ohledu existují.
Elektrostatický výboj nebo ESD (Electrostatic Discharge) nastává vždy v situaci, kdy dvě tělesa vykazují vysoké rozdíly potenciálů. V případě rozdílu potenciálů existuje u jednoho tělesa nedostatek elektronů (kladný pól) a u druhého tělesa přebytek elektronů (záporný pól). Statické rozdíly potenciálů pak mohou vzniknout, jestliže se dva elektricky nenabité předměty dostanou do kontaktu, jsou odděleny nebo se vzájemně třou. Přitom materiály, které vážou elektrony slabě, odevzdávají své elektrony materiálům, které je vážou silnější vazbou.
Osoba, která například v dobře izolované obuvi s gumovými podešvemi projde po koberci z umělých vláken, zachytí prostřednictvím obuvi elektrony, a může se tak rychle elektrostaticky záporně nabít. Napětí přitom může dosahovat několika set voltů. Pokud se osoba následně dotkne kliky dveří s dobrou vybíjecí schopností, dojde k výměně náboje a elektrony odtečou směrem do země. Podle toho, jak vysoký statický náboj byl, může se už krátce před dotykem objevit přeskok. Vybití se pak uskuteční během zlomku sekundy, přičemž se rozdíly v nábojích, resp. rozdíl napětí znovu vyrovnají.
Horní obrázek: Dva elektricky nenabité atomy (A a B) se stejným počtem elektronů a protonů.
Prostřední obrázek: Vlivem tření/kontaktu se uskuteční přenos elektronů.
Spodní obrázek: Přijetím elektronu je atom A záporně nabitý a atom B je odevzdáním elektronu kladně nabitý.
Poznámka: Pro zjednodušení byly modely atomů (A a B) zvoleny tak, aby měly stejný počet elektronů a protonů.
Pro zdravé osoby je elektrostatický výboj sice nepříjemný, ale většinou nemá žádné následky. Naproti tomu v oblasti elektroniky a elektrotechniky mohou nastat jak masivní, tak i rozsáhlá poškození.
Poškození polovodičových součástek
Vysoká napětí, která se při elektrostatickém výboji vyskytují, a s nimi spojené proudové špičky mohou ve zlomku sekundy zcela zničit tranzistory nebo integrované obvody. Tyto součástky totiž reagují velmi citlivě na překročení přípustných mezních hodnot.
Poškození elektrických obvodů
V elektrických obvodech jsou mnohé komponenty vzájemně přímo spojené nebo elektromagneticky propojené. Z toho důvodu mohou elektrostatické výboje zapříčinit masivní poruchy a chyby fungování, které se mohou negativně projevit na celém obvodu vč. všech připojených systémů.
Poškození senzorů a měřicích zařízení
Senzory a měřicí zařízení jsou často vybavené vysoce citlivými vstupy, aby mohly přesně splňovat požadované měřicí úlohy. Stejně citlivě reagují systémy, pokud jsou v případě elektrostatického výboje přiváděné hodnoty napětí několikanásobně vyšší.
Poškození podložek tištěných obvodů a desek tištěných spojů
Poškození mohou utrpět nejen součástky osazené na desce tištěných spojů. Ohrožené jsou i podložky tištěných obvodů samotné. Pokud jsou hodnoty napětí vyšší, může u těsně vedle sebe ležících vodivých drah docházet k přeskokům napětí. Příliš vysoké proudové špičky mohou vodivé dráhy přetížit a zničit.
Poškození v důsledku ztráty dat
Při používání elektronických paměťových médií mohou elektrostatické výboje způsobit částečnou nebo kompletní ztrátu dat. Odhlédneme-li od ztracených dat, může dojít k výpadku kompletních strojů a výrobních zařízení, pokud datové úložiště obsahovalo potřebný operační systém.
V příkladu s kobercem a klikou dveří, který jsme zmínili výše, musí statické napětí dosáhnout výše asi 3 500 V, aby byl výboj citelný. V případě součástek citlivých vůči ESD (ESDS znamená Electrosatic Discharge Sensitive) stačí výrazně nižší napětí, aby se trvale poškodily. Z tohoto důvodu osoby, které při kontaktu s polovodiči způsobují poškození elektrostatickým výbojem, často vůbec netuší, co se přihodilo.
Ale to není vše. Poškození polovodičů elektrostatickým výbojem nejsou viditelná pouhým okem. Dokonce ani kontrola funkčnosti během sestavování zamýšleného obvodu nezaručuje, že budou polovodiče trvale fungovat bez poruch.
Z tohoto důvodu je při výrobě a zpracování součástek citlivých k elektrostatickému výboji bezpodmínečně nutné dbát na to, aby se elektrostatickému náboji spolehlivě zamezilo.
Používají se k tomu nejrůznější technické pomůcky, kterým se následně budeme podrobněji věnovat.
Dobře fungující ochrana proti elektrostatickému výboji je nezbytná všude tam, kde součástky, konstrukční skupiny nebo celá zařízení citlivě reagují na elektrostatický výboj a musejí být chráněny. Protože se ve velkém počtu produktů používají komplexní elektronické řídicí jednotky, oblast, která bezpodmínečně vyžaduje účinnou ochranu ESD, se ještě dále rozšiřuje. Mezi hlavní oblasti použití řadíme mimo jiné:
- spotřební elektroniku a elektrotechniku
- řídicí systémy a průmyslovou automatizaci
- komponenty pro stavbu počítačů
- komplexní komunikační elektroniku
- řídicí systémy pro výrobu vozidel
Ochrana proti ESD se přitom nevztahuje jen na výrobu nebo servis. Také při vývoji, zajištění kvality, u různých obalů a dokonce v expedičních skladech musí být zaručeno efektivní uzemnění a nepřetržitá ochrana proti ESD.
Elektrostatický výboj se může uskutečnit, pouze pokud předtím došlo k elektrostatickému nabití. Abychom tomu zabránili, nabízejí se dvě řešení, která jsou vzájemně propojená:
1. Statickému nabíjení předmětů a osob lze efektivně zabránit elektrickým odváděním elektronů.
2. Proud při výboji by měl být omezen elektrickými odpory, aby se výměna náboje výrazně zpomalila.
Za tím účelem jsou elektrony, které jsou odevzdávány látkami se slabou vazbou, odváděny vhodnými spojovacími kabely do země. Nejdůležitější k tomu používaná opatření na ochranu proti ESD si představíme trochu podrobněji:
Ochranné zóny ESD
Pro manipulaci s komponenty citlivými vůči ESD a jejich skladování jsou zřizovány speciálně označené ochranné zóny EPA (Electronical Protected Area). Všechny součásti ochranné zóny jsou uzemněné.
ESD pracoviště
Pro zpracování součástek citlivých vůči ESD se používají ESD pracoviště s uzemněním. Pracoviště disponují vodivými podlahami, stolními rohožemi a přípojkami pro zápěstní pásky a nožní pásky.
ESD oděv
Oděvy ze syntetiky se extrémně rychle nabíjejí. To je vidět, například když si svlékáme svetr ze syntetických vláken. Antistatický oděv, obuv a rukavice zamezují svou elektrickou vodivostí nabití.
ESD ochranné obaly
Používané obaly a úložné boxy musejí být z materiálu, který odvádí elektrický náboj, aby se případný elektrostatický náboj nemohl dostat dovnitř. Při správném zacházení dochází ke spolehlivému odvádění.
Uzemňovací přípojka
Vodivé uzemnění s malým vnitřním odporem je důležitým předpokladem pro všechna opatření na ochranu před elektrostatickým výbojem. Odváděna by měla být i ta nejmenší statická napětí, spolehlivě a v plném rozsahu.
Normy a školení
Norma DIN EN 61340-5-1 (VDE 0300-5-1) definuje všeobecné požadavky na ochranu elektronických součástek proti elektrostatickým jevům. Odpovědné osoby musejí být v těchto otázkách pravidelně školeny a senzibilizovány.
ESD pracoviště by se ideálně mělo nacházet uvnitř ochranné zóny (EPA). Ochranná zóna může zahrnovat buď jednotlivé pracoviště, celou místnost s několika pracovišti nebo dokonce celou budovu. Finální vybavení ESD pracoviště nakonec závisí na druhu a rozsahu činností, které jsou na něm prováděny. V zásadě lze ale říci, že některé charakteristiky vybavení a ochranná opatření ESD musí být k dispozici za každých okolností.
ESD stoly a nástavby
ESD pracovní stůl by měl být ergonomicky přizpůsobitelný, aby bylo možné u něho pracovat delší dobu bez únavy.
Stůl, stejně jako jeho nástavby, musejí být uzemněné, aby bylo pracoviště vždy neutrální, pokud jde o náboj.
Rohože na pracovišti
Pro zařízení dočasných ESD pracovišť se maximálně osvědčily ESD stolní rohože.
Ty poskytují možnost připojení uzemnění zápěstí a nohy a mohou být připojeny do zásuvky prostřednictvím ESD uzemňovacího konektoru.
Uzemnění osob
Osoby mají sklon se staticky nabíjet, protože se pohybují.
Proto je potřeba přijmout zvláštní ochranná opatření.
Mezi ně patří ESD obuv, ESD náramky, ESD židle a ESD oděv.
ESD podlaha
Podlaha musí být schopná odvádět elektrický náboj podle normy DIN EN 61340-5-1, nebo je na podlahu nutné použít vhodné ESD rohože.
Podlahová plocha navíc musí být vhodným označením vymezená jako ESD zóna.
ESD židle
Stejně jako pracovní stoly musejí být také ESD židle ergonomické a musí být možné je individuálně přizpůsobit pro osobu, která je používá.
Díky schopnosti odvádět elektrický náboj nedochází k téměř žádnému nabíjení při pojíždění židle po podlaze.
Nástroje a nářadí
Potřebné nástroje jako například pinzety, šroubováky a kleště by rovněž měly být schopné odvádět elektrický náboj.
Pomůcky jako pájecí stanice nebo potřebné měřicí přístroje by měly v každém případě vykazovat potřebnou ochranu proti ESD.
Úložné boxy a přepravní systémy
Předměty, které mají být opracovány, musejí být v rámci procesu přivezeny na ESD pracoviště, musejí zde být uloženy a také odtud odvezeny.
K tomu se musejí použít ESD přepravní vozíky, ESD přepravky, ESD sáčky a ESD boxy, které disponují funkcí odvádění elektrického náboje.
Důležité upozornění: Aby se nezhoršovala funkce odvádění elektrického náboje u podlah a odkládacích ploch, musejí se používat vhodné čisticí prostředky. Například běžně prodávaný vosk na podlahu by významně zhoršil schopnost podlahových ploch, resp. povrchů podlah odvádět elektrický náboj.
Námi doporučované produkty ESD
Je účinná ochrana proti ESD skutečně důležitá?
Rozhodně ano. Rušivé impulzy ESD totiž nejsou osobami, které je vysílají, vůbec vnímány. Statické výboje ale mohou způsobit enormní škody. Navíc se takové poškození často neprojeví ihned. Zbytečné výpadky systémů, drahé opravy a značná ztráta image u vadných produktů v součtu znamenají nezanedbatelné škody.
Existují faktory, které vznik elektrostatického náboje umožňují?
Existuje mnoho faktorů, které ovlivňují výši a polaritu náboje. Patří sem mimo jiné druh a vlastnosti povrchu materiálu a okolní podmínky, jako je vlhkost vzduchu. Při vlhkosti vzduchu 40 až 60 % se náboj zpravidla vybíjí vzduchem. To je ale v případě suchého vzduchu možné jen omezeně. Nízká vlhkost vzduchu tedy vytváří příznivé podmínky pro vznik elektrostatického náboje.
Co rozumíme pod pojmem „antistatický“?
Elektronické součástky a materiály jsou označovány jako antistatické, jestliže zabraňují vzniku statického náboje nebo ho snižují. K tomu může docházet buď odváděním elektrického náboje nebo snížením tření.
Je možné vyzkoušet funkčnost ESD pracoviště?
Existuje množství různých ESD testovacích přístrojů, jimiž lze metrologicky přesně zkontrolovat funkčnost ESD pracoviště nebo zařízení ESD ochranné zóny (EPA).
K čemu se používají uzemňovací konektory ESD?
Uzemňovací konektor využívá ochranný kontakt síťové zásuvky pro vytvoření potřebného spojení se zemním potenciálem. Díky tomu nejsou nutné žádné větší instalační práce nebo pokládka kabelů.