Elektrostatisk urladdning – ESD

ESD står för Electro Static Discharge som på svenska betyder elektrostatisk urladdning.
Redan under 60-talet upptäckte man att MOS-transistorn var känslig för ESD. Sedan dess har en mängd olika typer av halvledare utvecklats med allt tunnare ledare och mindre isolationsavstånd. Detta har medfört att känsligheten för ESD-skador har ökat. Även andraområden än elektronikindustrin berörs av detta fenomen, sjukvården, bilindustrin, it-branschen och plastindustrin är några exempel. Andra problem som kan uppstå är explosionsrisker, dammproblem, personligt obehag mm.

De typer av skador som orsakas av ESD kan delas in i två grupper. Antingen upphör funktionen på komponenten direkt vid en urladdning eller så uppstår ett latent fel. Ett latent fel innebär att komponenten skadas utan att funktionen upphör direkt. Resultatet kan bli att komponenten enbart tidvis fungerar, s.k. internmittent fel. Kostnader som orsakas av
ESD-skador blir ofta omfattande i både produktion och service.

Statisk elektricitet uppstår genom kontakt, friktion och separation av material. Statisk elektricitet finns alltid i vår omgivning, på arbetsytor, golv, stolar, kläder, förpackningsmaterial,arbetsplatsutrustning mm. En person som går över ett golv eller arbetar vid en bänk kan bygga upp laddningar på flera tusen volt. Människan känner först en urladdning vid ca
3000 volt och dom känsligaste komponenterna klarar idag endast 20-50 volt innan de skadas eller förstörs. Luftfuktigheten har även en stor inverkan. Torr luft medför att spänningar lättare uppstår och utgör en ökad risk för komponenterna.

Åtgärder för skydd mot statisk elektricitet

Det går inte att förhindra statisk elektricitet, men det går att begränsa påverkan. Genom att vidta följande åtgärder kan man erhålla ett effektivt skydd mot ESD-skador.
- Informera och utbilda all personal om uppkomst, verkan och motåtgärder.
- Hantera alla ESD-känsliga produkter inom ett ESD-säkert område EPA (ESD Protected Area)
- Transportera alla ESD-känsliga produkter i skärmande lådor eller förpackningar
- Kontrollera och testa allt ESD-skydd för att säkerhetsställa rätt funktion och kvalitet

ESD-säkert område EPA

En ESD-skyddad arbetsplats kan utformas enligt följande:

Ett avledande golv installeras och förbinds till jord. Personerna som jobbar i området använder ESD-skor och skyddsrock. Samma regler gäller för alla som vistas inom detta område.
Besökare kan använda skoskydd/band istället för skor. Så fort någon person går på mattan avleds den statiska laddningen genom golvmattan. Därigenom skyddas produkter inom området för elektrostatiska urladdningar.

Arbetsbänken förses med en avledande bänkskiva eller bordsmatta som förbinds till jord.
För att personen som arbetar vid arbetsbänken inte skall utgöra någon risk är personen förbunden till arbetsplatsens jordsystem via handledsband. Föremål som genererar laddningar bör inte finnas inom detta område. Detta kan gälla verktyg, transportlådor, förpackningsmaterial mm. Ta bort de uppladdningsbara materialen ur området och ersätta dessa med
ESD-godkända produkter. Beroende på hur stor laddning de uppladdade materialen genererar, desto större elektriska fält bildas och kan därmed ge elektrostatiska urladdningar på långa avstånd utan direkt kontakt, s.k. induktion/influens.

Om isolerande material ej kan undvikas bör man använda sig av joniseringsfläktar som blåser joniserad luft över arbetsytan. Därigenom neutraliseras de lagrade laddningarna hos isolermaterialet och risken för elektrostatisk urladdning elimineras.

ESD-skyddande förpackningar

Det är viktigt att skilja mellan metalliserade konduktiva och lågladdande material.
Materialen har skilda elektriska egenskaper och därmed olika användningsområden.

Metalliserade eller skärmande material har ett metallskikt i sig som förhindrar laddningar och elektriska fält att tränga igenom. Metallskiktet i påsarna består vanligtvis av aluminium och ger ett mycket bra skydd för produkterna.

Konduktiva material är ledande. Vanligtvis blandar man kol i plastmaterial för att få önskade egenskaper. Materialet är ålderbeständigt och dess ledande egenskaper är oförändrade även vid låg luftfuktighet.

Materialets konduktiva egenskaper gör det lämpligt att tillverka lådor och askar för hantering där både mekaniskt och skärmande skydd eftersträvas. De skärmande egenskaperna styrs av materialets tjocklek.

Påsar av konduktivt material har därför begränsad skärmningsförmåga jämfört med konduktiva askar eller lådor.

Gränsvärde, ytresistans 100 Ohm - 100 kiloOhm

Lågladdande material (ofta kallade antistatiska) är vanligtvis kemiska behandlade plaster.
Dessa material har inga skärmande egenskaper men behandlingen gör att materialet har begränsad uppladdningsförmåga mot sig själv och andra material. Behandlingen medför att påsarna åldras och bör därför betraktas som färskvara. Lågladdande material rekommenderas endast som förpackningsmaterial för produkter som inte är ESD-känsliga.

Dissipativa material är nära besläktat med egenskaperna hos de konduktiva materialen.
De största skillnaderna är avledningsförmågan till jord som är lägre vilket kan vara till fördel för extremt känsliga produkter.

Gränsvärde, ytresistans  100 kiloOhm - 100 GigaOhm

Isolerande material är material som ej leder ström. Dessa material hör inte hemma i ett ESD-område.

Gränsvärde, ytresistans högre än 100 GigaOhm

Kontroll och underhåll

För att nå en hög kvalitet på ESD-skyddet ska allt ESD-material regelbundet kontrolleras för att säkerställa rätt funktion och kvalitet. Testinstrument finns för att kontrollera handledsband, skor, bänkskivor och golv samt mätinstrument för mätning av statisk elektricitet (laddningar).

Handledsband och skor bör testas varje dag medan övrig utrustning bör testas varje månad.

 

Utbildning

En bra grundutbildning inom ESD är viktig att ha för att få ökad kunskap och förståelse för
hur allt förhåller sig mellan elektrostatiken och den känsliga elektroniken.

Ett bra ESD-skydd vilar i grund och botten på kunskap. Att investera i bra och genomtänkta
produkter för att hantera elektronik och annat ESD-känsligt material är naturligtvis nödvändigt.
Men utan kunskap om hur konstruktion, produktion, logistik, lagerhantering, transporter med
mera ska ske ur ett ESD-perspektiv, kan stora delar av skyddsutrustningen vara en outnyttjad
resurs.

Bild från Ericsson AB, Borås
Bild från Ericsson AB, Borås
Bandgenerator
ESD-sko
Bild från Nordiska ESD-rådets möte