obrZa bežných okolností sú statická elektrina a elektrostatický výboj len trochu nepríjemné. Statický výboj môže zapáliť horľavé zmesi a poškodiť elektronické súčiastky. Statická elektrina môže pritiahnuť kontaminanty v čistom prostredí alebo spôsobiť, že produkty sa budú navzájom priťahovať.


Náklady na elektronické zariadenia poškodené ESD sa pohybujú od niekoľkých centov za jednoduchú diódu až po niekoľko stoviek eur za kompletné zariadenia. Strata času a obmedzenie výroby v priemysle v dôsledku statickej aktivity sú významné. Keď sa vyčíslia súvisiace náklady na opravu a prepracovanie, prepravu, prácu a režijné náklady, jasne sa ukazujú možnosti na výrazné zlepšenie znižovania rizika ESD a statickej elektriny. Riešenie ako minimalizovať možné poškodenia elektronických súčiastok a ich zostáv elektrostatickým výbojom v elektrotechnickom priemysle nám ponúka norma IEC 61340-5-1.

Čo je to ESD
Elektrostatický výboj je rýchly, spontánny prenos elektrostatického náboja vyvolaného vysokým elektrostatickým poľom. Zvyčajne náboj preteká cez iskru medzi dvoma telesami s rôznymi elektrostatickými potenciálmi po ich vzájomnom priblížení. Skôr, ako dôjde k elektrostatickému výboju, musí nastať nabitie, ktoré môže byť vyvolané jedným z týchto spôsobov:
• Priamym nabíjaním vodivých objektov, ktoré sú nabité – prenos náboja;
• Elektrostatickou indukciou;
• Triboelektrickým nabíjaním.
Všetky materiály, vrátane vodičov, môžu byť triboelektricky nabité. Množstvo náboja je ovplyvnené typom materiálu, rýchlosťou kontaktu a oddeľovania, vlhkosťou a niekoľkými ďalšími faktormi.

tab1
Tab. 1: Príklady vzniku elektrostatického napätia a jeho úrovne

 

Ako sa prejavuje ESD a ako ovplyvňuje kvalitu výrobkov
Elektrostatický výboj môže poškodiť zariadenia tak, že súčiastka alebo zariadenie okamžite zlyhá, alebo poškodenie ESD môže predstavovať skrytú chybu, ktorá nemusí byť zistená pri prvotných testoch, ale môže spôsobiť predčasné zlyhanie zariadenia. Elektrostatické výboje sa môžu vyskytnúť počas výrobných, skúšobných, prepravných, manipulačných alebo prevádzkových procesov a počas prevádzky v teréne. Poškodenie ESD môže nastať v dôsledku výboja do súčiastky, zo súčiastky alebo z prenosu náboja, ktorý je výsledkom elektrostatických polí. Zariadenia a súčiastky sa výrazne líšia v citlivosti alebo náchylnosti na ESD.

Elektrostatika a antistatická ochrana
Ochrana výrobkov pred účinkami poškodenia ESD sa začína pochopením kľúčových pojmov elektrostatických nábojov a elektrostatických výbojov. Ochranu elektronických súčiastok pred elektrostatickými javmi nazývame antistatická ochrana. Základným európskym štandardom, ktorý sa zaoberá požiadavkami potrebnými pre návrh, presadenie, zavedenie a udržiavanie programu potlačovania elektrostatického výboja vzťahujúcim sa na výrobu, spracovanie, montáž, inštaláciu, balenie, nalepením štítkov, servisu, skúšania, kontrolovania, prepravy alebo inou manipuláciu s elektrickými alebo elektronickými súčiastkami, zostavami a prístrojmi citlivými na poškodenie elektrostatickým výbojom vyšším alebo rovným s výbojom 100 V modelu ľudského tela (HBM), 200 V modelu nabitej súčiastky (CDM) a 35 V na osamelých vodičoch, je norma IEC 61340-5-1 Edition 2.0: 2016-05.
Štandard IEC 61340-5-1, Medzinárodnú normu IEC 61340-5-1, vypracovala technická komisia IEC/TC 101 Elektrostatika. Momentálne je platné druhé vydanie IEC 61340-5-1 Edition 2.0: 2016-05, ktorým bolo nahradené prvé vydanie z roka 2007. Toto vydanie je technickou revíziou. Pri zavedení normy IEC 61340-5-1 sa použije ako návod inštrukcia IEC/TR 61340-5-2.
Norma IEC 61340-5-1 popisuje požiadavky na program potlačovania ESD, ktoré sú nevyhnutné pre zostavenie programu pre manipuláciu s citlivými súčiastkami (ESDS), ktorý je založený na historickej skúsenosti vojenských a obchodných organizácií.

* * * * *
Pre kvalifikáciu elektronických súčiastok sa používajú tri rôzne modely:
• model ľudského tela (HBM),
• model stroja (MM),
• model nabitého zariadenia (CDM).
* * * * *

Príklady ESDS sú mikroobvody, diskrétne polovodičové súčiastky, hrubo a tenkovrstvové rezistory, hybridné súčiastky, dosky s plošnými spojmi a piezoelektrické kryštály. Chúlostivosť zariadenia možno stanoviť vystavením zariadenia simulovaným ESD. Úroveň citlivosti stanovená skúšobnými simulovanými ESD nemusí nevyhnutne zodpovedať úrovni citlivosti v reálnej situácii.
Tieto údaje sa však používajú ako základňa na stanovenie chúlostivosti pri porovnaní zariadení s rovnakým počtom častí od rôznych výrobcov.

Dôležité zásady potlačovania ESD, ktoré tvoria základ normy IEC 61340-5-1
• Zabrániť výboju z akéhokoľvek nabitého vodivého objektu (osoby a zvlášť zariadenia na automatickú manipuláciu) do ESDS. To možno zabezpečiť pospájaním alebo elektrickým pripojením všetkých okolitých vodičov vrátane personálu k známemu uzemneniu alebo umelej zeme (ako je to na palube lode alebo lietadla). Toto pripojenie vytvára rovnováhu potenciálov medzi všetkými vodivými predmetmi a pracovníkmi. Elektrostatická ochrana môže byť udržiavaná na odlišnom potenciáli od nulového potenciálu zeme, pokiaľ sú všetky vodivé predmety v systéme na tom istom potenciáli.

obr1
Systém uzemnenia pomocou ochrannej zeme

 

• Zabrániť výboju z ľubovoľne nabitej súčiastky citlivej na ESD. K nabitiu môže dôjsť v dôsledku priameho kontaktu a oddelenia, alebo náboj môže byť indukovaný elektrickým poľom. Nevyhnutné izolanty v okolí nestratia svoj elektrostatický náboj pripojením k uzemneniu. Ionizačné systémy zabezpečujú neutralizáciu elektrostatických nábojov na týchto izolantoch (materiál dosiek plošných spojov a niektoré puzdrá súčiastok sú príkladmi nevyhnutých izolantov). Riziká ESD vytvorené elektrostatickým nábojom na nevyhnutných izolantoch na pracovnej ploche sú hodnotené pre zaručenie, že zavedené opatrenia sú primerané riziku.

obr2
Ventilátorový stolový ionizátor

 

• Môžu byť vyžadované obaly chrániace proti ESD pre citlivé predmety mimo vyhradeného priestoru (EPA) s ochranou proti elektrostatickému výboju, pretože mimo EPA nie sú chránené. Ochranu pred ESD možno dosiahnuť uzavretím výrobkov citlivých na ESD v materiáloch chrániacich pred ESD. Typ ochranného materiálu sa volí podľa situácie a miesta určenia.

obr3
Vyhradený priestor EPA – chránená zóna


Vo vnútri EPA môžu primeranú ochranu poskytovať elektrostaticky disipatívne materiály. Mimo EPA sa odporúčajú elektrostaticky tieniace materiály. Ďalšie informácie o týchto materiáloch sú uvedené v norme IEC61340-5-3.
Každá spoločnosť používa iné procesy a bude požadovať rôznu kombináciu preventívnych ESD opatrení pre optimálny program potlačovania ESD. Je dôležité, aby tieto opatrenia boli zvolené na základe technickej špecifikácie a aby boli starostlivo dokumentované v pláne programu potlačovania ESD tak, aby v požiadavkách programu boli zohľadnené všetky požiadavky.

obr4a obr4b
Obal disipatívny – ružový Obal tieniaci – metalický

 

Školenie je dôležitou časťou programu potlačovania ESD. Musí sa zabezpečiť, aby príslušný personál rozumel prístrojom a postupom a aby ich používal v zhode s plánom programu potlačovania ESD. Školenie je dôležité pri zvyšovaní povedomia a porozumenia problémom ESD. Neškolený personál je často hlavným zdrojom rizika ESD. Personál sa pomocou školenia stáva prvou účinnou obranou proti poškodeniu elektrostatickým výbojom ESD.

obr5
Školenie ESD koordinátorov

 

Pravidelné kontroly a skúšky overujúce zhodu sú dôležité pre zaručenie, že všetko zostáva efektívne a že program potlačovania ESD bol zavedený správne, v zhode s plánom programu potlačovania ESD.

Bezpečnosť nadovšetko
Postupy a prístroje popísané v norme IEC 61340-5-1 môžu vystaviť personál elektrickému riziku a možnému zásahu elektrickým prúdom. Používatelia tejto normy zodpovedajú za výber zariadenia, ktoré je v zhode s príslušnými zákonmi a predpismi, vonkajšou a vnútornou politikou príslušnej organizácie. Používatelia sa upozorňujú, že táto norma nemôže nahradiť alebo rušiť žiadne požiadavky na bezpečnosť personálu. Musia sa rešpektovať pravidlá pre zníženie rizika úrazu elektrickým prúdom a musia byť dodržané príslušné pokyny pre uzemnenie prístrojov.

obr6
EBP svorka na pripojenie položiek v EPA
obr7a obr7b
Káblik na pripojenie ESD náramku ESD náramok

 

Program potlačovania ESD
Potlačovanie ESD musí zahŕňať všetky administratívne a technické požiadavky normy IEC 61340-5-1. Organizácia musí zostaviť, dokumentovať, zaviesť, udržiavať a overovať zhodu s týmto programom. Rozvoj a realizácia samotného programu je zrejmá. Čo nemusí byť také zrejmé, je potreba priebežne kontrolovať, auditovať, analyzovať, získavať spätnú väzbu a zlepšovať. Audit je nevyhnutný pre zabezpečenie úspešnosti programu kontroly ESD. Budete požiadaní, aby ste neustále zisťovali návratnosť investícií programu a zdôvodnili realizované úspory. Technologické zmeny diktujú vylepšenia a úpravy. Spätná väzba pre zamestnancov a vrcholový manažment je nevyhnutná. Plán by mal zahŕňať rozsah programu a zahŕňať úlohy, činnosti a postupy potrebné na ochranu citlivých položiek ESD na, alebo nad úroveň citlivosti ESD zvolenej pre plán. Príprava a distribúcia písomných postupov a špecifikácií tak, aby všetky oddelenia jasne pochopili, čo sa má robiť. Úplne zdokumentované postupy vám pomôžu splniť administratívne a technické požiadavky IEC 61340-5-1, pomôcť vám pri certifikácii podľa ISO 9001 a v neposlednom rade môžu pritiahnuť nových zákazníkov.
Efektívny program kontroly ESD vyžaduje efektívny tréningový program, v ktorom všetci zainteresovaní pracovníci rozumejú kľúčovým konceptom. Vyzbrojení týmito informáciami, môžu začať rozvíjať efektívny program kontroly ESD.

obr8
Program potlačovania ESD v organizácii

 

Štruktúra programu potlačovania ESD

tab2
Tab. 2: ČSN EN 61340-5-1 ed.3: 2017 – Požiadavky na priestor EPA

 

Vysvetlivky k tabuľke 2
a) Pre kvalifikáciu výrobku by podmienky prostredia na skúšky mali byť (12 ± 3) % relatívnej vlhkosti a (23 ± 2) °C. Pokiaľ citovaná norma IEC nestanoví minimálnu dobu aklimatizácie pred skúškou pre kvalifikáciou výrobku, potom by táto doba mala byť 48 hodín.
b) Skúšobné metódy v stĺpci pre overovanie zhody sa vzťahujú iba na základný skúšobný postup a neočakáva sa kompletné vykonanie skúšobnej metódy.
c) Rp-p v tabuľke označuje rezistenciu medzi dvoma bodmi, Rg označuje rezistenciu k zemi, Rgp označuje rezistenciu k uzemniteľnému bodu.
d) Maximálne povolené skúšobné napätie pre meranie ESD podlahy, ktoré by malo byť použité pre ESD. Program zodpovedajúci tejto norme je 100 V.
e) Ak je podlaha použitá na uzemnenie personálu, ktorý manipuluje s ESDS, potom požiadavky na systém sú v tabuľke 2.
f) V prípadoch, kde sa uvažuje poškodenie podľa modelu nabitej súčiastky (CDM), sa odporúča spodná hranica rezistencie medzi bodmi 1x10⁴Ω
g) Pracovné povrchy sú definované ako ľubovoľný povrch, na ktorom je umiestnený nechránený predmet, citlivý na ESD.

obr9
Predmety pre potlačovanie ESD

 

Záver
Dodržaním a používaním štandardu IEC 61340-5-1 je možné minimalizovať poškodenia citlivých zostáv alebo citlivých súčiastok ESDS zapríčinených elektrostatickým výbojom ESD. Najčastejšou príčinou poškodenia ESD je človek reprezentovaný modelom HBM, preto je potrebné klásť najväčší dôraz na školenie personálu. Pokiaľ ESD koordinátor a jeho tím rozumejú danej problematike, s podporou vedenia organizácie môžu systém neustále vylepšovať. Norma IEC 61340-5-1 je základným dokumentom v tejto oblasti a priamo v nej sa odkazuje na normy s ňou súvisiace, ktoré sú nevyhnutné pre jej použitie.
V dnešnom globálnom prostredí sa pri tejto problematike môžeme stretnúť i so štandardom ANSI/ESD S20.20-2014 (hlavne v teritóriu Ameriky a Ázie), z ktorého čerpal i štandard IEC 61340-5-1.

TEXT: Ing. Peter Králik, ZTS Elektronika SKS