ESD: SLUIPMOORDENAAREN PUBLIEKE VIJAND NR. 1

Kleine vonk met grote gevolgen

Binnen veel bedrijven is ESD (Electro Static Discharge) een stille maar alomtegenwoordige vijand. Er wordt heel wat uit de kast gehaald om te voorkomen dat een ESD-vonk schade kan aanrichten aan componenten, installatie of arbeider. Een overzicht van de mogelijke voorzorgen en beschermingen.

 

TRIBO-ELEKTRISCH EFFECT

Statische elektriciteit is een bekend fenomeen. De kleine schok als u pakweg een metalen deurklink aanraakt, is hooguit wat irritant, want door de relatief beperkte stroomsterkte zijn er nauwelijks lichamelijke gevolgen voor de mens. Vergis u niet, ondanks die beperkte gevolgen kan die elektrostatische ontlading wel tot duizenden volt groot zijn. Dan zijn de gevolgen wel navenant voor gevoelige onderdelen: ze gaan stuk, installaties vallen uit of, indien het gaat om de verkoop van elektronische onderdelen, kunnen dure terugroepacties uw lot zijn. Materialen hebben de neiging om elektrostatische energie op te wekken als ze met elkaar in contact komen. Dat heet het tribo-elektrische effect. De grootte van de lading zal van meerdere factoren afhangen:

• de wrijvingskracht tussen de materialen;
• omgevingscondities zoals vochtigheidsgraad en temperatuur;
• de snelheid van de wrijving;
• de plaats van de stoffen in de Triboreeks.

Triboreeks

Tribo is een Grieks leenwoord en betekent 'wrijving'. De Tribolijst is een reeks waarin de materialen die elektrostatische elektriciteit kunnen opwekken, beschreven staan. De lijst is zo opgesteld dat als twee materialen uit die lijst met elkaar in contact komen, de bovenste van beide positief geladen zal worden en de onderste negatief. Bovendien geldt: hoe meer ruimte er tussen beide in de reeks is, hoe groter de lading zal zijn. De grootte van de elektrostatische energie is afhankelijk van de capaciteit van de drager. Zo kan het menselijke lichaam 250 picofarad dragen. De overeenkomende ontlading kan hiermee oplopen tot 25.000 V, maar gemiddeld zal een werknemer gedurende een werkdag een lading tot 2.500 V verzamelen. Een ontlading van die grootte vormt voor de mens geen gevaar, maar dat is wel het geval voor kwetsbare elektronica.

ONTSTAAN VAN ESD

ESD is eigenlijk de miniatuurversie van bliksem. De lading zoekt een weg met een zo laag mogelijke impedantie, om tot een gelijk potentiaal te komen. In veel gevallen zal ESD zijn weg rechtstreeks naar de grond zoeken via een metalen (machine)frame. Dat is evenwel niet altijd het geval, want die weg kan ook via interne componenten en bekabeling. En hier komt de gevoeligheid van elektronische componenten in het ESD-verhaal. De halfgeleidertechnieken, die gebruikt worden in de transistoren en mosfets van IC's, zijn zeer kwetsbaar. Vooral hun PN-verbindingen kunnen o.i.v. (repetitieve) ESD-ontladingen stukgaan. In veel gevallen zal de schade niet met het blote oog zichtbaar zijn, hoewel er soms brandplekken te zien zijn. Ook kan het gebeuren dat componenten niet meteen stukgaan, maar geleidelijk tekenen van achteruitgang vertonen: ongebruikelijke opwarming, tijdelijke uitval en ongewenst in- of uitschakelen.

Diverse oorzaken

De manier waarop de ESD-vonk opgewekt wordt, kan sterk uiteenlopend zijn:

• Vaak is contact tussen de huid van een operator en de machine de oorzaak;
• Stappen over vloerbedekking;
• Heftruckchauffeurs kunnen u vertellen dat rollend materieel gemakkelijk statische elektriciteit kan opwekken. Voortdurend contact met de vloer zorgt voor veel wrijving;
• Contact met perslucht faciliteert eveneens ESD;
• Aandrijfriemen van motoren;
• Contact tussen synthetische materialen en elektronica;
• Lossen van poeder- en korrelvormige stoffen;
• Afrollen van een papierrol;
• Snelstromende geleidende vloeistoffen zoals benzine in (stalen) buizen;
• Afstrippen van kleefband.

'Contact' betekent niet dat er een rechtstreekse aanraking moet zijn tussen de oppervlaktes. Overslag kan ook plaatsvinden als de afstand ('air gap') tussen beide klein genoeg is.

 

PERSLUCHT EN ESD

Perslucht houdt in twee richtingen een zeker risico in. Ongefilterde perslucht bevat altijd vervuilde partikels zoals olie en stofdeeltjes die statische elektriciteit kunnen genereren als ze in contact komen met printplaten en dergelijke. Maar ook gefilterde perslucht geeft risico's, want door de kracht kan perslucht wrijving veroorzaken door de beweging van andere materialen in gang te zetten. Perslucht en ESD vormen dus een moeilijk verhaal, maar gelukkig is er een oplossing in de vorm van geïoniseerde perslucht. Die kan ingezet worden om stukken te ioniseren - zoals beschreven in het hoofdstuk 'ionisatie' - zodat het risico op een ontlading letterlijk weggeveegd wordt.

 

 

ESD-VRIJE RUIMTE MAKEN

 

Een bedrijfsruimte ESD-veilig maken is voer voor specialisten en gaat een stuk verder dan enkel aangepast schoeisel dragen. Samengevat kan er een ESD-vrije ruimte gecreëerd worden door drie groepen van maatregelen:

• alle isolatoren verwijderen en hen vervangen door geleidende materialen;
• alle geleiders en personen aarden;
• niet-verwijderbare isolatoren neutraliseren met een ionisator.

In de internationale norm IEC 61340 wordt een ESD-vrije ruimte gedefinieerd. Er wordt in dit verband gesproken van een EPA (ESD Protected Area). In die ruimte worden alle vaste entiteiten (vloer, wand, plafond, arbeiders, werkbanken, tools …) op een gelijk elektrisch potentiaal gehouden. Dat gebeurt door alle onderdelen zo veel mogelijk te aarden, gebruik te maken van speciale ESD-werende vloeren en wanden, en door alle gebruikte gereedschappen met elkaar te verbinden. Dat verbinden gebeurt karakteristiek door ze met elkaar te linken aan een weerstand tussen 1 en 10 MΩ. 

Een tweede stap in de creatie van een EPA is dat je isolerende materialen verwijdert of hen zo bewerkt dat ze wel ESD-veilig worden. Denk hierbij bijvoorbeeld aan het aanbrengen van een speciale ESD-werende coating op een wand.

Verder is ook de vloer een belangrijke pijler in een EPA. Beton- of cementvloeren zijn in vele gevallen wel ESD-proof, maar hun vochtgehalte zorgt voor een volatiele weerstand, wat ongewenst is om 100% zekerheid te verkrijgen over de prestatie. De internationale norm IEC 61340-5 eist dat een elektrostatische spanningsopbouw niet meer dan 100 V mag bedragen.

Er zijn hier heel wat aanbieders op de markt, die elk een eigen samenstelling (epoxy, PU en geleidende additieven, maar ook pvc of synthetisch rubber) gebruiken voor hun ESD-werende vloeren. In de meest recente versie van de IEC 61340-5 is een wandeltest van de ESD-werende vloer verplicht gemaakt, waarbij aangetoond wordt dat wandelen over de vloer effectief leidt tot de maximaal toegestane 100 V.

Ioniseren

Ionisatie van de lucht is de derde pijler om omgevingen ESD-proof te maken. Via luchtionisatie worden geladen moleculen (positief en negatief) toegevoegd aan de lucht, die de elektrostatisch geladen oppervlaktes zullen neutraliseren. Een ionisator verspreidt zowel positieve als negatieve ionen via de luchtstroming.

De positief geladen oppervlaktes zullen de negatieve ionen aantrekken, terwijl de negatief geladen oppervlaktes de positieve ionen aantrekken. Belangrijk bij ionisators is dat de luchtstroming voldoende groot is om de bijbehorende ESD-zone te bewerken.

Mobiele entiteiten

Zodra alle vaste onderdelen zoals werktafels en rekken ESD-beveiligd zijn, is het de beurt aan de mobiele entiteiten. Denk aan rolkarretjes, bureaustoelen en heftrucks. Een voortdurende verbinding met een aarding ligt hier moeilijker, dus is preventie hier een van de belangrijkste factoren. Zo is een heftruck een sterke potentiële bron van ESD. Die ESD-veilig maken kan door de aardingsstrip op regelmatige basis te controleren en door te werken met antistatische banden. Maar misschien is het helemaal niet nodig dat de heftruck in de ESD-ruimte passeert?

Bij de afbakening van een EPA-zone is het zaak om de flows van personeel, logistiek en stukken eerst na te kijken en, zo nodig, aan te passen, want voorkomen is ook in de ESD-beveiliging beter dan genezen.

PERSONEEL

De bewegingen van personeel vormen ook een risicobron, maar dat is uiteraard moeilijk in te perken. Personeel dat voornamelijk stationair blijft, moet een polsband dragen die hun een continue aarding geeft, maar dat is niet altijd mogelijk. Hoed u trouwens voor aanbieders van draadloze ESD-polsbanden, want die werken niet afdoende. Aangepast ESD-werend schoeisel en kledij zijn ook voor passanten in ESD-zones een absolute voorwaarde. Een ESD-zone moet daarom goed aangeduid zijn met pictogrammen en vloermarkeringen, en er moeten voldoende oplossingen zijn voor occasionele bezoekers (overalls, schoenstrips). Ook een testopstelling om de efficiëntie van die maatregelen te testen voor ze de ESD-zone betreden, is hierbij belangrijk. Er is een geval bekend van frequente ESD-storingen, ondanks uitgebreide maatregelen van het bedrijf in kwestie.

VERIFICATIE EN OPLEIDING

Alle genomen maatregelen om een EPA te creëren, moeten geverifieerd worden op hun effectiviteit. Hierbij zijn twee metingen nodig: één weerstandsmeting om de weerstand van entiteiten te meten en één veldsterktemeting die de elektrostatische voltages van isolatoren en geleiders kan meten. Zo'n veldsterktemeter duidt ook aan of een stuk negatief of positief geladen is. Belangrijk is dat de metingen gebeuren met correct gekalibreerde toestellen.

Naast verificatie wordt één zaak vaak vergeten in het hele ESD-verhaal: het personeel. Vaak beseffen zij niet welke impact statische elektriciteit heeft op installaties, dus daar is zeker plaats voor een grondige opleiding. Beperk u daarbij niet tot de maatregelen die zij moeten volgen, maar heb het ook en vooral over de gevaren die ze kunnen lopen en de hinder die ze kunnen ondervinden als ze het niet doen. De beste opvolging van maatregelen blijkt nog altijd die die gesteund wordt door elke geleding binnen het bedrijf. Maar net zoals bij veiligheid geldt dat ESD een continu proces is. Ook hier durft de aandacht weleens te slabakken als de initiële stimulans en controle wegvallen.