Выпуск #6/2013
А.Вотинцев
Электростатическая защита на предприятиях. Теория и практика
Электростатическая защита на предприятиях. Теория и практика
Просмотры: 1720
Несоблюдение правил антистатической защиты на производстве может привести к появлению дефектов, в том числе и таких, которые через некоторое время проявляются при эксплуатации готовых изделиях. Антистатические зоны на предприятиях должны быть оборудованы системами общего индивидуального заземления, в них должны применяться только специальные мебель, рабочие столы, напольные покрытия и т.п. Для обеспечения эффективного функционирования систем антистатической защиты необходимо проводить регулярную проверку их работоспособности.
Теги: electrostatic protection industrial engineering организация производства электростатическая защита
Человек столкнулся с проблемой статического электричества еще в X веке нашей эры. При строительстве фортификационных сооружений из-за проявления статического электричества случалось возгорание черного пороха. Пожары возникали на текстильных, мукомольных, бумажных фабриках. С развитием науки, в XVII – XVIII веке статическое электричество начали исследовать и изучать возможности его практического применения, а именно – накопление и воспламенение с его помощью различных материалов. С изобретением же батареи постоянного тока интерес к статическому электричеству отошел на второй план.
Однако с началом промышленной революции XIX века проблемы, связанные со статическим электричеством, снова стали важны. Трущиеся части машин порождали статический заряд, который опять становился причиной пожаров, взрывов и поражения людей электричеством вплоть до летального исхода. Самая известная катастрофа, случившаяся (по одной из версий) из-за статического электричества, – крушение дирижабля "Гинденбург" в 1937 г. Во время швартовки дирижабля к мачте возникла разница потенциалов между оболочкой дирижабля и его каркасом. Возникший электростатический разряд вызвал взрыв воздухо-водородной смеси, которой был заполнен дирижабль. Катастрофа унесла жизни 36 человек. В 1947 году прошлого века был изобретен транзистор, а в 1960 – создана первая работоспособная интегральная схема. Ее элементы имели достаточно крупные размеры, поэтому первые микросхемы были нечувствительны к статическому электричеству. Однако со временем микросхемы становились все сложней, плотность их элементов возрастала. Количество транзисторов в современной микросхеме может достигать миллионов и даже миллиардов штук! При этом сами компоненты становятся все меньше, а слои, на которых они размещаются, – тоньше. Такие миниатюрные устройства крайне чувствительны к электростатике, – убытки, понесенные мировой электронной промышленностью из-за статического электричества за прошлый год, составили около пяти триллионов долларов – эта сумма может сравниться с ВВП некоторых стран!
Возникновение статического электричества
Каждый из нас сталкивался со статическим электричеством в быту – расчесывание сухих волос пластиковой расческой, хождение по ковру или какому-либо синтетическому напольному покрытию, надевание или снятие одежды. Одно из последствий появления статического заряда – оседание пыли и грязи на пластиковых поверхностях. Мы не придаем значения этим явлениям и не задумываемся об их природе.
Что же такое статический заряд? Из курса физики мы помним, что атомы вещества состоят из электронов, протонов и нейтронов. Если материал имеет избыточное количество электронов, его заряд отрицательный, а если больше протонов – положительный. Заряд могут иметь практически все вещества – жидкие, твердые, газообразные и их комбинации, причем заряжаться могут как различные материалы, так и одинаковые, но, например, с отличающимися плотностями, механическими напряжениями и т.д. Важно понимать, что все вокруг нас имеет какой-то отличный от нуля заряд, и абсолютно нейтральных тел в природе не бывает.
Пути возникновения электростатического заряда можно разделить на три группы:
трибоэлектрический, от греческого "трибос" – трение;
контактный;
индукционный;
единичная поляризация из-за коронного разряда.
Во всех случаях один материал теряет электроны, которые переходят на поверхность другого (рис.1).
Типовой пример возникновения статического заряда из-за трения – ходьба по напольному покрытию. В процессе ходьбы происходит постоянное соединение и разделение разнородных материалов обуви и напольного покрытия. Человеческое тело обладает хорошей проводимостью и может удерживать и накапливать электрические заряды, поэтому заряд, накопленный во время ходьбы, может достигать нескольких десятков киловольт.
При контакте двух объектов, один из которых заряжен, происходит перераспределение электронов между ними. Если один из объектов был заряжен отрицательно, он передаст избыточные электроны второму объекту.
Индукционный способ возникновения заряда – бесконтактный. Если заряженный объект разместить в электромагнитном поле другого объекта, внутри проводника происходит перераспределение заряда. При заземлении проводника положительные заряды уходят, и в итоге у нас получается отрицательно заряженный объект.
Также объект может получить статический заряд при помощи коронного разряда. При подаче высокого напряжения на игольчатый электрод воздух вокруг него ионизируется. Ионы, попадающие на поверхность объекта, заряжают его положительно или отрицательно.
На образование статического заряда влияют следующие факторы:
тип материала – некоторые материалы более склонны к порождению статических зарядов;
площадь контакта материалов;
проводимость материалов – здесь зависимость обратная: чем больше проводимость, тем меньший возникает заряд;
скорость разделения материалов;
влажность окружающей среды. Замечено, что зимой, когда влажность воздуха ниже, усугубляются проблемы со статическим электричеством.
Электростатический разряд
Электростатический разряд – это передача электростатического заряда от одного объекта к другому, происходящая через непосредственный контакт объектов или индуцированная электростатическим полем. Мы можем чувствовать разряд напряжением порядка 3000 В, который может возникнуть, например, при касании металлической дверной ручки после хождения по ковру (табл.1). Разряд напряжением 5000 В можно не только почувствовать, но и услышать, а при напряжении 10000 В и выше разряд становится виден.
Как мы видим, напряжение привычных нам "бытовых" статических разрядов довольно велико. 90% всех дефектов радиокомпонентов, вызванных статическим разрядом, вызваны гораздо меньшими напряжениями. Современная микросхема средней сложности содержит около 10 млн. транзисторов. Толщина оксидного слоя между отдельными компонентами уменьшилась до 10 нм, что означает чувствительность к напряжению статического разряда около 10 В. При этом нагрузка, которую компонент испытывает при воздействии статического разряда, обычно рассчитывается для единичного импульса; их последовательность переносит значительно больше энергии.
Отказы, вызванные статическим разрядом, могут быть явные (фатальные) и скрытые (плавающие). Фатальный отказ легко выявить при тестировании изделия – оно попросту перестает работать. Примером такого отказа может быть пробой p-n-перехода (рис.2а) или расплавление разварочной проволоки в корпусе микросхемы (рис.2б). Но скрытые дефекты нельзя диагностировать сразу. При тестировании изделие может работать с небольшими отклонениями либо не выполнять всех своих функций. Но при штатной эксплуатации подобные дефекты начинают проявляться особенно остро, так как в этом случае режим работы изделия не такой, как при тестировании.
Дефекты, возникающие из-за электростатических разрядов, могут возникать на всех этапах производства компонентов и сборки готовых изделий. Наибольшее количество дефектов появляется до установки компонента, на стадии его производства. Но бытующее мнение о том, что установленный на плату компонент не подвержен действию статических разрядов, неверно. Платы с чувствительными к статике компонентами необходимо защищать от ее действия, для этого на производстве организуют зоны, защищенные от статического электричества.
Основы антистатической защиты
Антистатические зоны могут быть локальными – отдельное рабочее место или производственный участок, либо же охватывать целый цех. Напряженность электростатического поля в этих зонах не должна превышать 10 кВ/м (100 В/см). Для того чтобы обезопасить помещение от электростатических разрядов, необходимо:
привести все объекты к одному потенциалу (заземлить), так как только при этом условии не будет перетекания зарядов с одного объекта на другой. Этот общий потенциал может быть равен земляному либо отличен от него;
минимизировать образование статического электричества внутри рабочей зоны, применяя антистатические материалы.
Заземлению подлежат все проводящие объекты. Диэлектрики следует либо удалить из антистатической зоны, либо, если это невозможно, оградить их от чувствительных к статике изделий. В антистатических зонах применяются специальные антистатические материалы, из которых изготавливаются напольные покрытия, мебель, специальная одежда и прочие необходимые в рабочей зоне предметы.
Любой материал становится антистатическим при добавлении в него проводящих (технический углерод, графит, металлические волокна и частицы, проводящие полимеры и т.д.) или рассеивающих (химические и антистатические добавки, полимеры) включений. Основная характеристика антистатических материалов, от которой зависят их свойства, – поверхностное сопротивление. Классифицируя материалы по этому параметру, можно разделить их на три группы (ГОСТ Р 53734.5.1–2009):
проводящие, имеющие поверхностное сопротивление 102–105 Ом;
изолирующие, сопротивлением 1011–1015 Ом;
рассеивающие, обладающие свойствами
и проводящих, и изолирующих материалов 105–1011 Ом.
Далее мы рассмотрим основные элементы системы электростатической защиты и метод их проверки.
Системы персонального заземления
Сотрудники предприятия, которые выполняют сидячую работу, – монтажники, наладчики и т.д., в качестве средств персонального заземления применяют браслеты с витым проводом (рис.3). Согласно стандарту ГОСТ Р 53734.5.1–2009,
их сопротивление должно быть не больше 3,5·107 Ом. Заземляющие браслеты могут быть различными по форме, цвету и изготовлены из различных материалов. Они должны сидеть на руке плотно, удобно, не мешать работе и не вызывать аллергии. Витой провод должен обеспечивать надежное соединение с точкой заземления и в то же время быстрое отключение при нештатных ситуациях.
При организации системы заземления для персонала в цепях необходимо предусмотреть так называемый резистор безопасности 1 МОм (рис.4). Он ограничивает ток, протекающий в цепи между человеком и землей при стекании заряда, что исключает негативные воздействия этого тока на человека.
Тем сотрудникам, которые много ходят в пределах антистатической зоны, необходимо носить специальную обувь (рис.5), – заземление в этом случае осуществляется через нее и напольное покрытие. Сопротивление проводящей подошвы должно быть равным примерно 106 Ом. Обувь должна быть комфортной и иметь соответствующую маркировку, подтверждающую ее антистатические свойства. Если использование специальной обуви неприемлемо (например, для редких посетителей антистатической зоны), можно применять антистатические бахилы, заземляющие хомуты на обувь либо одноразовые заземляющие полоски, которые обеспечивают контакт между напольным покрытием и телом, отводя с него статический заряд.
Для проверки работоспособности систем персонального заземления применяются тестеры браслетов и обуви (рис.6), измеряющие сопротивление цепи "обувь – человеческое тело и браслет – соединяющий провод". Согласно стандарту ГОСТ Р 53734.5.1–2009, величина этого сопротивления должна находиться в диапазоне 5·104–108 Ом. Существуют более совершенные тестеры, которые, помимо непосредственной проверки средств антистатической защиты, идентифицируют сотрудника с помощью RFID-меток и записывают данные тестирования для последующего анализа. Системы тестирования также могут быть сопряжены с механизмами контроля доступа – турникетами, замками и т.д., которые попросту не пропустят человека с неэффективной антистатической защитой.
Следует иметь в виду, что при проверке, например, покрытия электроды тестера имеют заведомо лучшие проводящие свойства, чем подошва обуви, которая будет прикасаться к напольному покрытию. Таким образом, правильное функционирование отдельных элементов заземления не означает работоспособности всей системы, поэтому в соответствии с ГОСТ Р 53734.4.5–2010 необходимо проводить ее проверку в комплексе, в частности, измерять статическое электричество, возникающее при ходьбе человека.
Специальная одежда
Статическое электричество появляется во время выполнения любых действий и движений человека. Поэтому в антистатической зоне необходимо носить специализированную одежду (халаты и т.д.), которая обеспечивает "стекание" электростатического заряда с тела человека и экранирует чувствительное к статике окружение от заряда, скопившегося на неантистатической одежде сотрудника. В ткань, из которой изготовлена антистатическая одежда, вплетены проводящие волокна, образующие сетчатую структуру, которая, наподобие клети Фарадея, экранирует статический заряд, имеющийся на человеке. Одевая антистатический халат, необходимо обязательно застегивать его на все пуговицы или кнопки. Нельзя допускать, чтобы какие-либо части повседневной одежды оставались наружи. Соблюдение этих условий обеспечит хорошее экранирование чувствительного окружения от внутреннего статического заряда.
Современная антистатическая спецодежда начинает терять свои свойства после 100 циклов стирки. Однако проверять ее защитные способности нужно после каждой стирки (рис.7). Измерения проводятся в соответствии с ГОСТ Р 53734.4.9-2012/ГОСТ Р 53734.2.3–2010. Согласно ГОСТ Р 53734.5.1–2009, рекомендуемая величина измеренного сопротивления должна быть менее 1012 Ом.
Защита рабочих мест
Все элементы рабочего места должны быть заземлены или приведены к одному потенциалу. Не стоит пренебрегать главным правилом заземления – стекание заряда не должно быть слишком быстрым. Столешница рабочего стола может быть изготовлена из твердой древесно-стружечной плиты с дополнительным наполнением, обеспечивающим прохождение заряда через объем плиты.
Часто в качестве рабочих поверхностей применяются различные антистатические коврики (рис.8) из синтетических каучуков или поливинилхлорида. Современные коврики бывают многослойными: по верхнему слою заряд стекает плавно, а нижний проводящий обеспечивает удаление заряда с рабочей поверхности.
Тестирование рабочих поверхностей проводится по тому же принципу, что и проверка спецодежды. Замеряется сопротивление между двух точек поверхности и цепи "поверхность–земля" (рис.9). По стандарту ГОСТ Р 53734.5.1–2009 значения сопротивлений для рабочих поверхностей должны быть менее 1·109 Ом. К рабочим поверхностям относятся абсолютно все элементы рабочего места – сама столешница, полки стеллажей, тележек, сиденья стульев и т.д.
Антистатические напольные покрытия
Антистатические напольные покрытия предназначены для снятия зарядов с сотрудников, а также мебели, тележек и прочих предметов, находящихся в защищенной зоне. Эти покрытия, как и рабочие коврики, могут быть изготовлены из ПВХ или синтетической резины. Кроме постоянного выполнения своей антистатической функции, они должны быть устойчивы к истиранию обувью, стульями и тележками на колесах, каплям припоя и химических реагентов, быть простым в обслуживании и, конечно, иметь эстетичный внешний вид.
Для того чтобы средства антистатической защиты эффективно выполняли свои задачи, необходимо проводить проверку их работоспособности. Для оценки антистатических свойств покрытий проводятся измерения поверхностно-объемного сопротивления образца покрытия. Как правило, такие замеры должны производиться при низких уровнях влажности – не более 12%. Для этого образец просушивается в лабораторных условиях в течение 24–96 ч.
Антистатическая упаковка
Для антистатической защиты готовых изделий и компонентов применяется антистатическая упаковка – пакеты, пленки, в том числе и воздушно-пузырчатые, различные вспененные материалы, контейнеры, ящики, ячейки, лотки, коробки для транспортировки изделия и т.д. Эта упаковка не должна создавать значимого статического заряда при трении, рассеивать имеющийся заряд и защищать от электростатического разряда. На всех антистатических упаковочных материалах должны быть соответствующие символы (рис.10) и название и логотип фирмы-производителя; желательно наличие символа вторичной переработки, означающего, что этот материал не будет загрязнять окружающую среду.
Под предупредительным символом (рис.10б) может находиться литера с указанием либо типа упаковки (S – shielding, защитная; С – conducting, проводящая; D – dissipative, рассеивающая). Этим символом также отмечают защищенные от электростатики зоны; в этом случае под ним находится аббревиатура EPA (Electrostatic protected area).
Проводящие материалы, как правило, имеют характерный черный цвет, обусловленный добавками углерода, которые обеспечивают проводимость материала. Рассеивающие материалы могут быть различных цветов – розового, зеленого, голубого, в зависимости от добавок. Защитные материалы, из которых изготавливаются металлизированные пакеты, коробки и т.д., имеют многослойную структуру и выполняют двойную функцию: экранируют содержимое упаковки от воздействия внешних электростатических полей и не допускают образование заряда внутри упаковки, обеспечивая его контролируемое стекание.
Ионизация
Для нейтрализации электростатических зарядов на изолированных проводниках и изоляторах наряду с защитой типа "клетка Фарадея", в роли которой выступает корпус прибора, транспортного средства, где он находится и т.д., применяется рассеивание статического заряда ионизацией.
В промышленности применяются две технологии ионизации – с помощью радиоактивных элементов или коронного разряда. Первый способ годится для работы во взрыво- или пожароопасных окружениях, когда малейшая искра может вызвать катастрофу. Радиоактивный материал испускает частицы с достаточной для образования положительных и отрицательных ионов воздуха энергией.
В коронном ионизаторе (рис.11) ионы воздуха образуются у электродов конической формы, к которым приложено переменное, постоянное или пульсирующее высокое напряжение. Попадая на объекты, имеющие статический заряд, ионы нейтрализуют его.
Эффективность работы ионизаторов определяется с помощью специальных анализаторов. Основной элемент этих приборов – тестовый электрод размером 15×15 см, который заряжается напряжением порядка 1000 В обеих полярностей поочередно. Ионизатор обдувает этот электрод, и по динамике изменения заряда на нем определяются исправность ионизатора и время, за которое заряд снизится до заданного значения (например, до 100 В). Если ионизатор неисправен, статический заряд на обдуваемом электроде может не только не уменьшаться, но и увеличиваться.
Стандарты и аудит
В России стандарты, связанные с электростатической защитой, были введены в эксплуатацию сего лишь несколько лет назад. Действующие сегодня стандарты опираются на соответствующие международные стандарты МЭК (табл.2). Все описанные стандарты можно приобрести в специализирующихся на их распространении организациях.
Ответственность за соблюдение стандартов на предприятиях возлагается на координатора. В обязанности координатора входит непосредственное обеспечение электростатической защиты, проведение соответствующих измерений, обучение персонала, оценка и классификация защитных свойств применяемых материалов и организация аудита. Под аудитом подразумевается регулярная проверка оборудования, инструментов и оснащения, рабочих мест и пространств, персонала, входного контроля, закупок, доставки и обслуживания на предмет соответствия нормам электростатической защиты. Аудит может проводиться как сотрудниками компании, имеющими соответствующую квалификацию, так и приглашенными специалистами. Последовательность действий при аудите описана в ГОСТ Р 53734.5.1. Ежедневно должны проверяться заземляющие браслеты и обувь, ежемесячно – общее заземление, ионизация воздуха, каждые шесть месяцев должен проводиться выборочный контроль электростатических полей, сигнализации, маркировки и одежды, и ежегодно – всех систем защиты от электростатики в соответствии с ГОСТ Р 53734.5.1–2009. После проведения аудита составляется отчет, в который заносятся значения величин, полученных при измерениях. Требования к антистатической продукции сведены в табл.2.
Минимально необходимый набор
для обеспечения антистатической защиты
После ознакомления с материалами о статике и защите от нее возникает естественное желание составить список самых необходимых мер по обеспечению антистатической защиты. Задача эта непроста, так как каждое производство имеет свои специфические особенности. Как основу комплекса антистатической безопасости предприятия можно рекомендовать следующие материалы:
антистатические рабочие места или антистатические рабочие поверхности;
антистатические напольные покрытия или напольные коврики;
средства персонального заземления (ручные браслеты и заземляющие хомуты, шнуры заземления, обувь, одежда, перчатки и др.);
упаковочные материалы;
тестовое оборудование (тестер заземляющих браслетов и обуви);
информационные таблички на входе в электростатически защищенные помещения, этикетки на антистатических рабочих местах.
Минимальное рабочее место состоит из рабочей поверхности, заземляющего браслета с витым проводом и проводов заземления. Тестер заземляющих браслетов необходим для того, чтобы убедиться, что браслет функционирует корректно и соответствует своим параметрам. Тестер непрерывного контроля нужен для проверки параметров заземляющих браслетов во время работы персонала.
Важный элемент антистатической защиты – обучение, к которому привлекаются:
высшее руководство (для понимания и поддержки);
инженерно-технический персонал (определение материалов для новых изделий);
снабжение (поддержание материально-технических запасов);
приемка (корректная и правильная обработка чувствительных изделий; не принимаются компоненты в нарушенной упаковке);
склад (безопасное обращение и транспортировка электронных изделий);
производство (обращение, обработка и транспортировка);
отгрузка (обработка, упаковка, транспортировка).
Самая сложная задача – побудить персонал применять средства, контролирующие статику. Для этого нужно обучать и мотивировать сотрудников. Необходим непрерывный контроль параметров и характеристик материалов, функциональности приборов и соблюдения требований антистатической защиты.
Браслеты ломаются, рабочие поверхности изнашиваются, люди не выполняют процедуры, необходимые для контроля и защиты от статического электричества, – в итоге повреждения от статики могут появиться, даже если хотя бы одно звено технологической цепочки не будет соблюдать правил антистатической защиты.
Выводы
Введение первоначального уровня защиты от статики позволит предприятию сэкономить средства на ремонт и отладку готовых изделий. Существуют производства, на которых за счет введения антистатической защиты начального уровня удалось уменьшить количество дефектов на 60%. Такие примеры производят сильное впечатление на другие компании, которые начинают требовать от своих поставщиков введения аналогичных программ по защите от статики.
Многие программы завершаются после установки и выполнения первичной защиты от статики – приобретения и размещения антистатических изделий и материалов на рабочих местах. Однако, в зависимости от конкретных условий, есть возможности уменьшить расходы на первичную защиту.
Основные рекомендации контроля статического заряда таковы:
если материал проводящий, то заземлите его, т.к. даже проводники, находящиеся в равновесном состоянии, могут быть заряжены трибоэлектрическим методом;
если материал – изолятор, то удалите его из рабочей зоны или сделайте его проводящим, а затем заземлите;
если материал не может быть сделан проводящим или удален из рабочей зоны, то оградите его;
контролируйте заряд на персонале, так как люди являются основным источником образования статических зарядов и электростатической разрядки;
контролируйте величину электростатического заряда на предметах (уровень заряда зависит от используемых материалов, скорости контакта и разделения, уровня влажности окружающей среды и других факторов);
не допускайте появления электростатического заряда во время производства изделия, его испытаний, отгрузки, обработки или других операций. Применяйте средства персонального заземления (браслеты, одежду, обувь), антистатическую тару и упаковку, антистатическую мебель, системы хранения и транспортировки, антистатические напольные и настольные покрытия;
определите наиболее чувствительный к статическому электричеству компонент. Защитите его от повреждений, которые могут возникать как при его непосредственном контакте с другими устройствами, так и от косвенного воздействия электростатических полей;
контролируйте уровень влажности, где это возможно. Уровень относительной влажности воздуха должен быть не ниже 40%.
Защита ваших устройств от воздействия статического электричества зависит от понимания ключевых концепций электростатической защиты. Обладая этой информацией, вы можете разрабатывать эффективные программы по защите ваших устройств от статического электричества. ●
Однако с началом промышленной революции XIX века проблемы, связанные со статическим электричеством, снова стали важны. Трущиеся части машин порождали статический заряд, который опять становился причиной пожаров, взрывов и поражения людей электричеством вплоть до летального исхода. Самая известная катастрофа, случившаяся (по одной из версий) из-за статического электричества, – крушение дирижабля "Гинденбург" в 1937 г. Во время швартовки дирижабля к мачте возникла разница потенциалов между оболочкой дирижабля и его каркасом. Возникший электростатический разряд вызвал взрыв воздухо-водородной смеси, которой был заполнен дирижабль. Катастрофа унесла жизни 36 человек. В 1947 году прошлого века был изобретен транзистор, а в 1960 – создана первая работоспособная интегральная схема. Ее элементы имели достаточно крупные размеры, поэтому первые микросхемы были нечувствительны к статическому электричеству. Однако со временем микросхемы становились все сложней, плотность их элементов возрастала. Количество транзисторов в современной микросхеме может достигать миллионов и даже миллиардов штук! При этом сами компоненты становятся все меньше, а слои, на которых они размещаются, – тоньше. Такие миниатюрные устройства крайне чувствительны к электростатике, – убытки, понесенные мировой электронной промышленностью из-за статического электричества за прошлый год, составили около пяти триллионов долларов – эта сумма может сравниться с ВВП некоторых стран!
Возникновение статического электричества
Каждый из нас сталкивался со статическим электричеством в быту – расчесывание сухих волос пластиковой расческой, хождение по ковру или какому-либо синтетическому напольному покрытию, надевание или снятие одежды. Одно из последствий появления статического заряда – оседание пыли и грязи на пластиковых поверхностях. Мы не придаем значения этим явлениям и не задумываемся об их природе.
Что же такое статический заряд? Из курса физики мы помним, что атомы вещества состоят из электронов, протонов и нейтронов. Если материал имеет избыточное количество электронов, его заряд отрицательный, а если больше протонов – положительный. Заряд могут иметь практически все вещества – жидкие, твердые, газообразные и их комбинации, причем заряжаться могут как различные материалы, так и одинаковые, но, например, с отличающимися плотностями, механическими напряжениями и т.д. Важно понимать, что все вокруг нас имеет какой-то отличный от нуля заряд, и абсолютно нейтральных тел в природе не бывает.
Пути возникновения электростатического заряда можно разделить на три группы:
трибоэлектрический, от греческого "трибос" – трение;
контактный;
индукционный;
единичная поляризация из-за коронного разряда.
Во всех случаях один материал теряет электроны, которые переходят на поверхность другого (рис.1).
Типовой пример возникновения статического заряда из-за трения – ходьба по напольному покрытию. В процессе ходьбы происходит постоянное соединение и разделение разнородных материалов обуви и напольного покрытия. Человеческое тело обладает хорошей проводимостью и может удерживать и накапливать электрические заряды, поэтому заряд, накопленный во время ходьбы, может достигать нескольких десятков киловольт.
При контакте двух объектов, один из которых заряжен, происходит перераспределение электронов между ними. Если один из объектов был заряжен отрицательно, он передаст избыточные электроны второму объекту.
Индукционный способ возникновения заряда – бесконтактный. Если заряженный объект разместить в электромагнитном поле другого объекта, внутри проводника происходит перераспределение заряда. При заземлении проводника положительные заряды уходят, и в итоге у нас получается отрицательно заряженный объект.
Также объект может получить статический заряд при помощи коронного разряда. При подаче высокого напряжения на игольчатый электрод воздух вокруг него ионизируется. Ионы, попадающие на поверхность объекта, заряжают его положительно или отрицательно.
На образование статического заряда влияют следующие факторы:
тип материала – некоторые материалы более склонны к порождению статических зарядов;
площадь контакта материалов;
проводимость материалов – здесь зависимость обратная: чем больше проводимость, тем меньший возникает заряд;
скорость разделения материалов;
влажность окружающей среды. Замечено, что зимой, когда влажность воздуха ниже, усугубляются проблемы со статическим электричеством.
Электростатический разряд
Электростатический разряд – это передача электростатического заряда от одного объекта к другому, происходящая через непосредственный контакт объектов или индуцированная электростатическим полем. Мы можем чувствовать разряд напряжением порядка 3000 В, который может возникнуть, например, при касании металлической дверной ручки после хождения по ковру (табл.1). Разряд напряжением 5000 В можно не только почувствовать, но и услышать, а при напряжении 10000 В и выше разряд становится виден.
Как мы видим, напряжение привычных нам "бытовых" статических разрядов довольно велико. 90% всех дефектов радиокомпонентов, вызванных статическим разрядом, вызваны гораздо меньшими напряжениями. Современная микросхема средней сложности содержит около 10 млн. транзисторов. Толщина оксидного слоя между отдельными компонентами уменьшилась до 10 нм, что означает чувствительность к напряжению статического разряда около 10 В. При этом нагрузка, которую компонент испытывает при воздействии статического разряда, обычно рассчитывается для единичного импульса; их последовательность переносит значительно больше энергии.
Отказы, вызванные статическим разрядом, могут быть явные (фатальные) и скрытые (плавающие). Фатальный отказ легко выявить при тестировании изделия – оно попросту перестает работать. Примером такого отказа может быть пробой p-n-перехода (рис.2а) или расплавление разварочной проволоки в корпусе микросхемы (рис.2б). Но скрытые дефекты нельзя диагностировать сразу. При тестировании изделие может работать с небольшими отклонениями либо не выполнять всех своих функций. Но при штатной эксплуатации подобные дефекты начинают проявляться особенно остро, так как в этом случае режим работы изделия не такой, как при тестировании.
Дефекты, возникающие из-за электростатических разрядов, могут возникать на всех этапах производства компонентов и сборки готовых изделий. Наибольшее количество дефектов появляется до установки компонента, на стадии его производства. Но бытующее мнение о том, что установленный на плату компонент не подвержен действию статических разрядов, неверно. Платы с чувствительными к статике компонентами необходимо защищать от ее действия, для этого на производстве организуют зоны, защищенные от статического электричества.
Основы антистатической защиты
Антистатические зоны могут быть локальными – отдельное рабочее место или производственный участок, либо же охватывать целый цех. Напряженность электростатического поля в этих зонах не должна превышать 10 кВ/м (100 В/см). Для того чтобы обезопасить помещение от электростатических разрядов, необходимо:
привести все объекты к одному потенциалу (заземлить), так как только при этом условии не будет перетекания зарядов с одного объекта на другой. Этот общий потенциал может быть равен земляному либо отличен от него;
минимизировать образование статического электричества внутри рабочей зоны, применяя антистатические материалы.
Заземлению подлежат все проводящие объекты. Диэлектрики следует либо удалить из антистатической зоны, либо, если это невозможно, оградить их от чувствительных к статике изделий. В антистатических зонах применяются специальные антистатические материалы, из которых изготавливаются напольные покрытия, мебель, специальная одежда и прочие необходимые в рабочей зоне предметы.
Любой материал становится антистатическим при добавлении в него проводящих (технический углерод, графит, металлические волокна и частицы, проводящие полимеры и т.д.) или рассеивающих (химические и антистатические добавки, полимеры) включений. Основная характеристика антистатических материалов, от которой зависят их свойства, – поверхностное сопротивление. Классифицируя материалы по этому параметру, можно разделить их на три группы (ГОСТ Р 53734.5.1–2009):
проводящие, имеющие поверхностное сопротивление 102–105 Ом;
изолирующие, сопротивлением 1011–1015 Ом;
рассеивающие, обладающие свойствами
и проводящих, и изолирующих материалов 105–1011 Ом.
Далее мы рассмотрим основные элементы системы электростатической защиты и метод их проверки.
Системы персонального заземления
Сотрудники предприятия, которые выполняют сидячую работу, – монтажники, наладчики и т.д., в качестве средств персонального заземления применяют браслеты с витым проводом (рис.3). Согласно стандарту ГОСТ Р 53734.5.1–2009,
их сопротивление должно быть не больше 3,5·107 Ом. Заземляющие браслеты могут быть различными по форме, цвету и изготовлены из различных материалов. Они должны сидеть на руке плотно, удобно, не мешать работе и не вызывать аллергии. Витой провод должен обеспечивать надежное соединение с точкой заземления и в то же время быстрое отключение при нештатных ситуациях.
При организации системы заземления для персонала в цепях необходимо предусмотреть так называемый резистор безопасности 1 МОм (рис.4). Он ограничивает ток, протекающий в цепи между человеком и землей при стекании заряда, что исключает негативные воздействия этого тока на человека.
Тем сотрудникам, которые много ходят в пределах антистатической зоны, необходимо носить специальную обувь (рис.5), – заземление в этом случае осуществляется через нее и напольное покрытие. Сопротивление проводящей подошвы должно быть равным примерно 106 Ом. Обувь должна быть комфортной и иметь соответствующую маркировку, подтверждающую ее антистатические свойства. Если использование специальной обуви неприемлемо (например, для редких посетителей антистатической зоны), можно применять антистатические бахилы, заземляющие хомуты на обувь либо одноразовые заземляющие полоски, которые обеспечивают контакт между напольным покрытием и телом, отводя с него статический заряд.
Для проверки работоспособности систем персонального заземления применяются тестеры браслетов и обуви (рис.6), измеряющие сопротивление цепи "обувь – человеческое тело и браслет – соединяющий провод". Согласно стандарту ГОСТ Р 53734.5.1–2009, величина этого сопротивления должна находиться в диапазоне 5·104–108 Ом. Существуют более совершенные тестеры, которые, помимо непосредственной проверки средств антистатической защиты, идентифицируют сотрудника с помощью RFID-меток и записывают данные тестирования для последующего анализа. Системы тестирования также могут быть сопряжены с механизмами контроля доступа – турникетами, замками и т.д., которые попросту не пропустят человека с неэффективной антистатической защитой.
Следует иметь в виду, что при проверке, например, покрытия электроды тестера имеют заведомо лучшие проводящие свойства, чем подошва обуви, которая будет прикасаться к напольному покрытию. Таким образом, правильное функционирование отдельных элементов заземления не означает работоспособности всей системы, поэтому в соответствии с ГОСТ Р 53734.4.5–2010 необходимо проводить ее проверку в комплексе, в частности, измерять статическое электричество, возникающее при ходьбе человека.
Специальная одежда
Статическое электричество появляется во время выполнения любых действий и движений человека. Поэтому в антистатической зоне необходимо носить специализированную одежду (халаты и т.д.), которая обеспечивает "стекание" электростатического заряда с тела человека и экранирует чувствительное к статике окружение от заряда, скопившегося на неантистатической одежде сотрудника. В ткань, из которой изготовлена антистатическая одежда, вплетены проводящие волокна, образующие сетчатую структуру, которая, наподобие клети Фарадея, экранирует статический заряд, имеющийся на человеке. Одевая антистатический халат, необходимо обязательно застегивать его на все пуговицы или кнопки. Нельзя допускать, чтобы какие-либо части повседневной одежды оставались наружи. Соблюдение этих условий обеспечит хорошее экранирование чувствительного окружения от внутреннего статического заряда.
Современная антистатическая спецодежда начинает терять свои свойства после 100 циклов стирки. Однако проверять ее защитные способности нужно после каждой стирки (рис.7). Измерения проводятся в соответствии с ГОСТ Р 53734.4.9-2012/ГОСТ Р 53734.2.3–2010. Согласно ГОСТ Р 53734.5.1–2009, рекомендуемая величина измеренного сопротивления должна быть менее 1012 Ом.
Защита рабочих мест
Все элементы рабочего места должны быть заземлены или приведены к одному потенциалу. Не стоит пренебрегать главным правилом заземления – стекание заряда не должно быть слишком быстрым. Столешница рабочего стола может быть изготовлена из твердой древесно-стружечной плиты с дополнительным наполнением, обеспечивающим прохождение заряда через объем плиты.
Часто в качестве рабочих поверхностей применяются различные антистатические коврики (рис.8) из синтетических каучуков или поливинилхлорида. Современные коврики бывают многослойными: по верхнему слою заряд стекает плавно, а нижний проводящий обеспечивает удаление заряда с рабочей поверхности.
Тестирование рабочих поверхностей проводится по тому же принципу, что и проверка спецодежды. Замеряется сопротивление между двух точек поверхности и цепи "поверхность–земля" (рис.9). По стандарту ГОСТ Р 53734.5.1–2009 значения сопротивлений для рабочих поверхностей должны быть менее 1·109 Ом. К рабочим поверхностям относятся абсолютно все элементы рабочего места – сама столешница, полки стеллажей, тележек, сиденья стульев и т.д.
Антистатические напольные покрытия
Антистатические напольные покрытия предназначены для снятия зарядов с сотрудников, а также мебели, тележек и прочих предметов, находящихся в защищенной зоне. Эти покрытия, как и рабочие коврики, могут быть изготовлены из ПВХ или синтетической резины. Кроме постоянного выполнения своей антистатической функции, они должны быть устойчивы к истиранию обувью, стульями и тележками на колесах, каплям припоя и химических реагентов, быть простым в обслуживании и, конечно, иметь эстетичный внешний вид.
Для того чтобы средства антистатической защиты эффективно выполняли свои задачи, необходимо проводить проверку их работоспособности. Для оценки антистатических свойств покрытий проводятся измерения поверхностно-объемного сопротивления образца покрытия. Как правило, такие замеры должны производиться при низких уровнях влажности – не более 12%. Для этого образец просушивается в лабораторных условиях в течение 24–96 ч.
Антистатическая упаковка
Для антистатической защиты готовых изделий и компонентов применяется антистатическая упаковка – пакеты, пленки, в том числе и воздушно-пузырчатые, различные вспененные материалы, контейнеры, ящики, ячейки, лотки, коробки для транспортировки изделия и т.д. Эта упаковка не должна создавать значимого статического заряда при трении, рассеивать имеющийся заряд и защищать от электростатического разряда. На всех антистатических упаковочных материалах должны быть соответствующие символы (рис.10) и название и логотип фирмы-производителя; желательно наличие символа вторичной переработки, означающего, что этот материал не будет загрязнять окружающую среду.
Под предупредительным символом (рис.10б) может находиться литера с указанием либо типа упаковки (S – shielding, защитная; С – conducting, проводящая; D – dissipative, рассеивающая). Этим символом также отмечают защищенные от электростатики зоны; в этом случае под ним находится аббревиатура EPA (Electrostatic protected area).
Проводящие материалы, как правило, имеют характерный черный цвет, обусловленный добавками углерода, которые обеспечивают проводимость материала. Рассеивающие материалы могут быть различных цветов – розового, зеленого, голубого, в зависимости от добавок. Защитные материалы, из которых изготавливаются металлизированные пакеты, коробки и т.д., имеют многослойную структуру и выполняют двойную функцию: экранируют содержимое упаковки от воздействия внешних электростатических полей и не допускают образование заряда внутри упаковки, обеспечивая его контролируемое стекание.
Ионизация
Для нейтрализации электростатических зарядов на изолированных проводниках и изоляторах наряду с защитой типа "клетка Фарадея", в роли которой выступает корпус прибора, транспортного средства, где он находится и т.д., применяется рассеивание статического заряда ионизацией.
В промышленности применяются две технологии ионизации – с помощью радиоактивных элементов или коронного разряда. Первый способ годится для работы во взрыво- или пожароопасных окружениях, когда малейшая искра может вызвать катастрофу. Радиоактивный материал испускает частицы с достаточной для образования положительных и отрицательных ионов воздуха энергией.
В коронном ионизаторе (рис.11) ионы воздуха образуются у электродов конической формы, к которым приложено переменное, постоянное или пульсирующее высокое напряжение. Попадая на объекты, имеющие статический заряд, ионы нейтрализуют его.
Эффективность работы ионизаторов определяется с помощью специальных анализаторов. Основной элемент этих приборов – тестовый электрод размером 15×15 см, который заряжается напряжением порядка 1000 В обеих полярностей поочередно. Ионизатор обдувает этот электрод, и по динамике изменения заряда на нем определяются исправность ионизатора и время, за которое заряд снизится до заданного значения (например, до 100 В). Если ионизатор неисправен, статический заряд на обдуваемом электроде может не только не уменьшаться, но и увеличиваться.
Стандарты и аудит
В России стандарты, связанные с электростатической защитой, были введены в эксплуатацию сего лишь несколько лет назад. Действующие сегодня стандарты опираются на соответствующие международные стандарты МЭК (табл.2). Все описанные стандарты можно приобрести в специализирующихся на их распространении организациях.
Ответственность за соблюдение стандартов на предприятиях возлагается на координатора. В обязанности координатора входит непосредственное обеспечение электростатической защиты, проведение соответствующих измерений, обучение персонала, оценка и классификация защитных свойств применяемых материалов и организация аудита. Под аудитом подразумевается регулярная проверка оборудования, инструментов и оснащения, рабочих мест и пространств, персонала, входного контроля, закупок, доставки и обслуживания на предмет соответствия нормам электростатической защиты. Аудит может проводиться как сотрудниками компании, имеющими соответствующую квалификацию, так и приглашенными специалистами. Последовательность действий при аудите описана в ГОСТ Р 53734.5.1. Ежедневно должны проверяться заземляющие браслеты и обувь, ежемесячно – общее заземление, ионизация воздуха, каждые шесть месяцев должен проводиться выборочный контроль электростатических полей, сигнализации, маркировки и одежды, и ежегодно – всех систем защиты от электростатики в соответствии с ГОСТ Р 53734.5.1–2009. После проведения аудита составляется отчет, в который заносятся значения величин, полученных при измерениях. Требования к антистатической продукции сведены в табл.2.
Минимально необходимый набор
для обеспечения антистатической защиты
После ознакомления с материалами о статике и защите от нее возникает естественное желание составить список самых необходимых мер по обеспечению антистатической защиты. Задача эта непроста, так как каждое производство имеет свои специфические особенности. Как основу комплекса антистатической безопасости предприятия можно рекомендовать следующие материалы:
антистатические рабочие места или антистатические рабочие поверхности;
антистатические напольные покрытия или напольные коврики;
средства персонального заземления (ручные браслеты и заземляющие хомуты, шнуры заземления, обувь, одежда, перчатки и др.);
упаковочные материалы;
тестовое оборудование (тестер заземляющих браслетов и обуви);
информационные таблички на входе в электростатически защищенные помещения, этикетки на антистатических рабочих местах.
Минимальное рабочее место состоит из рабочей поверхности, заземляющего браслета с витым проводом и проводов заземления. Тестер заземляющих браслетов необходим для того, чтобы убедиться, что браслет функционирует корректно и соответствует своим параметрам. Тестер непрерывного контроля нужен для проверки параметров заземляющих браслетов во время работы персонала.
Важный элемент антистатической защиты – обучение, к которому привлекаются:
высшее руководство (для понимания и поддержки);
инженерно-технический персонал (определение материалов для новых изделий);
снабжение (поддержание материально-технических запасов);
приемка (корректная и правильная обработка чувствительных изделий; не принимаются компоненты в нарушенной упаковке);
склад (безопасное обращение и транспортировка электронных изделий);
производство (обращение, обработка и транспортировка);
отгрузка (обработка, упаковка, транспортировка).
Самая сложная задача – побудить персонал применять средства, контролирующие статику. Для этого нужно обучать и мотивировать сотрудников. Необходим непрерывный контроль параметров и характеристик материалов, функциональности приборов и соблюдения требований антистатической защиты.
Браслеты ломаются, рабочие поверхности изнашиваются, люди не выполняют процедуры, необходимые для контроля и защиты от статического электричества, – в итоге повреждения от статики могут появиться, даже если хотя бы одно звено технологической цепочки не будет соблюдать правил антистатической защиты.
Выводы
Введение первоначального уровня защиты от статики позволит предприятию сэкономить средства на ремонт и отладку готовых изделий. Существуют производства, на которых за счет введения антистатической защиты начального уровня удалось уменьшить количество дефектов на 60%. Такие примеры производят сильное впечатление на другие компании, которые начинают требовать от своих поставщиков введения аналогичных программ по защите от статики.
Многие программы завершаются после установки и выполнения первичной защиты от статики – приобретения и размещения антистатических изделий и материалов на рабочих местах. Однако, в зависимости от конкретных условий, есть возможности уменьшить расходы на первичную защиту.
Основные рекомендации контроля статического заряда таковы:
если материал проводящий, то заземлите его, т.к. даже проводники, находящиеся в равновесном состоянии, могут быть заряжены трибоэлектрическим методом;
если материал – изолятор, то удалите его из рабочей зоны или сделайте его проводящим, а затем заземлите;
если материал не может быть сделан проводящим или удален из рабочей зоны, то оградите его;
контролируйте заряд на персонале, так как люди являются основным источником образования статических зарядов и электростатической разрядки;
контролируйте величину электростатического заряда на предметах (уровень заряда зависит от используемых материалов, скорости контакта и разделения, уровня влажности окружающей среды и других факторов);
не допускайте появления электростатического заряда во время производства изделия, его испытаний, отгрузки, обработки или других операций. Применяйте средства персонального заземления (браслеты, одежду, обувь), антистатическую тару и упаковку, антистатическую мебель, системы хранения и транспортировки, антистатические напольные и настольные покрытия;
определите наиболее чувствительный к статическому электричеству компонент. Защитите его от повреждений, которые могут возникать как при его непосредственном контакте с другими устройствами, так и от косвенного воздействия электростатических полей;
контролируйте уровень влажности, где это возможно. Уровень относительной влажности воздуха должен быть не ниже 40%.
Защита ваших устройств от воздействия статического электричества зависит от понимания ключевых концепций электростатической защиты. Обладая этой информацией, вы можете разрабатывать эффективные программы по защите ваших устройств от статического электричества. ●
Отзывы читателей
Круглосуточная служба «СПб Такси» - самые доступные цены на услуги такси в городе!Только новые иномарки,вежливые сотрудники,знающие свое дело,и бесплатная подача в течение 15 минут!У нас дешевле!!http://taxi-v-spb.ru/
<a href="http://taxi-v-spb.ru/">«СПб Такси»</a>