Staattisen sähkön purkaus (ESD)

Staattisen sähkön purkaus (ESD) www2.laas.fr/eos-esd-emi/ 1 ESD Jokapäiväisessä ympäristössämme kehomme ja esineet keräävät staattisia sähkövarauksia Kun kehomme on varautunut ja kosketamme eri varaustilassa olevaa esinettä, varaus siirtyy yhtenä tai useampana akillisenä purkauksena esineeseen, ja tapahtuu sähköstaattisia purkauksia (ESD, ElectroStatic Discharge) Jos purkaus tapahtuu elektroniikkaa sisältävään laitteeseen, voivat vaikutukset olla laitteen kannalta tuhoisia 2 1

ESD:n vaikutuksia ESD:n aiheuttama vaurio elektroniikan komponentissa on usein vaikea havaita ESD voi aiheuttaa esimerkiksi komponentin: toimintakyvyn heikkenemistä suoritusarvojen alenemista tilapäisiä vikatoimintoja ym. haitallisia tilanteita 3 ESD:n vaikutuksia Lopulta nämä tekijät voivat aiheuttaa esimerkikisi jonkin muun järjestelmän osan vaurioitumisen, jolloin alkuperäistä vianaiheuttajaa on lähes mahdotonta tunnistaa Purkauksen aiheuttamat vauriot voivat tulla esille vasta vuosien käytön jälkeen, joka edelleen vaikeuttaa paikantamaan alkuperäistä vikaantumissyytä 4 2

Helpoiten huomattavissa purkaus on ihmisen ja jonkin laitteen välillä, mutta purkauksia tapahtuu myös laitteiden välillä Sähköisen laitteen loppukäyttäjän ei juuri tarvitse miettiä ESD-suojausta, olettaen että elektroniikan laitesuunnittelija osaa työnsä: Tätähän edellyttää jo EMC -direktiivin noudattaminen, joka vaatii tietyn staattisen sähköpurkauksen siedon sähköteknisiltä laitteilta. 5 Staattinen sähkövaraus Neutraalissa aineessa atomisydämien positiivinen varaus ja niitä ympäröivien elektronien negatiivinen varaus ovat yhtäsuuret Jos kappaleesta siirtyy elektroneja toiseen kappaleeseen, muodostuu siihen positiivinen varaus ja vastaavasti toiseen kappaleeseen muodostuu samansuuruinen negatiivinen varaus Varaukset aiheuttavat ympärilleen sähkökentän Sähkökentän olemassaolo voidaan havaita varausten välisistä voimavaikutuksista 6 3

Varausten voimavaikutus Jos neutraaliin johdekappaleeseen tuodaan samanmerkkisiä varauksia, aiheuttavat nämä sähkökentän Sähkökentän vaikutuksesta samanmerkkiset varaukset hylkivät toisiaan 7 Varausten voimavaikutus Tästä samanmerkkisten varausten poistovoimasta johtuen varaukset liikkuvat johteessa kauemmaksi toisistaan Rajatussa kappaleessa varaukset hakeutuvat kappaleen pinnoille siten, että kentänvoimakkuus johteen sisällä on nolla Ulkopuolinen sähkökenttä saa varaukset liikkeelle myös neutraalissa johdekappaleessa 8 4

Varausten voimavaikutus + + + + + + + + + + + + + - - - - - a) b) Varauksen jakautuminen ja sähkökentän suunta varatussa johdekappaleessa (a) ja neutraalissa johdekappaleessa ulkoisen sähkökentän vaikutuksesssa 9 Esimerkki Kammattaessa hiuksia kampaan syntyy negatiivinen varaus ja hiuksiin positiivinen varaus. Kampa vetää hiuksia puoleensa, koska kamman ja hiusten varaukset ovat erimerkkisiä. Hiukset taas hylkivät toisiaan, koska niiden varaukset ovat samanmerkkisiä. Kostuttamalla hiukset saadaan varaukset purkautumaan vedessä olevien varauksenkuljettajien ansiosta ja hiukset saadaan ojennukseen. 10 5

Varaukset eristeessä Eristekappaleissa varaukset eivät pääse kulkemaan, joten eristeen varauksiin ulkopuolinen sähkökenttä ei juuri vaikuta Ulkoiseen sähkökenttään taas eristeessä olevat varaukset luonnollisesti vaikuttavat 11 Varausten varastoituminen Sähkävarauksen voidaan ajatella varastoituvan kappaleen kapasitanssiin Jos kaksi kappaletta (varausta) viedään kauemmaksi toisistaan, pysyy UC- tulo vakioina, koska varaus Q ei muutu Tällöin potentiaaliero U kasvaa kun kapasitanssi C pienenee 12 6

Vapaan tilan kapasitanssi Kapasitanssin ajatellaan usein muodostuvan kahden kappaleen, esimerkiksi kahden levyn vällille Jokaisella kappaleella on kuitenkin vapaan tilan kapasitanssi (free space capacitance), olettaen kondensaattorin toisen elektrodin olevan äärettömän kaukana Esimerkiksi ihmisellä vapaan tilan kapasitanssi on n. 50pF, ja maapallolla vapaan tilan kapasitanssi on n. 700 mf Vapaan tilan kapasitanssi on minimikapasitanssi, joka kappaleella voi olla 13 Kokonaiskapasitanssi Vapaan tilan kapasitanssin lisäksi kappaleilla, esimerkiksi ihmisellä, on rinnalle kytkettyä kapasitanssia, joka aiheutuu muiden kappaleiden läheisyydestä Tämän johdosta esimerkiksi lattialla seinän vieressä seisottaessa ihmisen kapasitanssi on suurempi, tyypillisesti n. 200-250 pf 14 7

Muutamia jännitteitä Varaukset saavat aikaan potentiaalieroja kappaleiden välille. Tyypillisiä normaalioloissa esiintyviä, varausten synnyttämiä jännitteitä on esitetty seuraavassa taulukossa ESINE TAI TAPAHTUMA ILMAN SUHTEELLINEN KOSTEUS 20% ILMAN SUHTEELLINEN KOSTEUS 80% Kävely tekokuitumatolla 35 000 V 1 500 V Kävely vinyylilattialla 12 000 V 250 V Polyeteenilaatikon nosto 20 000 V 600 V Tinanpoistoimurin laukaisu 8 000V 1 000V Aerosolin suihkutus komponenteille 15 000V 500 V Työskentely työtason ääressä 6 000 V 100 V Istuminen keinoaineisella tuolilla 18 000V 1 500 V Muovinen kahvikuppi 5 000 V - Muovikantiset vihkot ja kirjat 8 000 V - Muovitaskut 20 000 V - 15 Staattisen sähkövarauksen syntyminen Staattinen sähkövaraus voidaan saada aikaiseksi kahdella tapaa: triboelektrisen ilmiön eli "hankaussähkön" avulla induktiivisellä varautumisella Triboelektrisessä ilmiössä varautuvat kappaleet ovat kosketuksissa toisiinsa, kun taas induktiivisen varautumisen tapauksessa kappaleet eivät kosketa toisiaan vaan ovat toistensa sähkökentän vaikutuksessa. 16 8

Triboelektrinen ilmiö Staattinen sähkövaraus voi syntyä, kun kaksi toisissaan kiinni olevaa materiaalia erotetaan toisistaan Materiaali voi olla kiinteää, nestemäistä tai kaasumaista, johtavaa- tai eristemateriaalia 17 Triboelektrinen ilmiö Triboelektrinen ilmiö. Kahden (varauksettoman) kappaleen ollessa kosketuksissa toisiinsa (a), luovuttaa toinen materiaali elektroneja toiseen materiaaliin. Jos kappaleet erotetaan äkillisesti (b), ei varauksien tasapaino ehdi palautua, ja kappaleisiin jää sähkövaraukset, toiseen negatiivinen, toiseen positiivinen. 18 9

Varaukseen suuruus Syntyvän sähkövarauksen suuruuteen vaikuttavat monet tekijät Kappaleiden hankaaminen tai lämmittäminen lisää siirtyvien varausten määrää irrottamalla elektroneja luovuttavasta materiaalista Myös nopeus, jolla kappaleet erotetaan toisistaan, vaikuttaa syntyvän varauksen suuruuteen Lisäksi mm. ilman kosteus, koskettavien pintojen ominaisuudet, likaisuus ym. tekijät vaikuttavat syntyneeseen varaukseen 19 Varaukseen suuruus Merkittävää on lisäksi eri materiaalien taipumus luovuttaa tai vastaanottaa elektroneja, eli sijainti triboelektrisessä sarjassa 20 10

Triboelektrinen sarja Taulukossa ylimmäisinä olevat materiaalit pyrkivät luovuttamaan elektroneja, joten näihin materiaaleihin syntyy helpommin positiivinen varaus Vastaavasti alimmaisina olevat materiaalit pyrkivät vastaanottamaan elektroneja, joten näihin materiaaleihin syntyy helpommin negatiivinen varaus Kun kaksi taulukossa olevaa materiaalia ovat kosketuksissa toisiinsa, pyrkii ylempänä taulukossa olevasta materiaalista siirtymään elektroneja alempana olevaan 21 Johde/ eriste? Eristemateriaaleihin jää helpommin sähköstaattisia varauksia kuin johteisiin, sillä eristeaineessa varaus ei pääse purkautumaan Johteissa ylimääräiset elektronit pääsevät liikkumaan, ja kappale pyrkii luonnolliseen tasapainotilaansa, joten kahden johteen nopealla erottamisella ei juuri saa aikaan staattisia sähkökenttiä. 22 11

Helpoiten sähköstaattinen varaus siis syntyy erotettaessa nopeasti kaksi, triboelektrisessä sarjassa toisistaan kaukana olevaa, eristemateriaalia toisistaan. Toinen matriaaleista voi olla myös johde. Sähköstaattinen varaus voi syntyä myös erotettaessa kaksi samaa materiaalia olevaa kappaletta toisistaan. Esimerkiksi eroteltaessa muovikalvoja tai avattaessa muovipussia syntyy sähköstaattinen varaus helposti. 23 Induktiivinen varautuminen Usein varaus voi syntyä myös ilman kosketusta varautuneen kappaleen sähkökentän vaikutuksesta Tällöin puhutaan induktiivisesta varautumisesta 24 12

Induktiivinen varautuminen Tuomalla varautunut kappale (eriste tai johde) varauksettoman johteen läheisyyteen, varaukset johteessa asettuvat uudella tavalla varautuneen kappaleen sähkökentän vaikutuksesta Johde on kuitenkin sähköisesti neutraali, sillä vastakkaismerkkisten varauksien lukumäärä on sama, vain varaustasapaino johteen eri osissa on erilainen Jos toisen kappaleen staattisessa sähkökentässä oleva johde tämän jälkeen maadoitetaan esimerkiksi koskettamalla kappaletta, seuraava kuva,pyrkivät samanmerkkiset varaukset poistovoiman vaikutuksesta yhä kauemmaksi varautuneesta kappaleesta Maadoituksen jälkeen johteessa on varausten epätasapaino Jos maadoitus tämän jälkeen poistetaan, jää johteeseen sähkövaraus 25 Induktiivinen varautuminen Tuomalla neutraali johde varautuneen kappaleen aiheuttamaan sähkökenttään, asettuvat varaukset Coulombin lain mukaisesti (a). Madoittamalla johde, siirtyvät varaukset (elektronit) sähkökentän vaikutuksesta pois johteesta (negatiivisen varauksen vaikutuksesta) tai johteeseen (positiivisen varauksen vaikutuksesta), kuva (b). Poistamalla maadoitus, kappaleeseen jää varaus, vaikka alunperin sähkökentän aiheuttanut kappale poistettaisiinkin (c). Varautunut johde ei voi palata neutraaliin tilaa ilman maadoitusta tai staattisen sähkön purkausta 26 13

Varauksen purkaminen Staattinen sähkövaraus eristeellä on pintailmiö, eli eristeeseen syntyneet varaukset eivät pääse liikkumaan, vaan pysyvät pinnalla, johon ne ovat syntyneet Tämän vuoksi eristeen maadoittaminen ei poista varausta Johteen maadoittaminen sitä vastoin poistaa varauksen, sillä johteessa varaukset pääsevät liikkumaan. Maadoitusvastus voi olla suurikin, megaohmiluokkaa 27 Varauksen purkaminen Toinen vaihtoehto johteen varauksen purkamiseen on kipinäpurkaus, jolloin varauksen aiheuttama jännite ylittää eristemateriaalin jännitekeston ja tapahtuu läpilyönti 28 14

Ilman kosteuden vaikutus Ilman suhteellisen kosteuden ollessa suuri varauksien synty on heikompaa Tällöin ilmassa olevat vesimolekyylit toimivat varauksenkantajina, ja eristemateriaalienkin varaukset pääsevät purkautumaan tätä kautta Varaus purkautuu vähitellen itsestään ilman suhteellisen kosteuden ollessa yli 25 % Suomen ilmasto-olosuhteissa talvi on erityisen hankalaa aikaa ESD-mielessä, sillä silloin ilman suhteellinen kosteus on pieni, ja suuriakin sähköstaattisia varauksia pääsee syntymään 29 Staattisen sähkön purkaus Staattisella sähkönpurkauksella tarkoitataan tapahtumaa, jossa kappaleeseen, esimerkiksi ihmiseen syntynyt varaus purkautuu äkillisesti toiseen kappaleeseen tai maahan kappaleen varaustilan pyrkiessä tasapainotilaan Staattisen sähkön purkaus määritelmän mukaan on STAATTISEN SÄHKÖN PURKAUS eli ESD: STAATTISEN SÄHKÖVARAUKSEN SIIRTYMINEN KAHDEN KAPPALEEN VÄLILLÄ, JOTKA OVAT ERI STAATTISESSA POTENTIAALISSA SUORAN KOSKETUKSEN SEURAUKSENA TAI STAATTISEN SÄHKÖKENTÄN INDUSOIMANA. Varauksien siirtyminen tapahtuu hyvin nopeasti yhtenä tai useampana purkauksena. 30 15

Purkaus Purkaus tapahtuu yleensä maahan joko suoranaisesti maadoituksen kautta tai toisen kappaleen maakapasitanssin välitykselllä Jokainen on havainnut staattisen sähkön purkauksen, kun purkaus tapahtuu koronapurkauksena, jolloin ilman läpilyöntikestoisuus ylitetään, ja syntyy pieni salamapurkaus Koronapurkaus tapahtuu kuitenkin vain suurilla varauksilla (potentiaalieroilla), ja pienempiä, elektroniikan kannalta vahingollisia purkauksia tapahtuu koronapurkauksia useammin 31 Tyypillinen tapaus Staattinen sähkönpurkaus on usein kolmiosainen tapahtuma, jossa aluksi eristemateriaali tulee varautuneeksi Seuraavaksi tämä varautuneen eristemateriaalin varaus siirtyy johteeseen, joko triboelektrisen ilmiön vaikutuksesta tai induktiolla Lopuksi johteessa oleva varaus purkautuu metalliseen kappaleeseen, joka yleensä lisäksi on maadoitettu Nopea sähköstaattinen purkaus tapahtuu yleensä juuri johteesta, sillä vain johteesta varaukset pääsevät nopeasti purkautumaan 32 16

Ihmisen aiheuttama purkaus Ihmisen ESD mallina käytetään yleensä kuvan sähköistä sijaiskytkentää 33 Ihmisen... Staattinen sähkövaraus varastoituu kehon kapasitanssiin, joka muodostuu vapaan tilan kapasitanssista (n. 50 pf), maakapasitanssista (n. 50-100 pf) sekä seinien ja muiden esineiden välisestä kapasitanssista (n. 0-100 pf) Purkaus tapahtuu purkausvastuksen läpi, joka kuvaa ihmiskehon sekä purkauskontaktin resistanssia 34 17

Purkaus ihmisestä Ihmisestä aiheutuvan sähköstaattisen purkauksen virran nousunopeus on tyypillisesti n. 1ns Purkausvirta kohoaa hetkellisesti useisiin kymmeniin, jopa satoihin ampeereihin HUOM! Kyseessä on nopea transientti-ilmiö, joka suoran purkauksen lisäksi levittää ympäristöön suuritaajuisia kenttiä 35 Esimerkiksi jos ihminen on varautunut 15 kv:n jännitteeseen, ja purkaus tapahtuu 1 kω:n purkausvastuksen läpi, nousee virta n. 15 A:iin Jos taas kuivalla ilmalla ihminen keinokuituisissa vaatteissaan on varautunut 25 kv:n jännitteeseen ja koskettaa kostealla kädellään suurta metalliesinettä, nousee virta 100 Ω:n purkausvastuksella n. 250 A:iin 36 18

Karkeasti ottaen staattisen sähkön purkauksen tunteminen ihmisellä vaatii n. 3 000 V:n jännitteen, kipinöinti aiheuttaa äänen n. 4 000 V:n jännitteellä ja itse kipinän voi nähdä yli 5 000 V:n jännitteellä Herkän elektroniikkakomponentin voi saada rikki jo parilla sadalla voltilla == huomaamatta 37 Esineiden väliset purkaukset Esineiden aiheuttamat purkaukset ovat hieman erilaisia verrattuna ihmisen aiheuttamiin, sillä tyypillisesti purkausvastus on pienempi ja induktanssi suurempi Induktanssista johtuen virran nousuaika on pidempi ja purkauksessa voi esiintyä värähtelyä, jolloin purkausvirta vaihtaa välillä suuntaa Elektroniikkalaitteiden herkkyyttä staattisen sähkön purkauksille tutkitaan antamalla laitteelle sähköstaattista purkausta jäljitteleviä jännitepulsseja ja tarkkailemalla laitteen toimintaa 38 19

Testaus Standardissa SFS 5158 käytettävä testauslaitteisto koostuu suurjännite-testausgeneraattorista, maatasosta ja maadoitusjohtimista sekä tarvittavista mittalaitteista. Yksinkertaistettu testausgeneraattorin kytkentä on seuraavassa kuvassa R ch 100MΩ 2-16.5 kv R d 150 Ω Purkauselektrodi Maa 39 Testaus Eri standardien testausmenetelmät poikkeavat hieman toisistaan. Tyypillisiä arvoja ihmisen ESD -malliin on kuitenkin esitetty taulukossa LÄHDE C (pf) R (Ω) U (kv) Energia (mj) IEC 801-2 150 150 15 16.9 (SFS 5158) SAE 200 250 15 22.5 DOD-HDBK- 263 100 1500 15 11.3 40 20

ESD:n vaikutukset 1 W = 1 CU 2 QU 2 = 2 Staattisen sähkövarauksen energia voidaan laskea yhtälöllä Staattisen sähköpurkauksen energia ihmisen kannalta on pieni, joten staattisen sähkön purkauksen vaikutukset ihmiselle ovat pieniä, lähinnä vain epämiellyttäviä "sähköiskuja" Alle n. 3500 V:n staattisen jännitteen purkausta harva ihminen edes tuntee. Vasta yli 250 millijoulen energia aiheuttaa shokin. Jos ihmisen sisäinen kapasitanssi mallin mukaan on 150 pf, tarvitaan lähes 60 kv:n jännite 250 millijoulen energian saavuttamiseksi. Näin suuria staattisen sähkövarauksen aiheuttamia jännitteitä ei normaaliolosuhteissa pääse syntymään. 41 ESD:n vaikutukset Pienemmät energiapurkaukset aiheuttavat kuitenkin helposti vaurioita elekroniikan komponentteihin Jos ihmisen tuntoaistimiseen vaaditaan noin 3 000 V:n staattisen potentiaalin purkaus, voi ihminen huomaamattaan purkaa staattisen sähkövarauksensa komponenttiin samalla tuhoten sen 42 21

ESD:n vaikutukset Eräiden komponenttien suuntaa-antavia hetkittäisten ylijännitteiden kestoisuuksia Komponenttityyppi Vioittumisjännite [V] CMOS 250-3000 SHOTTKY-TTL 1000-2500 ECL 500-1500 MOSFET 100-200 VMOS 30-1800 JFET 140-7000 GAAS-MESFET 100-300 BIPOLAARITRANSISTORI 380-7000 OPERAATIOVAHVISTIN 190-2500 EPROM 100-200 TYRISTORI 680-1000 KALVOVASTUS 300-3000 43 Kaikkia elektroniikkalaitteita ja komponentteja on käsiteltävä valmistusvaiheessa ESD-arkoina 44 22

Vaikutus komponentteihin Komponentin vikaantuminen staattisen sähkönpurkauksen johdosta voi johtua joko suurista virrantiheyksistä tai suurista sähkökentän-voimakkuuksista Suuret jännitteet ja siitä aiheutuvat sähkökentänvoimakkuudet ovat tuhoisia erityisesti ohuille oksidikerroksille, jotka ovat tyypillisiä mm. MOSteknologialle. Tällöin jännite-ero eristeenä toimivan ohuen oksidikerroksen yli ylittää eristeen läpilyöntikestoisuuden 45 Vaikutus komponentteihin Purkauksen tapahduttua hetkittäisesti suureksi nouseva virta aiheuttaa piirin sisäisissä johdotuksessa suuria virrantiheyksiä. Tällöin piirien sisäiset metalli- ja piiseosjohtimet voivat tuhoutua höyrystymällä Myös kalvorakenteiset vastukset ovat herkkiä juuri ylijännitteille, vaikka vastuksia tyypillisesti (ja virheellisesti) on pidetty staattista sähkönpurkausta sietävänä 46 23

Vikatyypit Komponentin sähköisen toiminnan kannalta ESD:n aiheuttamat viat voidaan jakaa kahteen päätyyppiin: 1. Välittömät viat, jotka heti purkauksen jälkeen johtavat komponentin toiminnan selvään heikkenemiseen tai täydelliseen toimimattomuuteen. Vikatyyppi on helppo havaita komponentin sähköisen toiminnan testauksella. 2. Piilevät viat, jotka eivät ratkaisevasti muuta komponentin välitöntä toimintaa, mutta huonontavat sen luotettavuutta ja johtavat viikkojen tai kuukausien kuluttua komponentin toiminnan muuttumiseen. Viat ilmenevät esimerkiksi komponentin suoritusarvojen, kuten vuotovirran, kytkentänopeuden tai jännitekestoisuuden muuttumisena. Lievien ESDvaurioden havaitseminen on usein hyvin vaikeaa, ja tämäntyyppiset viat aiheuttavat elektroniikkalaitteissa usein "selittämättömiä" toiminnallisia häiriöitä. 47 Lähde: www.bunniestudios.com, 10.10.09 48 24

Piilevät viat Piilevät viat ovat käyttäjän kannalta ongelmallisimpia, sillä vika havaitaan yleensä vasta komponentin tai laitteen vikaantuessa lopullisesti. Tällöin vian alkuperästä ei enää ole välttämättä mitään tietoa. Joidenkin arvioiden mukaan piilevien vikojen osuus on jopa 90 % kaikista staattisen sähkönpurkauksen aiheuttamista komponenttivioista 49 Laitteen suunnittelu Laite on suunniteltava siten, että normaalissa käytössä ESD ei aiheuta ongelmia Useissa puolijohdekomponenteissa valmistaja on huolehtinut osaltaan ESD-suojauksesta Erityisesti liitynnät ovat tärkeitä sekä kohdat, jota esim. kosketellaan laitetta käytettäessä ESD-suojausvaatimus on yksi osa EMC-suojausta 50 25

ESD-suojaus elektroniikan valmistuksessa Herkkien komponenttien käsittely, Suojausmateriaaleja, EPA 51 Kaikkia elektroniikan komponentteja, mukaanlukien passiiviset komponentit, on pidettävä staattiselle purkaukselle herkkinä. Komponenttitason työskentelyssä tulee henkilön, käsiteltävien komponenttien, työkalujen ja työpisteen olla maadoitettuna staattisten varausten syntymisen estämiseksi Suojauksen järjestelyssä käytettyjä ratkaisuja ovat mm. maadoitettavat, puolijohtavat pöytä- ja lattiapinnoitteet, puolijohtavat työskentelyasut, kengät ja kalusteet sekä maadoitusranneke. 52 26

Materiaalien luokittelu pintaresistanssin ρ s ominaisresistanssin ρ v perusteella ja PINTARESISTANSSI, ρ s OMINAISRESISTANSSI, ρ v paksuusmillimetriä kohti 1 STAATTISELTA SÄHKÖLTÄ SUOJAAVAT MATERIAALIT ρ s < 10 4 Ω/neliö ρ v < 10 3 Ωcm 2 STAATTISTA SÄHKÖÄ JOHTAVAT MATERIAALIT 10 3 Ω/ neliö < ρ s < 10 6 Ω/ neliö 10 2 Ωcm < ρ v < 10 5 Ωcm 3 STAATTISTA SÄHKÖÄ POISTAVAT MATERIAALIT 10 5 Ω/ neliö < ρ s < 10 12 Ω/ neliö 10 4 Ωcm < ρ v < 10 11 Ωcm 4 ERISTÄVÄT MATERIAALIT ρ s 10 12 Ω/ neliö ρ v > 10 11 Ωcm 53 Pintaresistanssi Pintaresistanssi määritellään kahden samalle pinnalle asetetun, yhdensuuntaisen elektrodin väliseksi resistanssiksi, kun elektrodin pituus on sama kuin niiden välinen etäisyys Pintaresistanssin yksikkö SI-järjestelmän mukaan on ohmi (W), mutta käytännössä pintaresistanssin yksiköksi merkitään kuitenkin W/neliö erotukseksi muista resistansseista Termillä antistaattinen tarkoitetaan materiaalia, johon ei juuri synny varauksia hangattaessa. Termillä ei ole suoraa yhteyttä pintaresistanssiin, mutta tyypillisten antistaattisten materiaalien pintaresistanssi on luokkaa 1010-1011 W/neliö, joten niitä voidaan yleensä nimittää myös puolieristäviksi. 54 27

ESD:ltä suojattu alue, EPA EPA on suunniteltava siten, että käsiteltäessä ESD:lle arkoja komponentteja ja laitteita mahdollisuus niiden vaurioitumiseen staattisen sähkön kenttien tai purkauksen johdosta on häviävän pieni. EPA voi olla esim.: työpöytä varasto työskentelypiste kenttätyöskentelyalue tuotantolinja ym 55 Suojatussa pisteessä kaikki komponetteihin ja herkkiin laitteisiin välittömässä kosketuksessa olevat esineet ja pinnat ovat varauksettomia EPA:n suojaus on pääsääntöisesti toteutettu siten, että henkilöt, laitteet ja kaikki työskentelypinnat on maadoitettu Eristävät materiaalit pidetään alueen ulkopuolella tai ainakin poissa herkkien komponenttien ja laitteiden läheisyydestä. 56 28

EPA:lla on oltava selvästi määritellyt rajat. Kaikkien työskentelypintojen täytyy olla maadoitettavissa Myös kaikki lattiapinnoitemateriaalit on voitava maadoittaa Alueella olevat kalusteet tulee olla myös puolijohtavia, ja ne on voitava maadoittaa 57 EPA:n kaikki kalusteet ja siellä liikkuvien henkilöiden varustus täytyy olla sähköä johtavia Varausten poistaminen voi tapahtua vain johtavaa yhteyttä pitkin Eristeet ovat kiellettyjä riskitekijöitä EPAlla www.perel.fi/pdf/teollisuustuotteet/b_hyllykalusteet_09.pdf 58 29

EPA on selvästi merkittävä ja kuvan mukaisten keltaisten varoituskylttien on oltava selvästi näkyvillä henkilöstölle 59 Maadoitus Maadoituksella staattiset sähkövaraukset saadaan purettua hallitusti. Maadoituksessa tulee ottaa huomioon sähköturvallisuusmääräykset, joten kosketeltavat pinnat eivät saa olla liian johtavia ja itse maadoitus on tehtävä suojavastuksen kautta. Suojavastus estää myös varauksen liian nopean purkauksen. Tyypillisesti maadoitus tapahtuu 1 MΩ:n vastuksen kautta 60 30

Kaikilla staattiselta sähköltä suojatuilla alueilla on oltava selvästi merkitty ESD-maa Mikäli mahdollista, ESD-maana käytetään sähköverkon maata, ei kuitenkaan sähköpistorasioden suojamaata ESD-maadoitus on tehtävä erillisellä maadoitusjohtimella sähkökeskuksesta Kaikki maaliityntäpisteet, maadoituspisteet ja ESD-maat, jotka on tarkoitettu käytettäväksi EPA:n sisällä on merkittävä 61 Jos maadoituksesta huolimatta sähköstaattisia varauksia esiintyy, voidaan maadoituksen apuna käyttää ionisaattoreita, joiden avulla ilma saadaan johtavaksi ja staattiset sähkövaraukset purettua tätä kautta. Ionisaattorilla ei saa korvata kuitenkaan muiden suojausmenetelmien käyttöä. Myös ilman kosteudella on vaikutuksensa staattisten varausten syntyyn. EPA:ssa ilman suhteellinen kosteus tulisi olla vähintään 20%. 62 31

Perusvaruste EPA:ssa työskentelyyn on maadoitusranneke Rannekkeen tarkoituksena on maadoittaa henkilö turvallisesti työskentelyn aikana ja estää varausten syntyminen kehoon. Sähköturvallisuuden vuoksi rannekkeessa on oltava vähintään yksi virranrajoitusvastus ranteen puoleisessa päässä. Tyypillisesti virranrajoitusvastuksen arvo on 1 M*. Jokaisen työpisteen läheisyydessä on oltava maaliityntäpiste rannekkeen johtoa varten Puolijohtavaa lattiaa käytettäessä kehoon muodostuvat varaukset voidaan purkaa myös lattian kautta. 63 Yhteenveto Syntyyn kaksi tapaa: Triboelektrinen (hankaus) ja induktiivinen (ei kosketusta) Purkautuessaan hallitsemattomasti ESD aiheuttaa ongelmia ESD-suojauksesta täytyy huolehtia käsiteltäessä esim. elektroniikan komponentteja valmistusvaiheessa Suojauksen pääperiaate on varausten purkaminen (puoli)johtavia pintoja ja materiaaleja käyttämällä, jolloin varaukset ja potentiaalierot saadaan tasattua Valmistajan on huolehdittava ESD-suojauksesta valmistamassaan laitteessaan Valmiin tuotteen käyttäjän ei tarvitse tehdä erityisiä toimenpiteitä laitetta käyttäessään (esim. tietokone). Jos tietokoneen kuori kuitenkin avataan esim. muistin lisäystä varten, oletetaan, että avaaja on ammattilainen, joka osaa huolehtia ESD-suojauksesta. 64 32

65 33