Wat is ESD?

Zoals bekend betreft ESD elektrostatische ontladingen. Wat kan er opladen? Hoe komt de oplading tot stand? Tot welke spanningen kunnen deze ladingen oplopen en welke stroom loopt er dan?


Personen en objecten

We kunnen onderscheid maken tussen de oplading van personen (dieren) en objecten. Beiden kunnen elektrostatisch opladen maar over het algemeen blijven objecten op dezelfde plaats terwijl mensen zich verplaatsen.

In de praktijk komen vaak voor een mens die zich door (droge) lucht beweegt of over isolerende vloerbedekking (b.v. nylon of andere kunststoffen) loopt of beweegt. Een bekend voorbeeld is de oplading die plaatsvindt bij het uitstappen uit een auto. Door de wrijving van de kleding over de bekleding van de autostoel vindt in droge lucht een zeer snelle oplading plaats vaak gevolgd door een vervelende elektrostatische ontlading. Ook objecten kunnen opladen. Kunststof bakken die over een lopende band bewegen kunnen een zeer hoge lading opnemen. Ook roterende objecten zoals draaiende papierrollen kunnen tot zeer hoge spanningen opladen.



Effecten

Er zijn een viertal effecten die statische elektriciteit veroorzaken:
- Het tribo-elektrisch effect
- Oplading door zich van elkaar verwijderende ladingen
- Het Piezo-elektrisch effect
- Pyro-elektrisch effect

Om kort met de laatste twee effecten te beginnen. Het Piëzo elektrisch effect kennen we van de gelijknamige aansteker. Door een mechanische stress aan te brengen in sommige kristallen treedt een (zeer snelle) opbouw van lading op. Ook door het verwarmen van sommige stoffen leidt tot de opbouw van lading. Deze beiden effecten leveren binnen het vakgebied van de EMC nauwelijks problemen op en daarom gaan we er hier dan ook niet verder op in.

De eerste twee effecten hebben echter wel degelijk gevolgen voor kwaliteit en levensduur van apparaten.

Het Tribo-elektrisch effect

Het opladen komt tot stand door de wrijving tussen twee materialen uit de Tribo-elektrische reeks. Hoe verder de materialen in de tribo-elektrische reeks van elkaar verwijderd zijn, hoe groter de ladingsoverdracht.

Zich van elkaar verwijderende ladingen

Dit is een moeilijk te bevatten effect. Eigenlijk kan men door naar de ladingformule van een condensator te bekijken pas goed begrijpen wat er hier eigenlijk gebeurt. De capaciteit van een plaatcondensator is Epsilon maal de oppervlakte gedeeld door de afstand tussen de platen. Het is duidelijk dat bij een grotere afstand tussen de platen (of in ons geval een geladen object boven een grondvlak) de capaciteit lineair met de afstand afneemt.
(formule voor capaciteit van plaatcondensator)
Het verband tussen lading, spanning en capaciteit is:

Bij afnemende capaciteit moet de spanning dus toenemen als de lading onveranderd blijft.
Dit houdt in dat indien we een geladen object van bijvoorbeeld een tafel oppakken en hiermee als het ware de afstand tussen de platen vergroten. Dat dan de spanning van het opgepakte object toe zal nemen ten opzichte van de tafel. Dit kan al snel tot een zo hoge spanning oplopen dat ontlading plaatsvindt.

Hoge spanningen

Hoge spanningen zijn in dit geval spanningen die oplopen tot wel 30 kV. Daarboven begint de lucht rondom de persoon of het object te ioniseren en zal de lading geleidelijk aan de lucht worden afgestaan. Bij vochtige lucht vindt deze geleidelijke ontlading al bij veel lagere spanningen plaats. Vandaar dat men in de winter bij vriezend weer, waarbij de (absolute) vochtigheid zeer laag kan zijn, veel meer last van ESD heeft dan op een vochtige zomerdag.

Hoge stromen!

Een misverstand is dat het bij ESD om kleine stromen gaat. Bij een ESD ontlading kunnen wel stromen tot 60 Ampère lopen! De aanleiding tot dit misverstand is dat een snelle berekening leert dat bij bijvoorbeeld 10 kV en 60 A een vermogen van 600 kW wordt opgewekt en dit lijkt wel wat al te hoog, Toch is dit het geval. De vraag die dan direct opkomt waarom is een elektrostatische ontlading (in de meeste gevallen) dan niet dodelijk? Dit komt door de uiterst korte tijd waarin de ontlading plaatsvindt. Een typische ontladingstijd bevindt zich in het nanosecondenbereik. Hierdoor is de energie-inhoud van de ontlading maar enkele Joules en dus in de meeste gevallen niet schadelijk voor mens en dier.


Wat zijn de gevolgen van Elektrostatische ontladingen?

Het zijn echter deze relatief hoge stromen die uiterst schadelijk zijn voor elektronische componenten. Door de hoge stroom slaan stukjes weg uit de minuscule spoortjes of draadjes in transistoren en IC's. Het verraderlijke hiervan is dat een dergelijk component in eerste instantie nog gewoon lijkt te werken. Echter na verloop van enkele maanden tot zelfs enkele jaren zorgt de warmte ontwikkeling in het beschadigde spoortje ervoor dat het spoortje doorbrandt. Een bekend voorbeeld van dit effect is het zelf niet ESD-veilig plaatsen van geheugen in een PC. Het lijkt allemaal goed te zijn te gaan maar na enkele maanden treden fouten in het geheugen op. Andere gevoelige componenten zijn FET's.

Minder bekend is dat elektrostatische ontlading ook een elektromagnetisch veld opwekt. Doordat een ESD ontlading een zeer snel verschijnsel is met een zeer steile ontlaadcurve, loopt het frequentie spectrum van een ontlading door tot ver in het MHz gebied! Dit heeft tot gevolg dat een apparaat op de "normale" EMC-manier beïnvloed kan worden.

Waar bij een ontwerp rekening mee te houden?

In het algemeen is een goed EMC-ontwerp ook een goed ESD-ontwerp. Naast de immuniteit tegen het opgewekte elektromagnetische veld moet men zich echter ook realiseren dat de energie van de puls afgevoerd moet worden. Allereerst moet men bij het ontwerp dan ook kijken op welke punten de ontlading plaats kan vinden. Vaak zijn dit connectoren, knoppen of schakelaars. Hierbij is de kwetsbaarheid extra groot omdat deze door personen vaak aangeraakt worden, waarbij de ontlading plaats kan vinden. Een zo kort mogelijk pad naar aarde is dan van het grootste belang! We denken hierbij in millimeters en niet in centimeters.
Wil men goed kunnen aarden dan is een goed grondvlak erg belangrijk.

Hoe zijn de effecten van ESD ontladingen te herkennen?

Als het dan toch misgaat, hoe is dan te zien dat het om ESD effecten gaat? Het ESD-fenomeen is onder andere te herkennen aan de volgende symptomen:
- Het apparaat "hangt" ook wel latch-up genoemd
- De communicatie wordt verstoord "er vallen bits om"
- Een apparaat raakt z'n settings kwijt (denk bv. aan een radio zender)
- Een apparaat of component gaat op den duur stuk, in een serie meer dan de normaal te verwachten hoeveelheid uitval.

Hoe een ESD veilige omgeving te creëren

Allereerst moet worden vastgesteld hoe kritisch het apparaat en/of de gebruikte componenten zijn ten aanzien van ESD. In een aantal gevallen zal dit geheel niet kritisch zijn en is het dus overbodig om (dure) maatregelen te treffen die oplading tegen gaan. In andere gevallen, bijvoorbeeld als er gewerkt wordt met open dies (chips zonder behuizing), kan de kritische grens bij enkele tientallen volts liggen!

In alle gevallen is het doel het opladen van personen en objecten te voorkomen. De maximaal optredende oplading mag dan per situatie verschillen, oplading is het probleem

ESD veilige omgeving

Allereerst begint men met vast te stellen wat de ESD veilige omgeving moet zijn. Deze omgeving moet goed gemarkeerd zijn en eventueel zelfs met een deur met toegangscontrole afgeschermd worden. In ieder geval moet het een en ander duidelijk zijn dat men een ESD veilig gebied betreedt. De personen die van de ruimte gebruik maken moeten begrijpen welke maatregelen genomen zijn en waarom deze genomen zijn en zich houden aan de instructies (gekwalificeerd personeel).

Geleidende oppervlakken

Binnen dit gebied moeten goed geleidende vlakken worden aangebracht. Dit kan bijvoorbeeld door een geleidende laag op de vloer aan te brengen of gebruik te maken van geleidende vloerbedekking. Ook kunnen werktafels en bureaus voorzien worden van geleidende lagen.

Medewerkers

De personen zelf moeten hun lading goed kwijt kunnen naar aarde. Hierbij maken we onderscheid tussen vaste medewerkers en bezoekers. Vaste medewerkers kunnen van speciale ESD kleding en schoeisel voorzien worden en geleerd worden met geleidende armbanden te werken. Hiermee is het grootste risico op oplading al weggenomen.

Bezoekers

Het is over het algemeen niet kosteneffectief en niet handig om ook voor bezoekers speciaal schoeisel en kleding aan te schaffen. Daarom kan in dergelijke gevallen gebruik gemaakt worden van ESD-clips die onder het schoeisel doorlopen zodanig dat de lading eenvoudig weg kan vloeien.

Controle

Het is dan wel van belang om bij de toegang tot de ESD-veilige omgeving een tester neer te hangen zodat men kan controleren of de genomen ESD maatregelen voldoen.

Discipline

Een van de belangrijkste punten is echter de discipline die gehanteerd wordt bij het handhaven van de maatregelen. Het is o zo gemakkelijk om even zonder ESD-schoeisel door te lopen of om even zonder ESD-armband te werken. Iedereen moet zich er terdege van bewust zijn dat ESD veilig werken bij de mensen zelf begint.

Objecten

Zoals eerder gemeld kunnen niet allen personen maar ook objecten opladen. Kunststof bakken, kunststof verpakkingsmateriaal zijn hier vaak de boosdoeners. Er bestaan speciale (geleidende) ESD-bakken en ESD-verpakkingsmateriaal.
Denk echter ook eens aan soldeerbouten en ander gereedschap. De ontlading kan natuurlijk ook gemakkelijk via de punt van de soldeerbout plaatsvinden en dan vaak nog op een punt midden in de print! Een goede kwaliteit soldeerbout, met een goede aarde is dus net zo belangrijk.

Ioniserende lucht

In enkele gevallen zijn de bovengenoemde maatregelen nog niet voldoende. In dergelijk gevallen wordt ook wel gewerkt met geïoniseerde lucht. Hiermee kan men in combinatie met de eerder genoemde maatregelen voorkomen dat een persoon of zelfs bijvoorbeeld alleen een hand verder oplaadt dan 10 Volt. Dit laatste is echter alleen in uitzonderlijke gevallen nodig.

Meer informatie over ESD?

Wilt u meer informatie over een goed ESD ontwerp of over hoe u het beste ESD veilig kunt werken? Neem dan contact met ons op voor een goed advies!

Terug naar overzicht