Sähköstaattinen purkaus

Kohteesta Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Sähköstaattinen purkaus[1] (engl. Electrostatic discharge[2][1], ESD[2][1][3]) eli staattisen sähkön purkaus[2][3] on staattisen sähkövarauksen purkautumisilmiö. Riittävän suuren varauksen nopea siirtyminen saattaa näkyä pienenä kipinäpurkauksena ja sen voi tuntea, kun se tapahtuu esimerkiksi sormenpäässä.

Ilmiöstä voidaan käyttää myös nimitystä "kipinäpurkaus", mutta kipinöintiä esiintyy muihinkin sähköisiin ilmiöihin liittyen. Toisaaltaan sähköstaattinen varaus voi purkautua muutenkin kuin kipinänä.

Sähköstaattisen purkauksen synty[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Sähköstaattinen purkaus voi syntyä esimerkiksi, kun ihmisen keho on varautunut ja ihminen koskettaa varaustilassa olevaa esinettä. Varaus syntyy usein kahden materiaalin välille, joilla on eri dielektrisyysvakiolähde?. ESD syntyy yleisimmin hankauksesta syntyvän staattisen sähkövarauksen seurauksena. Toinen ESD:n aiheuttaja on elektrostaattinen induktio. Yleisin ESD:n ilmenemismuoto on kipinä.

Staattisia varauksia syntyy muun muassa materiaalien kontaktin, ionisaation tai johtumalla siirtyvien varausten kautta. Materiaalien välillä varauksia syntyy helposti nk. hankaussähkö-ilmiön takia. Varauksen syntyminen riippuu voimakkaasti materiaalien laadusta ja materiaalipareista. Varautumisominaisuuksien perusteella materiaalit voidaan laittaa järjestykseen, jota kutsutaan triboelektriseksi sarjaksi[4]. Mitä kauempana materiaalit sarjassa sijaitsevat, sitä voimakkaammin ne varautuvat. Staattinen sähkö voi varata ihmisen, koneen tai esineen helposti kilovolttien tasoiseen jännitteeseen. Varautumisen suuruuteen vaikuttavat mm. materiaalien kemialliset ja fysikaaliset ominaisuudet, epäpuhtaudet ja kosteus sekä kappaleiden välinen sijainti ja kontakti.

Staattinen varaus syntyy helposti eristeisiin, koska niissä potentiaalierot eivät pääse tasoittumaan. Samassa kappaleessa voi olla erisuuruisia ja jopa eri merkkisiä varauksia. Eristeessä varaus voi säilyä pitkiä aikoja ja purkautuvat vasta pinnan epäpuhtauksien ja ympäristötekijöistä aiheutuvan johtumisen takia.

Staattisen purkauksen huippuvirta voi olla jopa 200 A ja suurin taajuuskomponentti jopa 5 GHzlähde?.

Ominaisuudet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Staattisen varauksen purkautuminen kestää purkauspiirin resistanssista ja induktanssista riippuen alle nanosekunnista aina satoihin nanosekunteihin. Purkauksen hetkellinen virta voi olla varautuneen kappaleen kapasitanssista ja purkauspiiristä riippuen useita kymmeniä ampeereja. Varautuneiden laitteiden välillä purkautumisvirran huippu nousee helposti satoihin ampeereihin.

Ilman läpilyöntilujuus on noin 3 kV/mm[5], mutta jännitteen läpilyöntietäisyys riippuu vahvasti kappaleiden muodosta, joka vaikuttanee sähkökentän voimakkuuteen. Purkauskipinän pituudesta voi päätellä myös varausjännitteen suuruuden: esimerkiksi 2 mm kipinä syntyy noin 6 kV jännitteellä. Kuivalla pakkassäällä sopivissa keinokuituvaatteissa ihmisen varausjännite voi olla luokkaa 20 kV.

Vaikutukset[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Purkautuvan varauksen ollessa riittävän suuri purkaus voi aiheuttaa näkyvän kipinän ja ESD saattaa sytyttää herkästi syttyviä aineita. Tästä on esimerkkinä pölyräjähdys.

Sähköstaattinen purkaus tuhoaa helposti puolijohdekomponentteja, koska hetkelliset jännite-, teho- ja virta-arvot ovat suuria. Purkaus voi aiheuttaa metallin sulamista, pn-liitoksen pettämisen tai ohuen oksidikerroksen tuhoutumisen. Vaikutukset komponenteille voidaan jakaa hetkellisiin toimintahäiriöihin, suoritusarvojen heikkenemiseen sekä pysyvään vikaantumiseen[6]. Vikojen havaitseminen komponenteissa voi olla vaikeaa, koska viat eivät välttämättä ilmaannu heti ja saattavat esiintyä vain tietyissä olosuhteissa. Vaurioitunut komponentti voi aiheuttaa myös järjestelmässä muiden osien vaurioitumisen[7].

Purkauksen tapahtuessa elektroniikkaa sisältävään laitteeseen voi laite vahingoittua. Herkimmät komponentit vaurioituvat jopa 30 V jännitteellä. Ihmisestä voi syntyä huomaamatta jopa 3000 V purkaus. Esimerkiksi laitteen toimintakyky voi heikentyä, sen suoritusarvot voivat alentua ja siihen voi syntyä tilapäisiä vikatoimintoja. Purkauksen aiheuttama vaurio voi tulla esille vasta vuosien käytön jälkeen, koska se on yleensä vaikea paikantaa. Vaurio voi aiheuttaa muun järjestelmän vaurioitumista, mikä vaikeuttaa alkuperäisen vianaiheuttajan tunnistamista.[8][9]

ESD aiheuttaa myös hetkellisen voimakkaan sähkömagneettisen pulssin eli radiosignaalin. Tämän takia ESD:n lähellä olevien digitaalipiirien toiminta voi helposti häiriintyä.

ESD:ltä suojautuminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

ESD:ltä suojaamattoman laitteen tunnus
ESD-suojatun laitteen tunnus
ESD-maadoituspisteen tunnus

ESD:ltä suojautuminen esimerkiksi elektroniikka-alan työskentelyssä tapahtuu pääasiassa johtamalla staattiset varaukset hallitusti maadoituksen tai varausta poistavan materiaalin kautta sähköjärjestelmän maatasoon. Varausta poistavan materiaali tasoittaa varauksen kohtuullisessa ajassa, mutta ei kuitenkaan aiheuta haitallisia suurivirtaisia ja nopeita varauksien purkauksia. Varausta poistavan osittain johtavan materiaalin resistanssi on tyypillisesti 100 kΩ ja 1 GΩ välillä. Eristeiden pinta varautuu helposti ja aiheuttaa ympärilleen staattisen sähkökentän, joka puolestaan voi varata viereen tuotavan johteen. ESD-suojauksen periaatteena onkin poistaa eristävät materiaalit tai estää eristeestä lähtöisin olevan varausten kerääntyminen johtavan materiaalin avulla.

Varautumaton materiaali on erityismateriaaleilla käsitelty tai päällystetty, heikosti sähköä varaava materiaali. Ne eivät kuitenkaan rajoita energian siirtymistä materiaalin läpi.

Henkilösuojaukseen on olemassa ESD-suojavarusteita, esimerkiksi megaohmin resistanssilla varustettuja maadoitusrannekkeita ja varausta poistavia jalkineita. Varausta poistavat jalkineet vaativat johtavan tai varausta poistavan lattiamateriaalin toimiakseen. Herkästi varautuvia vaatemateriaaleja kuten keinokuituja ja villaa tulee välttää. Vaatetuksen suhteen turvallisin vaihtoehto on käyttää takkia tai pukua, jossa on sähköä johtavia kuituja ja maadoituspiuha.[10][11]

Staattiselta sähköltä suojattu alue (ESD Protected Area, EPA[12]) pienentää sähkökenttien ja purkausten aiheuttamaa komponenttien vaurioitumisriskiä. Suojausta käytetään pääasiassa elektroniikkateollisuudessa. Suoja-alueen EPA-maadoitusverkko on rakennettu siten, että nopeita potentiaalinmuutoksia ei pääse syntymään. Tämä toteutetaan maadoittamalla kaikki johtavat materiaalit ja työntekijät. Lisäksi alueelta poistetaan herkästi varautuvat materiaalit kuten styroksi ja muovit. Suoja-alueilla työskennellessä voidaan käyttää maadoitusrannekkeita, -jalkineita tai johtavia kuituja työvaatteissa. Työpisteen alustana käytetään johtavaa lattiaa tai mattoa. Työalueen suhteellinen ilmankosteus voidaan säätää 30-40%, mikä estää sähkövarausten syntymistä.[13] Työtilassa voidaan käyttää myös ilman ionisointilaitetta, joka synnyttää ilmaan positiivisia ja negatiivisia ioneja. Varautuneet materiaalit vetävät vastakkaisen merkkisiä varauksia puoleensa ja neutralisoituvat. [14]

Laitteet voidaan suojata ESD:ltä tyypillisesti eristämällä tai maadoittamalla kosketeltavat osat. Laitteen sähköiset liitännät suojataan usein ESD suojakomponenteilla kuten ferriiteillä, aktiivikomponenteilla, diodikytkennöillä tai sarjavastuksella.

Tietokoneen sisäisiä komponentteja käsiteltäessä tulisi ottaa sähköstaattiset purkaukset huomioon, koska komponentteja ei yleensä ole erikseen ESD:ltä suojattu. Ihmiskeho on hyvä johdin, joten se kerää sähköisiä varauksia. Ennen tietokoneen sisäisiin osiin koskemista, varaus tulisi purkaa koskettamalla maadoitettua johtavaa pintaa, esimerkiksi tietokoneen metallirunkoa tai lämpöpatteria. Piirilevyjä kannattaa kuitenkin käsitellä varoen pitämällä niitä kiinni reunoista ja välttää komponenttien johtimien koskemista.[15] Muita keinoja välttää staattisen varauksen syntyminen, on tehdä asennus seisten kovalla alustalla, sillä istuen staattinen varaus syntyy helpommin. Myös korut ja tietokoneen lisälaitteet on syytä poistaa. Asennusta ei myöskään ole syytä tehdä ukkosella.[16] [17]

Herkät laitteet ja komponentit pakataan yleensä kuljetuksen ja varastoinnin ajaksi ESD:ltä suojaaviin antistaattisiin pusseihin tai laatikoihin. Yleisimmin käytetyt antistaattiset pussit ovat väriltään hopeisia ja ne estävät sähköstaattisen purkauksen muodostumista toimimalla Faradayn häkkinä pussin ympärillä. Vaaleanpunaiset pussit on päällystetty antistaattisella aineella, joka estää varauksen muodostumista. Antistaattinen aine voi kuivua ajan kuluessa, jolloin pussiin alkaa varautua staattista sähköä. Lisäksi on olemassa antistaattisia pusseja, jotka johtavat sähköä tarpeeksi hyvin hävittääkseen pussiin syntyvät sähkövaraukset.[18]

ESD-ominaisuuksien testaaminen[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

ESD on osa laitteiden sähkömagneettista yhteensopivuutta (EMC). Tärkein laitteiden ESD-testistandardi Euroopassa on EN 61000-4-2. [19] Testeissä erotellaan purkaustapoina kontaktipurkaus ja ilmapurkaus[20].

ESD-pakkausmateriaaleja käsittelee standardi EN 61340-5-3[21].

Katso myös[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Lähteet[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

  1. a b c Ylijännitesuojaus, Phoenix Contact
  2. a b c Staattisen sähkön vaarojen tunnistaminen ja hallinta prosessiteollisuudessa - Koulutusaineisto, Sanasto; Staha
  3. a b Staattisen sähkön purkauksen (ESD) suojaus, Nemko
  4. Fundamentals of Electrostatic Discharge, Part One—An Introduction to ESD / How Material Characteristics Affect Static Charge - Triboelectric Series; ESD Accosiation, 2010
  5. Dielectric Strength of Air; The Physics Factbook
  6. Fundamentals of Electrostatic Discharge, Part One—An Introduction to ESD / ESD Damage—How Devices Fail; ESD Association, 2010
  7. Types of ESD Damage
  8. Mikko Kuisma: ESD-luento Viitattu 11.10.2015.
  9. ESD-suojaus H. Honkanen. Viitattu 11.10.2015.
  10. http://ftp1.digi.com/support/documentation/0220142_a.pdf Preventing Damage from Electrostatic Discharges to Electronic Assemblies - Rabbit Technical Note TN268
  11. http://descoindustries.com/pdf/TB-5546.pdf ESD Statshield® Protective Smocks Grounding, Testing and Maintenance - DESCO INDUSTRIES INC., TECHNICAL BULLETIN TB-5546
  12. Fundamentals of Electrostatic Discharge, Part Two—Principles of ESD Control / Basic Principles of Static Control; ESD Accosiation, 2010
  13. http://www.esdsystems.com/whitepapers/wp_humidity.html Humidity and ESD Control - Ryne C. Allen, 1998
  14. http://www.zilog.com/appnotes_download.php?FromPage=DirectLink&dn=WP0001&ft=White%20Paper&f=YUhSMGNEb3ZMM2QzZHk1NmFXeHZaeTVqYjIwdlpHOWpjeTlsZWpnd0wyRndjRzV2ZEdWekwzZHdNREF3TVM1d1pHWT0= Zilog WP000101-0901 - Preventing Electrostatic Discharge
  15. http://www.circuitrework.com/guides/2-1.shtml Handling Electronic Assemblies, Circuit Technology Center
  16. Computer Hope, ElectroStatic Discharge or ESD, 2013
  17. www.dell.com, Suojautuminen sähköstaattiselta purkaukselta, 2007
  18. http://www.esdjournal.com/techpapr/ryne/esdbags.htm ESD BAGS: TO SHIELD OR NOT TO SHIELD - Ryne C. Allen, 1999
  19. SFS-standardit 2010, SESKO, sivu 15
  20. Electrostatic Discharge (ESD), MT-092, sivu 6; Analog Devices
  21. ESD-pakkausten vaatimukset ja luokittelu, SESKO, 2011

Aiheesta muualla[muokkaa | muokkaa wikitekstiä]

Tämä fysiikkaan liittyvä artikkeli on tynkä. Voit auttaa Wikipediaa laajentamalla artikkelia.