Antistatiska material – ESD – Definition och fördelar

Elektrostatisk urladdning kan vara ett problem i tillverkningsmiljön: farorna sträcker sig från skador på känsliga komponenter till brand- och explosionsrisker. Det finns en mängd olika alternativ för att minimera dess förekomst. Antistatiska eller ESD-material är ett av dem. Följande artikel täcker orsaker till elektrostatisk laddning, introducerar antistatiska material (ESD-material) och beskriver allmänna principer för att undvika elektrostatisk urladdning.

Hur utvecklas en elektrostatisk laddning?

Elektrisk laddning är en fysisk bevarandeparameter. För att förstå det senare måste man överväga materia på atomnivå. Varje enskild atom består av ett atomskal och en atomkärna. Medan huvudmassan i atomkärnan består av positivt laddade partiklar (protoner) och neutrala elementära partiklar (neutroner), finns det negativt laddade partiklar (elektroner) i atomskalet. Lika laddningar stöter bort varandra och motsatta laddningar lockar varandra. Om protoner och elektroner finns i samma mängd, tar de externa effekterna av de enskilda laddningarna som finns, men är separerade, i atomen ut varandra i laddningssumman. Atomen är elektriskt neutral. Men om det till exempel finns fler protoner än elektroner kallas detta en positiv laddning.

Den elektrostatiska laddningen är nära kopplad till den elektriska laddningen. Om två material gnuggar mot varandra överförs elektroner från ett material till det andra. Även om jordade ledande material samtidigt kompenserar elektronöverföringen med fria elektroner, är detta inte lika lätt möjligt för isolerade eller isolerande material. I dessa fall förlorar materialet som kan hålla elektronerna mindre bra i atomskalet dessa elektroner till friktionspartnern. Den elektronfrigörande friktionspartnern har en positiv laddningssummation på grund av elektronbrist, och den partner som elektronerna överförs till har en negativ laddningssummation på grund av överskott av elektroner. Det finns en laddningsskillnad mellan de två friktionspartnerna. Elektrostatisk urladdning uppstår när två föremål med olika elektriska laddningar kommer i kontakt med varandra. Elektroner byts ut vid kontakt och elektriska haverier kan uppstå. De statiskt laddade komponenterna laddas ur.

Vid urladdning av en inbyggd elektrostatisk laddning kan höga elektriska strömmar flöda, vilket till och med kan orsaka att brandfarliga ämnen brinner eller exploderar.

Hur den elektrostatiska laddningen manifesterar sig beror på spänningsområdet:

• > 3 000 V: Elektrostatisk urladdning är märkbar, t.ex. vid beröring av ett metallblad.
• > 5 000 V: Elektrostatisk urladdning är hörbar, t.ex. sprickbildning, när kläder tas av.
• > 10 000 V: Elektrostatisk urladdning är synlig, t.ex. i form av en gnista eller blixt.

Blixt och gnistor uppstår till exempel när en hög fältstyrka skapas mellan objekt som bär en annan laddning. Om spänningen är tillräckligt stor sker en plötslig laddningsutjämning och en elektrisk ström flödar kort (blixt).

Den stora skillnaden mellan isolerande och ledande material orsakas av stabiliteten eller styrkan hos elektroner inbäddade i atomskalet. Medan alla elektroner i en isolator är bundna till sin atom, kan elektronerna i metaller också röra sig fritt i det strömlösa tillståndet och hoppa från ett atomskal till atomskalet hos en annan atom.

Skydd mot elektrostatisk laddning

Skydd mot elektrostatisk laddning är en viktig aspekt av arbetssäkerheten, vilket också förklaras i vår artikel om Säkerhetsstandarder inom maskinteknik. Varför är skyddet så viktigt? Alla har säkert fått en elektrisk stöt vid kontakt med metallföremål. Men ju högre elektrisk laddning, desto farligare är dessa urladdningar.

I industriella miljöer kan spänningar på upp till 10 000 V lätt uppstå, vilket kan leda till skador eller förstörelse, särskilt på elektroniska komponenter. Standardplaster riskerar att laddas elektrostatiskt eftersom de har hög ytbeständighet. Problem kan uppstå snabbt om elektroniska komponenter transporteras i dem. Pågående miniatyrisering, särskilt inom el- och halvledarsektorn, har ökat känsligheten för elektrostatisk urladdning. Statisk laddning av plast är därför särskilt viktigt. Komponenter som är särskilt känsliga för elektrostatisk urladdning är märkta med ESDS-symbolen för ”Elektrostatisk känslig enhet”:

Det finns också en risk för brand och explosion i produktionen av filmer, halvledare eller papper. Skydd är därför nödvändigt.

Definition: ESD-material och antistatiska material

I grunden skiljer sig antistatiska och ESD-material åt i hanteringen av elektrostatisk laddning. För antistatiskt material är fokus att förhindra att elektrostatisk laddning påverkar materialets elektrostatiska egenskaper. För ESD-material ligger elektrisk ledningsförmåga i förgrunden så att elektrostatiska laddningar kan laddas ur särskilt snabbt. Detta uppnås genom att tillsätta kol. Detta betyder dock inte att antistatiska material inte heller kan ladda ur elektrostatiska laddningar samtidigt; deras konduktivitet är endast lägre än ESD-materialens.

Det finns olika standarder för båda materialgrupperna. Antistatiska material används i allmänhet som personligt skydd, i standarder som EN 1149 för antistatiska kläder eller EN ISO 20345 för antistatiska skyddsskor. Det elektriska motståndet måste vara så lågt att ingen laddning kan ske och till exempel kan gnistor också förhindras. För ESD-material, är fokus på att skydda komponenter. EN 61340-4-1 specificerar krav för ledningsförmåga hos ytor och material. Det finns dock ESD-material som används för personligt skydd, t.ex. ESD-skor. För ESD-skor gäller striktare specifikationer med avseende på godkänt elektriskt motstånd: De har ett elektriskt motstånd mellan 0,1 megaohm och 100 megaohm, medan intervallet för antistatiska material är 0,1 till 1000 megaohm. ESD och antistatiska material används också i ledande golvbeläggningar och förpackningsmaterial och specialbeläggningar, till exempel.

Beroende på kontaktmotståndet kan materialen delas in i olika kategorier, vilket i sin tur också är avgörande för antistatisk och ESD-teknik:

Driftsprinciper

Funktionaliteten hos de olika materialkategorierna skiljer sig åt enligt följande principer:

• Avsöndring: ESD-material styr den skapade laddningen på ett kontrollerat sätt genom materialet och distribuerar den för att undvika farliga spänningsskillnader.
• Isolering: Isolerande material förhindrar förflyttning av laddningar, vilket kan vara användbart i vissa områden för att skydda känsliga komponenter från okontrollerad urladdning.
• Avslag: Med hjälp av speciella ytstrukturer och tillsatser förhindrar antistatiska material att laddningar ackumuleras på ytan.
• Jordning: Ledande material är anslutna till jordpotential med definierade jordningspunkter för att ladda ur överskottsavgifter på ett kontrollerat sätt.

Testmetoder

Det elektriska isoleringsbeteendet hos ett material kan bäst bestämmas genom att bestämma ytmotståndet och kontaktmotståndet. Kontaktmotståndet, även kallat elektriskt motstånd, är motståndet mot strömflödet genom ett material och specificeras i ohm. Kontaktmotståndet ger information om hur bra eller dåligt ett material kan ladda ur laddningar i riktning mot en jord. Avläsningar görs genom att fästa en elektrod vardera på toppen och botten av ytan och passera en mätström genom dessa. Ytmotståndet beskriver i sin tur det elektriska motståndet på materialytan. Det elektriska motståndet bestäms genom att applicera en elektrisk spänning med hjälp av två parallella elektroder på ytan och genom att strömmen flödar genom båda elektroderna.

Designbaserade metoder för att förhindra statiska laddningar

Statisk laddning kan redan effektivt minimeras eller förhindras genom ändamålsenliga designåtgärder på system, komponenter och kritiska arbetsområden. Relevanta kontrollparametrar inkluderar:

• Val av material
• Jordning
• Luftfuktighetskontroll
• Joniserare
• Undvikande av friktion

Val av material

I allmänhet beror valet mellan antistatiska eller ESD-material på tillämpningen. ESD-material rekommenderas om en elektrostatiskt känslig produkt ska transporteras, monteras eller bearbetas. Om statiska laddningar måste förhindras från början, till exempel för att skydda personal mot gnistor, är antistatiska material bättre lämpade eftersom de minimerar laddningsuppbyggnad. MISUMI har olika antistatiska material. Specialplaster med specifika egenskaper kan också vara lämpliga material. Läs mer i vår artikel Specialplaster.

Elektrostatisk jordning

Om den är korrekt jordad kan överskjutande elektriska laddningar laddas ur direkt mot jordpotentialen. Detta kan exempelvis uppnås genom speciella elektriskt ledande arbetsstationsmattor, jordningsremmar eller speciella jordningspunkter på maskiner. Alla ledande komponenter ska ha en permanent anslutning till jord.

Luftfuktighetskontroll

Ju högre luftfuktighet, desto högre ledningsförmåga av luften och bättre överskott avgifter kan släppas och distribueras till luftburna vattenmolekyler. Om det tillåts av tillverkningsmiljön kan en högre luftfuktighet därför användas och övervakas. En relativ luftfuktighet på 50-60 % rekommenderas.

Joniserare

Om endast jordningen är otillräcklig kan joniserare användas för elektrostatisk urladdning. De genererar positivt och negativt laddade jonpar som binder till och kompenserar för befintliga statiska laddningar inom joniserarens effektiva intervall. Joniserare används ofta när arbetsdelar av isolerande material bearbetas för att eliminera oönskade statiska laddningar.

Undvikande av friktion

Friktion mellan isolatorer eller material med hög impedans är en av de främsta orsakerna till statisk laddning. Friktion kan undvikas genom att använda hjälpmedel, såsom antistatiska smörjmedel eller glidande tillsatser. En djupare förståelse av friktionsegenskaperna hos ett material kan också bidra till att bättre klassificera de operativa processerna. För mer information, se Friktions- och friktionskoefficientbestämning av friktionsvärden för material.

Ett annat alternativ är en speciell ytbehandling, som säkerställer att en jämnare struktur produceras. Detta kan exempelvis uppnås genom polerade ytor eller även genom speciella material som antistatisk silikon eller PTFE (Teflon) med ledande fyllmedel.