從ESDA的新標(biāo)準(zhǔn)看ESD接地
摘 要:
美國靜電放電協(xié)會（ESDA）新的接地標(biāo)準(zhǔn)揭示了一些建立EPA接地系統(tǒng)時的問題。標(biāo)準(zhǔn)的這次修訂將會簡化ESD控制計劃實施時的一些工作。希望本文有助于工程人員對更新后的ANSI/ESD S6.1的熟悉和理解，消除ESD控制中的接地的疑問。
在一個既定的區(qū)域內(nèi)將所有的靜電導(dǎo)電材料和靜電耗散材料的物品進(jìn)行電氣連接并接入大地，就可以讓這個區(qū)域內(nèi)保持相同電位；同時，靜電導(dǎo)電材料和靜電耗散材料等勢接地應(yīng)保證對地電位為0V，這些是建立ESD保護(hù)區(qū)域，降低區(qū)域中的靜電敏感器件在取放和操作中電位差導(dǎo)致放電風(fēng)險的基本原則，而這種保護(hù)區(qū)就是我們所說的靜電保護(hù)區(qū)（EPA）。
此外，由于處于接地的靜電導(dǎo)電材料和靜電耗散材料不會聚集靜電荷，只要進(jìn)行了接地，即便是這些材料原來所帶了靜電荷，也會得到泄放。
ESDA關(guān)于接地的最新標(biāo)準(zhǔn)ANSI /ESD S6.1-2005對原標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了重大的調(diào)整。新S6.1標(biāo)準(zhǔn)為ESD技術(shù)設(shè)計人員和其他相關(guān)技術(shù)人員在對EPA的接地和電氣連接時給出了一個明確的指導(dǎo)。標(biāo)準(zhǔn)修訂前，標(biāo)準(zhǔn)編寫專家仔細(xì)研究了美國防火協(xié)會NFPA70標(biāo)準(zhǔn)和其他國家有關(guān)電線連接的內(nèi)容。
希望本文能夠?qū)鴥?nèi)的電子產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)建立ESD接地系統(tǒng)提供有用的信息。
新術(shù)語
更新后的S6.1標(biāo)準(zhǔn)定義和使用了幾個新術(shù)語，其中有一些在本文中也會提及，因為還尚未廣為人知的緣故，在這里我們先作一個介紹。
連接導(dǎo)體bonding conductor：一種用于連接兩個獨立的靜電導(dǎo)電材料或靜電耗散材料物體的導(dǎo)電裝置，這種裝置可以是導(dǎo)線、母線、法蘭或其他的導(dǎo)電裝置。
共同連接點common connec-tion point：自身電阻小于1歐姆的一個裝置或位置，用于連接2個或2個以上的ESD技術(shù)物品（如臺墊、手挽帶等），讓它們在沒有接地的情況下通過等電位的連接確保處于相同電位。
ESD接地/連接參考點The ESD grounding/bonding reference point：最適用于設(shè)備或場地ESD接地的接地系統(tǒng)，它可以是AC接地、輔助接地或等電位連接。
ESD技術(shù)物品ESD technical element：EPA中用于靜電控制的材料、物品、裝置、工具和設(shè)備，如手腕帶、鞋接地帶、防靜電工作臺以及防靜電地板等
2級技術(shù)物品A Level 2 techni-cal element：連接到已經(jīng)連接共同接地點(common-point ground)或共同連接點(common connection point）的ESD技術(shù)物品(ESD technical ele- ment)，如站立在防靜電地板上穿戴鞋接地帶的人。
接地系統(tǒng)的選擇
我們在設(shè)立EPA時首先考慮的可能是選擇最適合的接地系統(tǒng)。在標(biāo)準(zhǔn)中給出了幾個ESD接地/連接參考點的選擇。其中設(shè)備接地是絕大多數(shù)工廠的首選，其次是輔助接地和等電位連接。
交流接地。多數(shù)情況下這是北美120V標(biāo)準(zhǔn)交流插座中第三根線，使用綠色或有黃色條紋的綠色導(dǎo)線，也有一些國家使用其他顏色的線。這根線是設(shè)備接地導(dǎo)體，它從插座連接到接地線盤上，而后者又連接到總配電柜的中性線盤上（如配電柜進(jìn)線的電源線盤）。
在多數(shù)工廠，接線導(dǎo)管與設(shè)備接地體電位相同，因此可以用于設(shè)備交流接地。當(dāng)然，這是以正確的接線為前提的，即便是接線沒有問題，也應(yīng)該先由持證的電器工程師進(jìn)行檢驗。這在新標(biāo)準(zhǔn)中進(jìn)行了示意。
輔助接地。某些時候，需要考慮使用輔助接地系統(tǒng)是EPA最好的接地途徑，因為設(shè)備不接地可以去除任何的ESD和電磁波引起的信號干擾，但是這樣做須經(jīng)過認(rèn)真地研究和討論。最初，靜電接地標(biāo)準(zhǔn)起草工作小組認(rèn)為，這樣做會讓兩個接地有不同的電位，成為一個非常棘手的問題。工作小組成員發(fā)現(xiàn)設(shè)備交流接地和單獨的輔助接地之間的電位差有時會超過500V。如果這在工作站出現(xiàn)，就不能提供ESD敏感器件取放所需的OV操作環(huán)境。
這個問題在S6.1后面的陳述中給予了解決說明：無論何種情況下，輔助接地和設(shè)備接地應(yīng)當(dāng)進(jìn)行連接。在某些情況下，輔助接地對于一些特別的活動是必要的，這時必須牢記的是，輔助接地和設(shè)備交流接地的電位是不同的。
等電位連接。這種選擇多數(shù)情況下適用于遠(yuǎn)離生產(chǎn)車間不易設(shè)立EPA的區(qū)域和設(shè)備。將所有的ESD技術(shù)物品，區(qū)域內(nèi)的人員以及工作設(shè)備通過電氣連接接到一起，使它們具有相同的電位。事實上，在這個系統(tǒng)內(nèi)與接地連接的電位有可能會升高，但所有物品仍會處于相同的電位。
這個方法可將系統(tǒng)內(nèi)各物件的不同的電位或靜電勢變?yōu)榈葎菸唬@樣，在其中進(jìn)行敏感器件操作就是安全的；在拿取器件時就沒有電位差，不會發(fā)生放電。等電位連接方式及原理在標(biāo)準(zhǔn)中也給予了示意。
建立共同連接點
對于EPA的設(shè)立來說，一旦ESD 接地/連接參考點建立起來，下一步就是設(shè)立共同接地點或共同連接點。共同接地點是一個接地裝置或位置，它連接到ESD接地/連接參考點，一個或多個ESD技術(shù)物品通過導(dǎo)體連接到這上面。這個共同接地點裝置可以是用于等電位連接，含有導(dǎo)體的任何機(jī)械裝置。接線條、母線、銅電纜以及導(dǎo)體裝置都可以構(gòu)建成共同接地點或共同連接點。所有的ESD技術(shù)物品手腕帶、桌面墊、地板等用接地導(dǎo)線連接到這個共同接地點。
最簡單的系統(tǒng)在標(biāo)準(zhǔn)中給出了示意。手腕帶和工作臺面通過它們的接地線連接到共同接地點，共同接地點連接到交流設(shè)備地。
當(dāng)EPA比較復(fù)雜時，就會出現(xiàn)2級技術(shù)物品。這時，后者通過一個已經(jīng)接地的初始ESD技術(shù)物品進(jìn)行接地。一個技術(shù)人員站立在防靜電地墊或防靜電地板上，這時該人體就是處于2級技術(shù)物品的狀態(tài)，因為用于連接人體接地的腳接地或防靜電鞋是通過地板或地墊接地的，同樣通過地面接地的防靜電椅和帶有導(dǎo)電輪的防靜電推車也是2級技術(shù)物品。其描述示意參見標(biāo)準(zhǔn)。
技術(shù)物品的配置
建立EPA的第三步是確定需要什么樣的ESD技術(shù)物品，以確保去除保護(hù)包裝的靜電敏感器件暴露在靜電場下進(jìn)行取放時的操作風(fēng)險最小。當(dāng)工作站要設(shè)立為有效的EPA時，應(yīng)當(dāng)明確技術(shù)物品的種類和技術(shù)指標(biāo)范圍。
其基本的原則是，如果是坐姿操作，員工必須使用手腕帶作為人體接地的裝置，即便是有可靠的防靜電地板情況下。這時因為他/她的腳會有可能不放在地板上，或接觸地板的力度過小不能達(dá)到接地的效果。
站立或移動操作人體是通過防靜電地板-防靜電鞋來實現(xiàn)人體接地系統(tǒng)的。如果地板-鞋系統(tǒng)是人體主要的接地途徑，則應(yīng)當(dāng)與手腕帶接地系統(tǒng)一樣，要設(shè)定必須的操作要求。能夠提供敏感電壓HBM100V以上保護(hù)的EPA建立的參考標(biāo)準(zhǔn)ESD S20.20中規(guī)定，人體的對地電阻應(yīng)小于35MΩ。
EPA中的另一個技術(shù)物品是防靜電工作臺面。實際應(yīng)用時一般只是一種特別形式，但事實上，其理想狀態(tài)是創(chuàng)造一個沒有靜電產(chǎn)生，或靜電可以迅速消散的區(qū)域，以供無保護(hù)的靜電敏感器件可以在其中進(jìn)行操作。這種區(qū)域另一個目標(biāo)是將工作站內(nèi)的電場和電位差降到最小。
用于ESD保護(hù)的其他物品包括工衣、椅子、推車、貨架及其他物品等，它們同樣要連接到接地系統(tǒng)。每一個輔助的技術(shù)物品必須可以直接或通過2級技術(shù)物品方式連接到共同接地點。理解如何將一個ESD基礎(chǔ)物品通過電氣連接方式接入大地是決定該物品是否能夠?qū)崿F(xiàn)防靜電目的的關(guān)鍵。
接地測量
ESDA關(guān)于接地的標(biāo)準(zhǔn)中特別明確了EPA中ESD控制的測試方法。測量的程序總結(jié)如下：
交流設(shè)備接地。用于建立交流設(shè)備接地的插座到配電柜進(jìn)線的中性線母線的阻抗不應(yīng)超過1Ω.這個測量是用一個交流阻抗測量儀在插座中進(jìn)行測量的。但所用的儀器通常非ESD協(xié)管員所配備，而是一個通用儀器，使用者應(yīng)具備電工操作證。這種儀器不僅測量設(shè)備接地（第三根線）阻抗，而且很多時候用于檢驗電流方向。這里有幾點非常重要：1、火線和中性線不能接反；2、必須要有中性線和設(shè)備接地線，并且在插座中沒有接到一起；3、火線和設(shè)備接地線沒有接反。
雖然這種測量不需要經(jīng)常測試，但是在EPA設(shè)立后以及電路維護(hù)時的線路檢驗時，這卻是非常重要的。
交流設(shè)備地到共同接地點。交流設(shè)備地到共同接地點的電阻不應(yīng)大于1Ω。其測量是使用標(biāo)準(zhǔn)的歐姆表，表的測量范圍為0.1Ω到1 MΩ。歐姆表的電極應(yīng)分別放在交流設(shè)備地和共同接地點上。這樣導(dǎo)線及接點等所有連接裝置的附加電阻都包含在內(nèi)了。
共同接地點到技術(shù)物品接地點。共同接地點到每一個技術(shù)物品接地點的電阻不應(yīng)大于1Ω與該技術(shù)物品接地連接線上的內(nèi)置電阻的電阻值之和。歐姆表的兩個電極應(yīng)該分別放在包含附加電阻的兩端。技術(shù)物品接地線通常包含了一個1MΩ的電阻。附加電阻在標(biāo)準(zhǔn)中并未作要求，但是ESD技術(shù)物品的生產(chǎn)商可能作為限制電流的目的而在導(dǎo)線上接入了電阻。
輔助地到交流設(shè)備地。這個測量可以直接使用歐姆表連接交流設(shè)備地和車間內(nèi)任何在用的輔助接地。測量電極應(yīng)分別置于包含所有相互連接和安全裝置上，測量電阻應(yīng)小于25Ω。NFPA70標(biāo)準(zhǔn)中推薦了一些輔助接地作為補(bǔ)充接地的方法：建筑物的鋼結(jié)構(gòu)，埋入的金屬框架或其他連接到大地的結(jié)構(gòu)都可以作為補(bǔ)充接地或輔助接地。
25Ω電阻值在某些情況下可能太高，因此在車間建設(shè)時應(yīng)仔細(xì)考慮。對于靜電接地來說，25Ω以下的電阻是可以接受的，但對于電磁兼容（EMC）這個值就太高了。
現(xiàn)場服務(wù)。現(xiàn)場服務(wù)時可能不能使用設(shè)備接地線，因此，歐姆表直接連接到ESD技術(shù)物品和服務(wù)對象上，測量電極放置位置應(yīng)包含所有內(nèi)部連接和安全設(shè)施的電阻，阻值總合不應(yīng)大于1Ω。如果ESD技術(shù)物品連接導(dǎo)線使用了電阻，則測量值包含該電阻的阻值。
如果服務(wù)操作時需要使用1個以上的ESD技術(shù)物品時，應(yīng)使用共同連接點。例如，一個工程師可以使用一條手腕帶和一塊便攜式的耗散墊子，站在墊子上面維修部件或?qū)⒉考迦朐O(shè)備當(dāng)中。這時的共同連接點可以是一個單獨的設(shè)施，設(shè)備的金屬框架，或設(shè)備接地母線。只要所有物品包括人體相互連接在一起，ESD敏感器件就不會暴露在有電位差的環(huán)境里。
參考文獻(xiàn):
1.ANSI/ESD S6.1:2005, “Groun-ding” (Rome, NY: ESD Asso-ciation, 2005).
2. NFPA 70,“2005 National Electrical Code” (Quincy, MA: National Fire Protection Association, 2005).
3. ANSI/ESD S20.20:1999, “Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices)” (Rome, NY: ESD Association, 1999).
4. ANSI/ESD S20.20:2007, “Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices) |
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