Rollenkontakt: Die Achillesferse der ESD-Böden

Jul 04, 2023

Wozu dient die Verlegung eines ESD-Bodens? Die häufigste Antwort auf diese Frage lautet: „Wir brauchen ESD-Bodenbeläge, um statische Aufladungen des mobilen Personals zu verhindern, wenn es mit statisch empfindlichen Teilen und Systemen umgeht.“ Mit anderen Worten: Wir brauchen die Wirksamkeit einer Handschlaufe, wollen uns aber nicht mit den Einschränkungen durch Drähte und Schnüre auseinandersetzen.

Während diese Antwort ein Schlüsselmerkmal eines ordnungsgemäß funktionierenden ESD-Bodens hervorhebt, legt sie die Messlatte sehr niedrig. Es unterschätzt auch die vielen Vorteile, die ein ESD-Boden tatsächlich bietet. Wie jede andere Komponente zur statischen Abschwächung ist auch der ESD-Bodenbelag nur ein Teil eines größeren Gesamtsystems, das alle Teile, Maschinen, Werkzeuge, Verpackungen, Arbeitsflächen und Personal auf dem gleichen Potenzial hält.

Bei der Bewertung von Böden konzentrieren sich Planer auf zwei Hauptleistungsparameter: 1) den elektrischen Widerstand des Bodensystems; und 2) wie viel Ladung eine Person entwickeln kann, wenn sie mit bestimmtem Schuhwerk auf dem Boden geht. Aber was ist mit den Teilen selbst? Wie schützen wir sie? Wenn wir Teile von einem Betrieb zum anderen transportieren, halten wir sie nicht in der Hand. Wir bewegen Teile und Systeme in Druckverschlussbeuteln, auf Rollwagen mit Tabletts und ggf. mit automatisch geführten Fahrzeugen. In agilen Fertigungsabläufen könnte der ESD-Boden sogar als primärer Untergrund für Werkbänke auf Rädern dienen.

Abbildung 1: Leitfähige Stuhlrolle auf einem ESD-Boden

ESD-Böden sollen verhindern, dass statische Entladungen elektronische Teile und Baugruppen in einem ESD-geschützten Bereich (EPA) beschädigen. Sie werden aus mehreren Gründen installiert. Der ideale Boden verhindert statische Aufladung auf:

Einige ESD-Böden erfüllen alle drei Aufgaben. Andere verhindern die Entstehung statischer Aufladung bei Menschen, tragen aber wenig oder gar nichts zum Schutz der Ausrüstung oder zur Erdung mobiler Arbeitsstationen, Wagen und ESD-Stühle bei.

Um Qualitätsprodukte herzustellen, die ISO-Zertifizierung zu bestehen und Kunden zufrieden zu stellen, müssen Elektronikbetriebe ANSI/ESD S20.20 erfüllen. Um die ESD-Anforderungen für Bodenbeläge in ANSI 20.20 zu erfüllen, konzentrieren Käufer und Planer häufig ihre ganze Aufmerksamkeit auf den elektrischen Widerstand des Bodenbelag-/Klebstoffsystems. Doch Widerstand ist nur ein Leistungsparameter.

Es ist eine einfache Aufgabe, Böden zu finden, die die Punkt-zu-Punkt- (RTT) und Punkt-zu-Erde- (RTG)-Beständigkeitsanforderungen von S20.20 erfüllen. Die Einhaltung aller Aspekte von ANSI/ESD S20.20 erfordert, dass der Boden mehrere Funktionen erfüllt und nicht nur einen elektrischen Widerstandsparameter erfüllt. Ebenso wichtig ist es, die maximale Spannung zu bestimmen, die der Boden in Kombination mit bestimmtem Schuhwerk auf eine Person ausübt. Möbel, mobile Arbeitsplätze und Geräte müssen außerdem ordnungsgemäß über den Boden geerdet sein, wobei der Widerstand zwischen den Rollen und dem ESD-Bodenboden im akzeptablen Bereich S20.20 (< 1,0 x 109) liegen muss.

Nachfolgend sind einige Tests aufgeführt, die jeder Endbenutzer bei der Bewertung von Böden durchführen sollte:

Im Rahmen einer ESD-Fliesenbewertung durch die Gebäudeabteilung eines Herstellers medizinischer Instrumente wurden Testböden verlegt. Verschiedene Eigenschaften wurden bewertet, darunter Ebenheit, Rutscheigenschaften, Widerstandsfähigkeit des Bodensystems, Erzeugung von Körperspannung, Leichtigkeit des Rollens schwerer Geräte, Wartung sowie Schwierigkeit bei Installation und Reparatur.

Eine der Bodenbelagsoptionen erfüllte alle Kriterien, einschließlich der Möglichkeit der Verlegung ohne Klebstoff und durch interne Arbeit. Vor der Bestellung des Bodenbelags stellte ein Fertigungsingenieur jedoch mehrere mobile Wagen auf den Testboden und maß den Erdungswiderstand von der Wagenoberfläche über die leitfähigen Rollen bis zum erdbaren Punkt des Bodens.

Trotz der Tatsache, dass der Boden selbst gemäß ANSI/ESD S7.1-Tests im Leitfähigkeitsbereich (< 1,0 x 106) gemessen wurde, hat der Bodenbelag den Test der mobilen Arbeitsstation nicht bestanden, wobei die Messungen des Erdungswiderstands von der Wagenoberfläche aus zwischen 1,0 lagen x 106 bis 1,0 x 1012. Gemäß ANSI/ESD S20.20 stellt jede Messung > 1,0 x 109 einen Fehler dar. Sieben Messungen der anfänglichen 40 Testpunkte überschritten das ANSI-Maximum (siehe Tabelle 1).

Dieser Probenahme folgten über 1000 Messungen. Die Ausschussquote lag bei ca. 16 %. War der Wagen das Problem? Beim Aufstellen auf eine Metallplatte betrug der Bodenwiderstand des Wagens deutlich weniger als 1,0 x 107. Um Verschmutzung als Variable auszuschließen, wurden der Bodenbelag und die Rollen gründlich gereinigt und erneut getestet. Dies hatte kaum Auswirkungen und die Messungen blieben inakzeptabel. Der Widerstand zwischen dem Wagen und dem Boden änderte sich um vier bis sechs Größenordnungen, indem der Wagen nur um einen Zentimeter bewegt wurde. Da der Widerstand des Bodenbelags und der Wagenrollenwiderstand konsistent waren, war die einzige verbleibende Variable die zufällige Platzierung der Rollen (Rollen- und Bodenschnittstelle) auf den Bodenfliesen.

Die Abbildungen 2 und 3 sind Fotos eines Tablettwagens, der häufig in EMS-Einrichtungen (Electronic Manufacturing Service) zu finden ist. Der Wagen steht auf einem Bodensystem mit leitfähigen Chips. Dieser Boden würde als leitfähiger Chipboden mit niedriger Dichte (LD) kategorisiert. Dieses spezielle Bodensystem bietet einen leitenden Pfad von schwarzen Oberflächenspänen durch seine Dicke zu einer kohlenstoffhaltigen Grundplatte auf der Unterseite. Als erdbarer Punkt wurde ein 24-Zoll-Kupferstreifen verwendet. Beim Test mit einer 2,27 kg schweren NFPA-Sonde mit einer Länge von 6,35 cm (2,5 Zoll) lag der Bodenwiderstand deutlich unter 1,0 x 106.

Figur 2

Figur 3

In Abbildung 2 überschreitet die Messung zwischen Wagen und Boden die Grenzwerte (< 1,0 x 109) von ANSI/ESD S20.20. In Abbildung 3 ist eine konforme Messung das Ergebnis einer geringfügigen Änderung der Position desselben Wagens auf derselben Bodenfliese. Genau wie die Ergebnisse in Tabelle 1 bestätigen diese Widerstandsmessungen eine hohe Korrelation zwischen vernachlässigbaren Änderungen in der Rollenposition und erheblichen Änderungen im Widerstand.

Wie der in den Abbildungen 2 und 3 gezeigte Wagen waren auch die vom Hersteller medizinischer Geräte verwendeten Wagen mit vier leitfähigen Rollen ausgestattet. Der Erdungswiderstand zwischen Wagen und Erdungspunkt erfüllte in 84 % der Fälle die ANSI/ESD-Anforderungen. Eine Erfolgsquote von 84 % bedeutet, dass in 16 % der Fälle kein einziger leitfähiger Gießer ausreichenden Kontakt mit dem leitfähigen Spanboden hatte.

Eine andere Möglichkeit, dies zu betrachten, wäre, die Daten aus der Perspektive der Wahrscheinlichkeit zu betrachten, dass vier aufeinanderfolgende Ereignisse das gleiche Ergebnis haben. In diesem Fall wären die Ereignisse gleichzeitig. Wie hoch ist beispielsweise die Wahrscheinlichkeit, dass bei einem Münzwurfexperiment viermal hintereinander der Kopf geworfen wird? Die Gleichung würde

sei die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelnes Ereignis eintritt, multipliziert mit sich selbst, viermal, also ½ x ½ x ½ x ½ = eins zu 16.

Wenn wir diesen Ansatz lose auf unser Bodenbelagsproblem anwenden (zur Vereinfachung schließen wir die Partikeldichte gegenüber der Gesamtfläche aus), könnten wir sagen, dass wir nach 100 Versuchen zufällig alle vier Rollen dazu bringen können, 16 Mal gleichzeitig kein leitfähiges Partikel zu berühren. Wie groß ist also die Möglichkeit, dass ein einzelner Zauberer ein leitfähiges Partikel nicht berührt? Zumindest stellen wir die Wahrscheinlichkeit in Frage, dass vier aufeinanderfolgende Entweder-Oder-Ereignisse eintreten. Unsere einfache Gleichung könnte wie folgt aussehen. X mal X mal X mal X = 16/100. Wenn wir also nach X auflösen, ist die vierte Wurzel aus 16 gleich zwei und die vierte Wurzel aus 100 ist gleich 3,1. Im Wesentlichen liegt die Wahrscheinlichkeit, dass ein einzelner Benutzer die leitfähigen Elemente auf dem Boden nicht berührt, bei 66 %.

Dies ist zunächst einmal ein stichhaltiges Argument dafür, an jedem Wagenpfosten leitfähige Rollen anzubringen. Der eigentliche Vorteil besteht jedoch darin, das alte Statistikbuch herauszuholen und ein valides Experiment durchzuführen, bevor man aufgrund konformer ANSI/ESD 7.1-Testergebnisse davon ausgeht, dass ein ESD-Boden mobile Workstations erden wird.

Dieses Problem kann durch die Anschaffung neuer Böden leicht vermieden werden. Bei der Bewertung eines ESD-Bodens ist es unbedingt erforderlich, den Boden als Teil der Anlage und der Prozesse innerhalb der Anlage zu bewerten. Der Bodenbelag sollte auf Kompatibilität mit allen ESD-Schutzkomponenten, einschließlich Materialhandhabungsprozessen, getestet werden. Ein voll funktionsfähiger Boden kann als Anker für alle mobilen Erdungsanforderungen dienen.

Ein Schlüsselmerkmal vieler ESD-Böden ist die Möglichkeit, umständliche und redundante Anbindungsprozesse innerhalb der EPA zu eliminieren. ESD-Böden machen es außerdem überflüssig, Teile in abgedeckten Tragetaschen und Abschirmbeuteln einzuschließen. Um jedoch den Einsatz umständlicher Verpackungs- und Befestigungsprotokolle zu vermeiden, muss der Boden einen konformen Weg zum Boden für mobile Materialtransportvorrichtungen auf Rollen bieten.

Einige ESD-Böden können leitfähige Rollen aufgrund des schlechten Kontakts zwischen Rollen oder Gleitern und einer geringen Dichte an leitfähigen Punkten oder Spänen auf der Bodenoberfläche nicht effektiv erden. In bestimmten Fällen wird dieses Problem durch das werksseitige Auftragen einer hauchdünnen, pflegeleichten Polyurethan- oder Keramikbeschichtung auf die Bodenoberfläche noch verschärft. Diese UV-härtenden Beschichtungen reduzieren den Wartungsaufwand und sind damit auch kostenintensiv. Die meisten Tests zeigen, dass mikrodünne Beschichtungen den elektrischen Widerstand des Bodens erhöhen und die Kontrolle der Körperspannung beim Gehen verringern.

Einige ESD-Vinylfliesen erhalten ihre Leitfähigkeit von zufällig angeordneten leitfähigen Chips, ähnlich der in Abbildung 4 gezeigten Fliese. Die schwarzen Chips sind das einzige leitfähige Element auf der Fliesenoberfläche. Der Rest der Oberfläche besteht aus gewöhnlichem Vinyl, also einem isolierenden Polymer, das keine Verbindung zur Erde herstellt.

Figur 4

Wie in Abbildung 4 dargestellt, können wir diese Haftung bewerten, indem wir unsere NFPA-Sonde auf die Kante drehen und eine Kontaktfläche zwischen leitfähigen Chips und Erde messen. Die in der Abbildung gezeigte Fliesenprobe maß weniger als 1,0 x 106, wenn die gesamte 31 cm2 große Sondenoberfläche in einem ANSI/ESD S7.1-Test verwendet wurde. Allerdings ist das Polymer zwischen den Chips nicht leitend. Wenn ein Gießer das nicht leitende Polymer zwischen den Chips berührt, anstatt einen leitenden Chip zu berühren, ändern sich die Messungen um mehr als fünf Größenordnungen.

Damit eine tragbare Workstation oder ein tragbarer Stuhl ANSI/ESD S20.20 erfüllt, muss der Erdungswiderstand unter 1,0 x 109 liegen.

Um das Problem zu verstehen, haben wir uns die Größe der leitfähigen Rollen angesehen und versucht herauszufinden, wie viel ihrer Oberfläche tatsächlich den Boden berührt. Zuerst haben wir vier Stücke Papier unter die Rolle geschoben und das Papier aus vier verschiedenen Richtungen geschoben, bis es nicht mehr weiter rutschte (siehe Abbildung 5).

Als wir das Papier hochhoben, erwarteten wir, eine Stelle zu sehen, an der die vier Zettel nicht aufeinander trafen. Der Raum oder die Lücke würde uns ungefähr zeigen, wo die Rolle den Boden berührt hatte. Bevor wir die Rolle bewegten, klebten wir die Papierstücke zusammen, damit sie an Ort und Stelle blieben. Dann rollten wir den Stuhl vom Papier. Da wir eine ganze Menge Papier unter die Rolle stecken konnten, gingen wir davon aus, dass die Kontaktfläche zwischen Rolle und Bodenfliese klein sein würde. Wir waren überrascht, dass es kaum größer als ein Splitter war. Tatsächlich war die tatsächliche Kontaktfläche kleiner als ein Cent (siehe Abbildung 5).

Abbildung 5: Ein Raum oder Hohlraum würde einen Kontaktbereich/Fleck zwischen Zauberer und Kachel zeigen.

Abbildung 6: Der durchgezogene graue Bereich zwischen dem Viertel und dem Dime stellt die Kontaktfläche des Zauberers dar.

Stellen Sie sich den offenen Raum im Papier als Sichtfenster vor. Wir haben das Fenster um die Fliese herum geschoben. Wenn wir im Sichtfenster keinen schwarzen Chip sehen, blicken wir auf einen Abschnitt der Fliese, der einen Zauberer nicht erden lässt. Selbst wenn es ein gewisses Maß an Leitfähigkeit bietet und der Großteil der Kontaktfläche des Gießers auf dem Hohlraum zwischen den Chips ruht, wird der Widerstand wahrscheinlich über 1,0 x 109 liegen.

Eine typische leitfähige Rolle hat einen Durchmesser von etwa 10 cm, hat aber eine Kontaktfläche von nur einem Quadratzentimeter. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Die NFPA-Sonde, die zur Messung des Widerstands von der Oberfläche eines ESD-Bodens zur Erde verwendet wird, hat eine Kontaktfläche von 31 Quadratzentimetern. Der Abstand zwischen leitfähigen Partikeln, die in einem ESD-Boden mit niedriger Chipdichte (siehe Abbildung 9) verwendet werden, kann zwischen 0,5 cm und 10 cm betragen, mit einem Durchschnitt von 2 bis 5 cm. Daher können ANSI/ESD STM 7.1-Widerstandstests nicht vorhersagen, ob ein bestimmter Boden dauerhaft einen elektrischen Kontakt zwischen Rollen und Bodenbelag gewährleistet.

Die einzige Möglichkeit, eine genaue Bestimmung zu treffen, ist die Durchführung einer statistisch gültigen Stichprobe von Widerstandsmessungen unter Verwendung der Wagen, Rollen und Bodenbeläge, die von der Einrichtung gekauft werden. Dies sollte vor der Bestellung eines Bodenbelags erfolgen. Sobald ein Boden verlegt ist, ist es zu spät, das Problem anzugehen. Die meisten Bodenbelagshersteller stellen keine Daten oder Garantien zum Kontaktwiderstand der Rollen zur Verfügung.

Abbildung 7: Kontaktfläche/Fleck der Rolle über dem Boden mit leitfähiger Venentechnologie

Wenn wir das gleiche Papier mit dem Sichtfenster in der Größe des Rollenkontakts auf eine ESD-Vinylfliese legen, die aus einer dichten Matrix aus leitfähigen Adern besteht, können wir das Fenster an eine beliebige Stelle auf der Fliese verschieben und trotzdem die Adern sehen. Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Adern in dieser leitfähigen Matrix ist es unmöglich, einen Bereich des Bodens zu finden, der nicht leitfähig ist. Diese dichte Matrix aus leitfähigen Adern erhöht die Kontaktmöglichkeiten zwischen winzigen Rollenoberflächen und den leitfähigen Elementen in der Fliese. Überall dort, wo wir Adern sehen, wird die Leitfähigkeit der Fliese Stühle und Karren erden lassen.

ESD-Vinylfliesen, die mit leitfähiger Adertechnologie hergestellt werden, enthalten etwa 150 laufende Fuß an leitfähigen Adern pro Quadratfuß. Um dies ins rechte Licht zu rücken: Die Adern auf 36 Fliesen bieten eine lineare Meile an leitenden Kontaktpunkten. Bei so vielen leitfähigen Kontaktpunkten führt selbst der Kontakt mit nur einer Rolle zu 100 % zu einer ANSI S20.20-konformen Messung. Lässt sich dieses Problem bei Böden mit leitfähiger Chip-Technologie lösen?

Abbildung 8 zeigt einen visuellen Vergleich zwischen einem leitfähigen Spanboden mit niedriger Dispersion (LD) und einem leitfähigen Spanboden mit hoher Dispersion (HD). Der Abstand zwischen den Spänen auf einem LD-Boden kann innerhalb derselben Fliese oder Platte zwischen 0,5 und 5 Zentimetern liegen. Auf einem HD-Spanboden überschreiten die Spanabstände selten 0,5 cm. Böden mit Chip-Technologie können in Bahnen oder Rollen für eine nahtlose Verlegung hergestellt werden. Böden mit Venentechnologie können aufgrund von Einschränkungen im Herstellungsprozess nicht in Rollen hergestellt werden. Venenböden sind nur als Fliesen erhältlich.

Abbildung 8: Spanboden mit geringer Dichte (links) und Spanboden mit hoher Dichte (rechts)

Abbildung 9: Beachten Sie die große Kontaktfläche einer NFPA-Sonde im Vergleich zu tatsächlichen Gegenständen, die für die Erdung durch einen ESD-Boden vorgesehen sind:D – Kontaktfläche der NFPA-Sonde = ca. 31 cm2E – Typischer Fersenriemen: > 13 cm2G – Kontaktfläche der Rolle = 1 cm2F – Kontaktfläche der Bodenkette = vernachlässigbar

ESD-Böden sollten gründlich auf mehrere Funktionen geprüft werden, einschließlich der Kompatibilität mit Materialtransportgeräten. Bei der Herstellung von ESD-Fliesen- und Plattenböden werden hauptsächlich zwei Technologien eingesetzt: die leitfähige Venentechnologie und die leitfähige Chiptechnologie. Die zur Herstellung von ESD-Bodenbelägen verwendete Technologie beeinflusst die Leistung. Leitfähige Aderböden übertreffen Böden mit Chip-Technologie mit niedriger und mittlerer Dichte in Fällen, in denen der Boden mobile Arbeitsstationen und Wagen erden muss. Dies ist auf eine unzureichende Anzahl leitfähiger Kontaktpunkte in typischen LD- und leitfähigen Spanböden mittlerer Dichte zurückzuführen. Die neue High-Density-Chip-Technologie löst dieses Problem und bietet das gleiche Leistungsniveau wie Böden mit leitfähiger Venentechnologie.

Zum Abschluss hier ein paar wichtige Erkenntnisse:

Abbildung 10: Eine leitfähige Adermatrix sorgt für eine konforme Erdung.

antistatische BodenbelägeRollenStühleDavid Longesd BodenbelagstatischeWorxtesting

Dave Long ist CEO und Gründer von Staticworx, Inc., einem führenden Anbieter von Bodenbelagslösungen für antistatische Umgebungen. Er verfügt über mehr als 30 Jahre Branchenerfahrung und kombiniert sein umfassendes technisches Wissen über Elektrostatik und Betonsubstratprüfung mit einem praktischen Verständnis dafür, wie Materialien in realen Umgebungen funktionieren.

Das ist genau das, was ich seit der Änderung der ESD-Bodenspezifikation festgestellt habe. Ich teste alle ESD-Böden und schon beim Betrachten ist es offensichtlich. Auch die auf der Oberfläche der Böden mit geringerer/mittlerer Dichte sichtbaren Späne dringen nicht immer in die untere Schicht durch, sodass kein Weg zum Boden besteht. Die Böden halten den Tests nicht so gut stand und sind viel variabler (obwohl sie den Standard-Gehtest bestehen). Die bisherigen Böden mit höherer Dichte und geäderten Böden, die wir haben, sind viel widerstandsfähiger als die neuen Spezifikationsböden.

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