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17/06/2019 - SAMMY SOETAERT
ESD (Electro Static Discharge)
ESD (Electro Static Discharge)

ESD: ASSASSIN SILENCIEUXET ENNEMI PUBLIC N° 1

Petite étincelle, grosses conséquences

L'ESD (Electro Static Discharge) est au sein de nombreuses entreprises un ennemi silencieux, mais omniprésent. On s'évertue à éviter qu'une étincelle d'ESD puisse endommager les composants, l'installation, ou blesser l'ouvrier. Une vue d'ensemble des précautions et protections possibles.

L’électronique est surtout sensible à l’ESD avec tous ses transistors
L’électronique est surtout sensible à l’ESD avec tous ses transistors

EFFET TRIBOELECTRIQUE

L'électricité statique est un phénomène connu. Le petit choc quand vous touchez, par exemple, une poignée de porte en métal, est tout au plus un peu désagréable, car vu l'intensité de courant relativement limitée, il n'y a quasiment pas de conséquences corporelles pour l'homme. Mais ne vous méprenez pas, malgré ces conséquences limitées pour l'homme, cette décharge électrostatique peut faire jusque des milliers de volts. Et les conséquences sont alors à l'avenant pour les éléments sensibles: ils cassent, les installations tombent en panne ou, dans le cas de vente de composants électroniques, vous pouvez faire face à de coûteuses actions de rappel.

Des matériaux ont tendance à générer de l'énergie électrostatique quand ils entrent en contact. Il s'agit de l'effet triboélectrique. L'ampleur de la charge dépendra de plusieurs facteurs:

  • la force de frottement entre les matériaux;
  • les conditions ambiantes comme le taux d'humidité et la température;
  • la vitesse du frottement;
  • la place des matériaux dans la série triboélectrique.

Série tribologiqueSérie triboélectrique

Tribo est un emprunt au grec et signifie 'frottement'. La série triboélectrique est une liste reprenant les matériaux pouvant générer de l'électricité électrostatique. La liste est établie de telle manière que, si deux matériaux de cette liste entrent en contact, le plus haut des deux sera chargé positivement et le plus bas négativement. En outre, plus il y a d'espace entre les deux dans la série, plus la charge sera importante. L'importance de l'énergie électrostatique dépend de la capacité du support. Le corps humain peut, par exemple, supporter 250 picofarads. La décharge correspondante peut ainsi atteindre 25.000 V, mais en moyenne, un travailleur amassera pendant une journée de travail une charge jusqu'à 2.500 V. Une telle décharge ne constitue pas un danger pour l'homme, mais bien pour l'électronique vulnérable.

APPARITION DE L'ESD

L'ESD est, en fait, la version miniature de la foudre. La charge cherche un chemin avec une impédance la moins élevée possible, pour aboutir à un potentiel égal. Dans bon nombre de cas, l'ESD cherchera directement son chemin vers le sol via un bâti (de machine) métallique. Ce n'est toutefois pas toujours le cas, car elle peut aussi passer via des composants et un câblage internes.

Et c'est ici que la sensibilité des composants électroniques entre dans l'histoire de l'ESD. Les techniques de semi-conducteur, utilisées dans les transistors et mosfets de circuits intégrés, sont fragiles. Leurs connexions PN peuvent en particulier céder sous l'effet de décharges ESD (répétitives). Dans de nombreux cas, les dommages ne seront pas visibles à l'œil nu, bien qu'on observe parfois des brûlures. Il est aussi possible que les composants ne rendent pas l'âme directement, mais présentent progressivement des signes de détérioration: échauffement inhabituel, panne temporaire et activation ou désactivation non souhaitée.

Diverses causes

Les manières dont l'étincelle ESD est générée, peuvent être très diverses:

  • Un contact entre la peau d'un opérateur et la machine est souvent la cause;
  • Pas sur le revêtement de sol;
  • Le matériel roulant peut facilement générer de l'électricité statique. Le contact constant avec le sol provoque beaucoup de frottement;
  • Le contact avec l'air comprimé facilite aussi l'ESD;
  • Courroies d'entraînement de moteurs;
  • Contact entre matériaux synthétiques et électronique;
  • Déchargement de matériaux en poudre et en grains;
  • Déroulement d'un rouleau de papier;
  • Fluides conducteurs coulant rapidement comme de l'essence dans des tuyaux (en acier);
  • Déroulement de ruban adhésif.

'Contact' ne signifie pas que les deux surfaces doivent se toucher directement. La décharge peut aussi se produire si la distance ('air gap') entre les deux est suffisamment petite.

 

AIR COMPRIMÉ ET ESD

L'air comprimé comporte un certain risque dans deux sens. L'air comprimé non filtré contient toujours des particules viciées comme de l'huile et des particules de poussière pouvant générer de l'électricité statique si elles entrent en contact avec des circuits imprimés et autres. Mais l'air comprimé filtré comporte aussi des risques, car avec la force, il peut générer un frottement en provoquant le mouvement d'autres matériaux. L'air comprimé et l'ESD sont donc une histoire compliquée, mais il y a heureusement une solution sous la forme d'air comprimé ionisé. Celui-ci peut être utilisé pour ioniser des pièces - comme cela est décrit dans le paragraphe 'ionisation'. Le risque de décharge est ainsi littéralement balayé.

 

CREER UNE ZONE SANS ESD

Zone sans ESD

 

Rendre une zone d'entreprise sûre en termes d'ESD ne se limite pas à porter des chaussures adaptées. En résumé, une zone sans ESD peut être créée grâce à trois groupes de mesures:

  • éliminer tous les isolateurs et les remplacer par des matériaux conducteurs;
  • mise à la terre de tous les conducteurs et personnes;
  • neutraliser les isolateurs ne pouvant pas être éliminés avec un ioniseur.

Dans la norme internationale IEC 61340, une zone sans ESD est définie. On parle ici d'EPA (ESD Protected Area). Dans cette zone, toutes les entités fixes (sol, mur, plafond, ouvriers, établis, outils, …) sont maintenues à un potentiel électrique égal.

Dans cette optique, tous les éléments sont mis autant que possible à la terre, des sols et murs spéciaux anti-ESD sont utilisés et tous les outils utilisés sont reliés entre eux.

Cette liaison s'effectue caractéristiquement en les reliant entre eux à une résistance entre 1 et 10 MΩ.

Une deuxième étape dans la création d'une EPA consiste à éliminer les matériaux isolants ou à les rendre sûrs en termes d'ESD. Nous pensons p.ex. ici à l'application d'un revêtement anti-ESD spécial sur un mur.

Formation de tension

Le sol constitue également un pilier majeur dans une EPA. Les sols en béton ou en ciment sont dans bon nombre de cas ESD-proof, mais leur taux d'humidité génère une résistance volatile, ce qui n'est pas du tout souhaitable pour une certitude de 100% concernant toutes les performances.

 

Selon la norme internationale IEC 61340-5, une tension électrostatique ne peut pas excéder 100 V. On trouve sur le marché de nombreux fournisseurs, utilisant chacun une propre composition (époxy, PU et additifs conducteurs, mais également PVC ou caoutchouc synthétique) pour leurs sols anti-ESD.

Dans la version la plus récente de l'IEC 61340-5, un test du sol anti-ESD est rendu obligatoire, lors duquel il est démontré que marcher sur le sol génère réellement les 100 V maximum autorisés.

Ionisation

L'ionisation de l'air est le troisième pilier pour rendre des environnements ESD-proof. Via l'ionisation de l'air, des molécules chargées (positivement et négativement) sont ajoutées à l'air, qui neutraliseront les surfaces chargées électrostatiquement. Un ioniseur diffuse des ions positifs comme négatifs via le débit d'air.

Les surfaces chargées positivement attireront les ions négatifs, tandis que les surfaces chargées négativement attireront sans aucun doute les ions positifs.

Il est particulièrement important pour les ioniseurs que le débit d'air soit suffisant pour traiter la zone ESD correspondante.

Entités mobiles

Une fois tous les éléments fixes comme les tables de travail et les étagères sécurisés au niveau de l'ESD, c'est au tour des entités mobiles. Nous pensons aux chariots, chaises de bureau et chariots élévateurs.

Une liaison permanente avec une mise à la terre est ici plus compliquée. La prévention constitue donc un des principaux facteurs. Un chariot élévateur est ainsi une lourde source potentielle d'ESD.

Pour le sécuriser, on peut contrôler régulièrement la bande de mise à la terre et travailler avec des bandes antistatiques. Mais peut-être n'est-il pas nécessaire du tout que le chariot élévateur passe dans la zone ESD?

Lors de la délimitation d'une zone EPA, il faut d'abord examiner les flux de personnel, logistique et pièces, et les adapter en cas de besoin. Car dans la sécurisation ESD aussi, il vaut mieux prévenir que guérir.

Une zone ESD garantit une limitation et une neutralisation rapide de l’énergie électrostatique
Une zone ESD garantit une limitation et une neutralisation rapide de l’énergie électrostatique

PERSONNEL

Les mouvements de personnel constituent aussi une source de risque, mais cela est bien sûr difficile à limiter. Le personnel restant principalement stationnaire doit porter un bracelet garantissant une mise à la terre continue, mais cela n'est pas toujours possible. Méfiez-vous par ailleurs des fournisseurs de bracelets ESD sans fil. Ils ne sont pas efficaces.

Des chaussures et vêtements anti-ESD adaptés sont aussi une condition absolue pour les passants dans les zones ESD. Une zone ESD doit donc être indiquée correctement avec des pictogrammes et des marquages au sol, et il doit y avoir suffisamment de solutions pour les visiteurs occasionnels (combinaisons, bandes de chaussure). Un système pour tester l'efficacité de ces mesures avant qu'ils pénètrent dans la zone ESD, est important aussi. On connaît un cas de perturbations ESD fréquentes, malgré des mesures étendues de l'entreprise en question.

VERIFICATION ET FORMATION

Toutes les mesures prises pour créer une EPA doivent être vérifiées pour voir si elles sont efficaces. Ici, deux mesures s'avèrent nécessaires: une mesure de la résistance pour mesurer la résistance des entités et une mesure de l'intensité du champ pouvant mesurer les voltages électrostatiques des isolateurs et des conducteurs. Un tel mesureur d'intensité de champ indique également si une pièce est chargée négativement ou positivement. Il est important que les mesures soient effectuées avec des appareils étalonnés correctement.

Pour vérifier l’efficacité des mesures de manière professionnelle, deux mesures sont nécessaires: une mesure de la résistance et une mesure de l’intensité de champLa mesure de la résistance mesure la résistance des entités. La mesure de l’intensité du champ peut mesurer les voltages électrostatiques des isolateurs et conducteurs

Outre la vérification, on oublie fréquemment une chose dans toute l'histoire de l'ESD: le personnel. Les travailleurs ne sont souvent pas conscients de l'impact de l'électricité statique sur les installations. Une formation poussée s'impose donc. Ne vous en tenez pas ici aux mesures qu'ils doivent suivre, mais évoquez également surtout les risques qu'ils peuvent courir et les désagréments qu'ils peuvent rencontrer s'ils ne le font pas. Le meilleur suivi de mesures est toujours celui soutenu par l'ensemble du personnel au sein de l'entreprise. Mais comme pour la sécurité, l'ESD est un processus continu. Ici aussi, l'attention se relâche parfois quand le stimulant et le contrôle initiaux disparaissent.