Sähköstaattinen purkaus

Sähköstaattinen purkaus (, ESD) eli staattisen sähkön purkaus on staattisen sähkövarauksen purkautumisilmiö. Riittävän suuren varauksen nopea siirtyminen saattaa näkyä pienenä kipinäpurkauksena ja sen voi tuntea, kun se tapahtuu esimerkiksi sormenpäässä. Toisaaltaan sähköstaattinen varaus voi purkautua muutenkin kuin kipinänä.

Sähköstaattisen varauksen synty 

Sähköstaattinen purkaus (ESD) voi syntyä esimerkiksi, kun ihmisen keho on varautunut ja ihminen koskettaa varaustilassa olevaa esinettä. Varaus syntyy usein kahden materiaalin välille, joilla on eri dielektrisyysvakio. Staattinen sähkövaraus ja ESD syntyy joko hankauksesta syntyvän staattisen sähkövarauksen seurauksena (tribosähköinen varautuminen) tai ilman kosketusta elektrostaattisen induktion seurauksena. Näkyvin ESD:n ilmenemismuoto on kipinä, mutta usein purkaus tapahtuu vähemmän dramaattisesti. Ilman kipinääkin tapahtuvan, huomaamattoman, purkauksen energia voi kuitenkin vaurioittaa herkkiä elekronisia laitteita.

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. 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.

Ominaisuudet

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, 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

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. 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.

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.

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

ESD:ltä suojautuminen

ESD:ltä suojautuminen esimerkiksi elektroniikka-alan työskentelyssä tapahtuu pääasiassa johtamalla staattiset varaukset hallitusti maadoituksen tai varausta poistavan materiaalin kautta sähköjärjestelmän maatasoon. Varausta poistava 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.

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. 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.

ESD-suojaus tuotannossa ja tutkimuksessa 
Staattiselta sähköltä suojattu alue (ESD Protected Area, EPA) 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 prosenttiin. Kosteat olosuhteet estävät staattisensähkövarauksen syntymistä, koska suurimmalle osalle pinnoista kerääntyvä kosteuskerros auttaa hajauttamaan sähköiset varaukset. Työtilassa voidaan käyttää myös ilman ionisointilaitetta, joka synnyttää ilmaan positiivisia ja negatiivisia ioneja. Varautuneet materiaalit vetävät vastakkaisen merkkisiä varauksia puoleensa ja neutralisoituvat. 

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

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.

ESD-suojaus kuljetuksessa 
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.

ESD-ominaisuuksien testaaminen 

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

ESD-pakkausmateriaaleja käsittelee standardi EN 61340-5-3.

Katso myös  
 Koronapurkaus
 Salama
 Sähkökipinä

Lähteet

Aiheesta muualla 
 Löytty, M.L.J. Staattisen sähköpurkauksen sietokyvyn testauslaitteiden kalibrointijärjestelmä. Diplomityö, Teknillinen korkeakoulu, Espoo, 2007.
 Electrostatic Discharge Association
 The Prevention and Control of Electrostatic Discharge (ESD), AN-40-005, Mini-Circuits
 Electrostatic Discharge (ESD), Application Report SSYA010, Texas Instruments, January 2001

Sähköiset ilmiöt
Seulonnan keskeiset artikkelit