Electrostatische ontlading
4.10 PREVENTIE VOOR ELECTROSTATISCHE DISCHARGE
Electrostatische ontlading (ESD) kan onmiddellijke uitval van het apparaat, permanente parameterverschuivingen en latente schade veroorzaken waardoor de degradatiesnelheid toeneemt.120 De elektronische producten worden in een ESD-verpakking geplaatst, zoals afschermende zakken of dissipatief schuim of containers met binnen- en buitenoppervlakken met statische dissipatieve of geleidende eigenschappen om ESD-gevaren tijdens de opslag, behandeling en distributie te voorkomen.120 Volgens ANSI/ESD S541-2008 kan de ESD-verpakking als volgt worden gedefinieerd:121
–
dissipatieve materialen: een oppervlakteweerstand groter dan of gelijk aan 104 Ω maar kleiner dan 1011 Ω, of een volumeweerstand groter dan of gelijk aan 104 Ω maar kleiner dan 1011 Ω
–
geleidende materialen: een oppervlakteweerstand kleiner dan 104 Ω.; volume geleidende materialen: een volumeweerstand kleiner dan 104 Ω
–
elektrisch veld afschermende materialen: een oppervlakteweerstand kleiner dan 103 Ω of een volumeweerstand kleiner dan 103 Ω
–
isolerende materialen: een oppervlakteweerstand groter dan of gelijk aan 1011 Ω, of een volumeweerstand groter dan of gelijk aan 1011 Ω.
Figuur 4.43. Volumeweerstand van polyvinylalcoholcomposiet met 6 wt% grafiet/koolzwart vulstofmengsel met verschillende grafietgehaltes. Weerstandsvermogen gemeten bij 22°C en 37% relatieve vochtigheid.
Copyright © 2017
De polyaniline gecoate fumed en geprecipiteerde silica vullers werden gebruikt in hun composieten met nitrilrubber voor toepassing in elektrostatische ontladingsmaterialen.122 PANI verbetert de mechanische sterkte van de polymeermatrix niet, maar het hecht zich aan silica dat gebruikt wordt als vulstof in de polymeermatrix, wat resulteert in enige verbetering van de mechanische eigenschappen.122 De coating van PANI op klei, silica, silicaten, carbon black, polymethylmethacrylaat is geschikt voor de productie van geleidende vulstoffen die een lichter alternatief zijn voor metaalpoeders die vaak worden gebruikt in de elektrische ontladingsmaterialen.122 De maximale waarde van DC-geleidbaarheid werd bereikt bij een silica/PANI-verhouding van 1:2.122 Geleidende polymeercomposieten moeten geleidende vulstoffen bevatten die zodanig gedispergeerd zijn dat door aggregatie van geleidende vulstofdeeltjes in een isolerende matrix een aantal continue geleidende netwerken worden gevormd.122 Dit geleidende netwerk kan alleen worden gevormd voorbij de kritische (percolatiegrens) concentratie van de vulstof.122 De percolatiegrens hangt af van de eigenschappen van de vulstof zoals grootte, oppervlak en groepen, en aggregaatstructuur, en van de eigenschappen van het matrixpolymeer zoals viscositeit en de aanwezigheid van polaire groepen.122 Als we het effect van pyrogeen en geprecipiteerd silica op de prestaties vergelijken, dan heeft pyrogeen silica een kleinere deeltjesgrootte en een groter oppervlak en is er meer PANI coating nodig.122 De zure groepen zijn aanwezig op pyrogene silica deeltjes en de basische groepen op geprecipiteerd silica.122 De zure pyrogene kiezelzuurdeeltjes veroorzaken een gedeeltelijke dotering van PANI op hun oppervlak, wat resulteert in een hoger geleidingsvermogen en een geagglomereerde structuur.122 Hierdoor hebben de NBR-composieten een hoger geleidingsvermogen in vergelijking met PANI-gecoate geprecipiteerde kiezelzuur.122
Polymere composieten met geleidende of halfgeleidende vulstoffen die zijn ontworpen voor elektrostatische ontlading moeten een niet-lineaire spanningskarakteristiek hebben, die zich gedraagt als een isolator (diëlektricum) tijdens normaal circuitgebruik en geleidend wordt wanneer de spanning een vooraf gedefinieerde drempel overschrijdt.123 Het materiaal wordt weer een isolator nadat de spanning terugvalt tot onder de drempel bij normaal gebruik.123 De hoge hoogte-breedteverhouding van koolstof nanobuisjes maakt de vorming van elektrisch geleidende paden in de polymeermatrix mogelijk bij een zeer kleine percolatieconcentratie met niet-lineaire spanningskarakteristieken.123 Wanneer de toegepaste spanning laag is, vertoont de composiet Ohms gedrag.123 Maar wanneer de toegepaste spanning wordt verhoogd, vertoont de composiet het niet-lineaire gedrag.123 De elektronenconcentratie die van de geleidingsband van de koolstofnanobuis naar de epoxymatrix springt, neemt snel toe met de spanning.123 Het hopping-effect en het tunneling-effect waren de belangrijkste oorzaken van de sterke niet-lineaire spanningskarakteristieken in de composieten onder de verhoogde toegepaste spanningen.123
Een elektrostatische ontladingsbeschermer werd ontworpen voor printplaten en andere elektronische apparaten.124 De samenstelling voor het vullen van een ontladingsspleet bestaat uit een metaalpoeder (ten minste een deel van het oppervlak van het metaal is gecoat met een film gemaakt van een hydrolyseproduct van een metaalalkoxide), een aluminiumpoeder, en een bindmiddelcomponent (thermohardend polyurethaan).124 Tantalum of hafnium, silicium zijn metaalpoeders die de voorkeur genieten.124
De elektrostatisch dissipatieve elektronische verpakkingsmaterialen zijn gebaseerd op de elektrisch geleidende nanovulstof versierde polyurethaanschuimen.125 De schuimen zijn bekleed met een polymeercoating die 0,003 tot 2,97 vol% lading elektrisch geleidende materialen bevat (b.v. geleidend polymeer, gefunctionaliseerde koolstofnanobuisjes, grafeenanalogen, enz.) over/op het anders elektrisch isolerende oppervlak van het schuim.125 Deze schuimen zijn ook nuttig voor antistatische stoffilters, clean-room/medische kleding, statisch-vrij schoeisel, statisch dissipatieve bekledingsartikelen, antistatische/dissipatieve vloeren/tegels, etc.125
In de industriële omgeving vormt elektrostatische ontlading een aanzienlijk gevaar. Het is verantwoordelijk voor branden en explosies als gevolg van de ontbranding van zowel stof als damp.126 Beton- of cementvloeren hebben inherente antistatische eigenschappen, maar ze hebben geen decoratieve eigenschappen.126 Harsvloeren zijn esthetisch wenselijk, gemakkelijk schoon te maken en gemakkelijk te decontamineren.126 Ze hebben ook thermische, mechanische en chemische weerstand en worden daarom veel toegepast in de industriële omgeving, maar in ongemodificeerde vorm bieden ze geen antistatische eigenschappen.126 Geschikte vloersamenstelling kan worden verkregen uit een mengsel van een (grote verscheidenheid aan) uithardbare harsen en koolstof- en roestvrijstaalvezels (0,3 wt%).126 De roestvrijstaalvezels hebben een lengte van 3 tot 6 mm en hebben een diameter van 6 tot 8 μm.126 Het mengsel bevat ook tot 40 wt% van een minerale vulstof zoals silica, bariumsulfaat, of calciumcarbonaat.126
Statische lading ontstaat wanneer twee isolatoren tegen elkaar wrijven en zich dan scheiden.127 Een van de isolatoren wint elektronen, terwijl de andere ze verliest. Zo ontstaat een ongebalanceerde (statische) lading.127 Deze statische lading kan zich vervolgens van het ene oppervlak naar het andere ontladen, hetzij wanneer de twee oppervlakken elkaar raken, hetzij wanneer het isolerend vermogen van het medium dat de twee oppervlakken scheidt (b.v. lucht) wordt overschreden.127 Deze verplaatsing van statische lading wordt elektrostatische ontlading genoemd.127 Een ESD-gebeurtenis van zo weinig als 5 V beschadigt telefoonapparatuur, printplaten, netwerkcomputers, medische apparatuur, enzovoort.127 Ook kan ESD een drempel van ongeveer 3.000 tot 3.500 V bereiken en gevaarlijk worden voor mensen. Geleidende kleefmiddelsamenstellingen op waterbasis bestaan uit een kleefstof op waterbasis en koolstofzwart, grafiet of combinaties daarvan.127 De kleefmiddelsamenstellingen op waterbasis zijn doeltreffend bij het voorkomen van de opbouw van statische lading en bij het verminderen van elektrostatische ontladingen.127 De kleefmiddelsamenstellingen op waterbasis kunnen met drijfgassen worden gemengd en met een aërosolafgiftesysteem op substraten worden aangebracht.127 De kleefstofsamenstellingen op waterbasis kunnen gemakkelijk op om het even welk substraat worden gekleefd, zoals bijvoorbeeld vloeren, muren, plafonds en dergelijke.127 De kleefstof op waterbasis omvat een acrylaatemulsie, een acrylaatcopolymeeremulsie, een gecarboxyleerde SBR-emulsie of een styreenacrylaatcopolymeeremulsie.127
De vervormbare elastomere geleiders bestaan uit een elastomere polymeermatrix en geleidend vulmateriaal dat gelijkmatig in de elastomere polymeermatrix is verdeeld om het materiaal elektrisch geleidend te maken.128 Het geleidende vulmateriaal kan niet-verstrengelde deeltjes omvatten met een hoogte-breedteverhouding die voldoende groot is om de deeltjes in staat te stellen in contact en/of in de nabijheid van aangrenzende deeltjes te blijven zodat geleidende paden in het materiaal behouden blijven wanneer het materiaal wordt onderworpen aan vervorming tot en met meer dan 10% rek.128 Aldus lijdt de transmissie over een transmissieafstand van een elektrisch signaal door de geleider niet meer dan ongeveer 3 dB aan signaalverzwakking wanneer het aan de vervorming wordt onderworpen.128 Een nikkel gecoate koolstofvezel werd in deze uitvinding getest met een groot aantal matrixpolymeren.128 Veel andere langgerekte vulstoffen kunnen ook worden gebruikt.128
De programmeerbare logische apparaten, aangepaste geïntegreerde schakelingen, analoge geïntegreerde schakelingen, CPU’s, GPU’s, en andere geïntegreerde schakelingen vereisen een groot aantal in-/uitgangscircuits terwijl ze relatief kleine kernschakeloppervlakken hebben.129 De halfgeleider geïntegreerde schakeling bevat een veelvoud van de input/output cellen bieden laterale input/output celverbindingen om efficiënt te verdelen input/output en core voeding en aarding naar de input/output cellen en dus te minimaliseren input/output signaalruis en maximaliseren elektrostatische ontlading.129
Een elektrogeleidend composietmateriaal wordt bereid door het mengen van een thermoplastische hars, geleidende deeltjes gedispergeerd in de hars, en een oppervlakteactieve stof om de geleidende deeltjes gedispergeerd in de hars aan elkaar te binden.130 Het product is ontworpen voor IT-industrieën, halfgeleideronderdelen, auto- en elektronische componenten, vliegtuigonderdelen en -materialen, en andere materialen die bescherming tegen elektrostatische ontlading vereisen.130 De geleidende coating voor draden, pads, reserveonderdelen en productomhulsels, verpakkingen, enz. wordt gebruikt in een verscheidenheid van gebieden die bescherming tegen elektrostatische ontlading vereisen.130 Dioctyl ethyleen-triamino-ethyl en dodecyl diamino ethyl glycine hydrochloride zijn typische voorbeelden van oppervlakte-actieve stoffen die in deze toepassing worden gebruikt.130 Veel vulstoffen zijn bruikbaar, waaronder koolstofnanobuisjes en koolstofzwart en hun mengsels.130