Caster Contact : le talon d'Achille des sols ESD

Jul 04, 2023

A quoi sert l'installation d'un sol ESD ? La réponse la plus courante à cette question est "Nous avons besoin d'un revêtement de sol ESD pour éviter les charges statiques sur le personnel mobile lorsqu'il manipule des pièces et des systèmes sensibles à l'électricité statique." En d'autres termes, nous avons besoin de l'efficacité d'un bracelet, mais nous ne voulons pas nous occuper des restrictions des fils et des cordons.

Bien que cette réponse mette en évidence un attribut clé d'un sol ESD fonctionnant correctement, elle place la barre très bas. Il vend également à découvert les nombreux avantages qu'offre réellement un sol ESD. Comme tous les autres composants d'atténuation de l'électricité statique, les revêtements de sol ESD ne sont qu'un élément d'un système complet plus vaste qui maintient toutes les pièces, machines, outils, emballages, surfaces de travail et personnel au même potentiel.

Lors de l'évaluation des sols, les prescripteurs se concentrent sur deux principaux paramètres de performance : 1) la résistance électrique du système de revêtement de sol ; et 2) combien de charge une personne peut développer en marchant sur le sol en portant des chaussures spécifiques. Mais qu'en est-il des pièces elles-mêmes ? Comment les protège-t-on ? Lorsque nous déplaçons des pièces d'une opération à une autre, nous ne les berçons pas dans la paume de nos mains. Nous déplaçons les pièces et les systèmes dans des sacs à fermeture à glissière, sur des chariots à roulettes avec des plateaux et éventuellement avec des véhicules à guidage automatique. Dans les opérations de fabrication agiles, le sol ESD peut même être utilisé comme sol principal pour les établis sur roues.

Figure 1 : Roulette de chaise conductrice sur un sol ESD

Les sols ESD sont conçus pour empêcher les décharges statiques d'endommager les pièces et assemblages électroniques dans une zone protégée ESD (EPA). Ils sont installés pour plusieurs raisons. Le sol idéal empêche l'électricité statique sur :

Certains sols ESD remplissent les trois tâches. D'autres empêchent l'électricité statique de se développer sur les personnes, mais font peu ou rien pour protéger l'équipement ou mettre à la terre les postes de travail mobiles, les chariots et les chaises ESD.

Pour produire des produits de qualité, passer la certification ISO et satisfaire les clients, les installations électroniques doivent respecter la norme ANSI/ESD S20.20. Afin de répondre aux exigences de revêtement de sol ESD de la norme ANSI 20.20, les acheteurs et les prescripteurs concentrent souvent toute leur attention sur la résistance électrique du système de revêtement de sol/adhésif. Mais la résistance n'est qu'un paramètre de performance.

Trouver des sols qui répondent aux exigences de résistance S20.20 point à point (RTT) et point à terre (RTG) est une tâche facile. Le respect de tous les aspects de la norme ANSI/ESD S20.20 exige que le sol remplisse de multiples fonctions, et pas seulement qu'il réponde à un paramètre de résistance électrique. Il est tout aussi important de déterminer la tension maximale que le sol générera sur une personne en combinaison avec des chaussures spécifiques. Les meubles, les postes de travail mobiles et les équipements doivent également être correctement mis à la terre à travers le sol, avec une résistance entre les roulettes et la terre du sol ESD dans la plage acceptable S20.20 (< 1,0 x109).

Vous trouverez ci-dessous quelques tests que chaque utilisateur final devrait effectuer lors de l'évaluation des sols :

Dans le cadre d'une évaluation de carreaux ESD par le service des installations d'un fabricant d'instruments médicaux, des planchers d'essai ont été installés. Diverses propriétés ont été évaluées, notamment la planéité, les caractéristiques de glissement, la résistance du système de revêtement de sol, la génération de tension de carrosserie, la facilité de roulement de l'équipement lourd, l'entretien et la difficulté d'installation et de réparation.

L'une des options de revêtement de sol répondait à tous les critères, y compris la possibilité d'installer sans adhésif en utilisant une main-d'œuvre interne. Cependant, avant de commander le revêtement de sol, un ingénieur de fabrication a placé plusieurs chariots mobiles sur le sol d'essai et a mesuré la résistance à la terre de la surface du chariot à travers les roulettes conductrices jusqu'au point de mise à la terre du sol.

Malgré le fait que le sol lui-même avait mesuré dans la plage conductrice (< 1,0 x 106) selon les tests ANSI/ESD S7.1, le revêtement de sol a échoué au test du poste de travail mobile, avec une résistance aux mesures au sol de la surface du chariot allant de 1,0 x 106 à 1,0 x 1012. Selon ANSI/ESD S20.20, toute mesure > 1,0 x 109 constitue un échec. Sept mesures sur les 40 points de test initiaux dépassaient le maximum ANSI (voir tableau 1).

Cet échantillonnage a été suivi de plus de 1000 mesures. Le taux de rejet était d'environ 16 %. Le chariot était-il le problème ? Lorsqu'il est placé sur une plaque de métal, la résistance du chariot au sol mesurée bien en dessous de 1,0 x 107. Pour éliminer la contamination en tant que variable, le sol et les roulettes ont été soigneusement nettoyés et retestés. Cela a eu peu d'impact et les mesures sont restées inacceptables. La résistance entre le chariot et le sol a changé de quatre à six ordres de grandeur simplement en déplaçant le chariot d'aussi peu qu'un pouce. Étant donné que la résistance du sol et la résistance des roulettes du chariot présentaient une cohérence, la seule variable restante était le placement aléatoire des roulettes (interface roulette et sol) sur les carreaux de sol.

Les figures 2 et 3 sont des photos d'un chariot à plateaux que l'on trouve couramment dans les installations de service de fabrication électronique (EMS). Le chariot repose sur un système de plancher qui utilise des puces conductrices. Ce plancher serait classé dans la catégorie des planchers de puces conductrices à faible densité (LD). Ce système de revêtement de sol particulier fournit un chemin conducteur depuis les copeaux de surface noirs à travers son épaisseur jusqu'à un plan de masse chargé de carbone sur la face inférieure. Une bande de cuivre de 24 "a été utilisée comme point de mise à la terre. Lors d'un test avec une sonde NFPA de cinq livres (2,27 kg) mesurant 2,5" (6,35 cm), la résistance du sol mesure bien en dessous de 1,0 x 106.

Figure 2

figure 3

Dans la Figure 2, la mesure du chariot au sol dépasse les limites (< 1,0 X 109) de la norme ANSI/ESD S20.20. Dans la figure 3, une mesure conforme est le résultat d'un changement mineur de la position du même chariot sur le même carreau de sol. Tout comme les résultats du tableau 1, ces mesures de résistance confirment une forte corrélation entre des changements négligeables dans le placement des roulettes et des changements significatifs de résistance.

Comme le chariot illustré aux figures 2 et 3, les chariots utilisés par le fabricant d'équipement médical ont été construits avec quatre roulettes conductrices. La résistance à la terre entre le chariot et le point de mise à la terre répondait aux exigences ANSI/ESD 84 % du temps. Un taux de réussite de 84 % signifie que, pendant 16 % du temps, pas un seul lanceur conducteur n'a établi un contact adéquat avec le sol de la puce conductrice.

Une autre façon de voir cela serait de voir les données du point de vue de la probabilité que quatre événements consécutifs aient le même résultat. Dans ce cas, les événements seraient simultanés. Par exemple, quelle est la probabilité de retourner face quatre fois de suite dans une expérience de tirage au sort ? L'équation serait

être la probabilité qu'un seul événement se produise multiplié par lui-même quatre fois, c'est-à-dire ½ x ½ x ½ x ½ = un sur 16.

Si nous appliquons vaguement cette approche à notre problème de revêtement de sol (pour simplifier, nous excluons la densité des particules par rapport à la surface totale), nous pourrions dire qu'après 100 essais, nous pouvons obtenir au hasard que les quatre roulettes ne touchent pas simultanément une particule conductrice 16 fois. Alors, quelle est la possibilité qu'un seul lanceur de sorts ne touche pas une particule conductrice ? Au minimum, nous remettons en question la probabilité que quatre événements consécutifs soit/ou se produisent. Notre équation simple pourrait ressembler à ceci. X fois X fois X fois X = 16/100. Donc, si nous résolvons pour X, la quatrième racine de 16 est égale à deux et la quatrième racine de 100 est égale à 3,1. Essentiellement, les chances qu'un seul lanceur de sorts ne touche pas les éléments conducteurs au sol sont de 66 %.

Pour commencer, cela présente un argument valable pour installer des roulettes conductrices sur chaque poteau de chariot. Mais le vrai point à retenir est de sortir ce vieux livre de statistiques et de mener une expérience valide avant de supposer qu'un sol ESD mettra à la terre des stations de travail mobiles sur la base des résultats des tests conformes à la norme ANSI/ESD 7.1.

Ce problème peut être facilement évité lors de l'achat de nouveaux sols. Lors de l'évaluation d'un sol ESD, il est impératif d'évaluer le sol dans le cadre de l'installation et des processus au sein de l'installation. Le revêtement de sol doit être testé pour sa compatibilité avec tous les composants d'atténuation des décharges électrostatiques, y compris les processus de manutention des matériaux. Un sol entièrement fonctionnel peut servir de point d'ancrage pour toutes les exigences de mise à la terre mobile.

Un attribut clé de nombreux sols ESD est la capacité d'éliminer les processus de connexion encombrants et redondants à l'intérieur de l'EPA. Les sols ESD éliminent également le besoin d'enfermer les pièces dans des boîtes fourre-tout couvertes et des sacs de protection. Mais afin d'éliminer l'utilisation d'emballages encombrants et de protocoles d'attache, le sol doit fournir un chemin conforme vers le sol pour les appareils de manutention mobiles sur roulettes.

Certains sols ESD ne peuvent pas mettre à la terre efficacement les roulettes conductrices en raison d'un mauvais contact entre les roulettes ou les patins et d'une faible densité de points conducteurs ou de copeaux à la surface du sol. Dans certains cas, ce problème est exacerbé par une application en usine micro-mince d'un revêtement en polyuréthane ou en céramique nécessitant peu d'entretien sur la surface du sol. Ces revêtements durcis aux UV réduisent l'entretien à un coût. La plupart des tests montrent que les revêtements micro-minces augmentent la résistance électrique du sol et diminuent le contrôle de la tension du corps qui marche.

Certaines dalles en vinyle ESD tirent leur conductivité de puces conductrices situées au hasard, similaires à la dalle illustrée à la figure 4. Les puces noires sont le seul élément conducteur à la surface de la dalle. Le reste de la surface est en vinyle ordinaire, c'est-à-dire un polymère isolant qui n'offre aucune connectivité à la terre.

Figure 4

Comme illustré à la figure 4, nous pouvons évaluer cette responsabilité en tournant notre sonde NFPA sur son bord et en mesurant une zone de contact entre les puces conductrices et la terre. L'échantillon de carreaux illustré sur la figure mesurait moins de 1,0 x 106 lorsque la surface totale de la sonde de 31 cm2 était utilisée dans un test ANSI/ESD S7.1. Cependant, le polymère entre les puces est non conducteur. Lorsqu'un lanceur entre en contact avec le polymère non conducteur entre les puces au lieu de contacter une puce conductrice, les mesures changent de plus de cinq ordres de grandeur.

Pour qu'un poste de travail portable ou une chaise soit conforme à la norme ANSI/ESD S20.20, la résistance à la terre doit être inférieure à 1,0 x 109.

Pour comprendre le problème, nous avons examiné la taille des roulettes conductrices et essayé de déterminer quelle partie de leur surface touche réellement le sol. Tout d'abord, nous avons glissé quatre morceaux de papier sous la roulette, en faisant glisser le papier dans quatre directions différentes jusqu'à ce qu'il ne glisse plus (voir Figure 5).

Lorsque nous avons soulevé le papier, nous nous attendions à voir un espace où les quatre bouts de papier ne se rencontraient pas. L'espace ou le vide nous montrerait approximativement où la roulette avait été en contact avec le sol. Avant de déplacer la roulette, nous avons scotché les morceaux de papier ensemble pour qu'ils restent en place. Ensuite, nous avons roulé la chaise sur le papier. Comme nous avons pu placer une bonne quantité de papier sous la roulette, nous nous attendions à ce que la zone de contact entre la roulette et le carrelage soit petite. Nous avons été surpris de voir qu'il était à peine plus grand qu'un ruban. En fait, la zone de contact réelle était inférieure à un centime (voir la figure 5).

Figure 5 : Un espace ou un vide montrerait une zone de contact/un patch entre la roulette et le carreau.

Figure 6 : La zone grise unie entre le quart et la pièce de dix cents représente la zone de contact du lanceur.

Considérez l'espace ouvert dans le papier comme une fenêtre de visualisation. Nous avons fait glisser la fenêtre autour du carrelage. Lorsque nous ne voyons pas de puce noire à l'intérieur de la fenêtre de visualisation, nous regardons une section de tuile qui ne mettra pas à la terre une roulette. Même lorsqu'il fournit un certain degré de conductivité lorsque la majeure partie de la zone de contact de la roulette repose sur le vide entre les puces, la résistance sera probablement supérieure à 1,0 x 109.

Une roulette conductrice typique mesure environ 10 cm de diamètre mais a une surface de contact d'un seul centimètre carré. Pour mettre cela en perspective, la sonde NFPA utilisée pour mesurer la résistance de la surface d'un sol ESD à la terre a une surface de contact de 31 centimètres carrés. La distance entre les particules conductrices utilisées dans une technologie de puce à faible densité (voir la figure 9) du sol ESD peut mesurer de 0,5 cm à 10 cm avec une moyenne de 2 à 5 cm. Par conséquent, les tests de résistance ANSI/ESD STM 7.1 ne permettent pas de prédire si un sol particulier fournira de manière constante un contact électrique entre les roulettes et le sol.

La seule façon de faire une détermination précise consiste à effectuer un échantillonnage statistiquement valide des mesures de résistance à l'aide des chariots, des roulettes et des revêtements de sol qui seront achetés par l'établissement. Cela devrait être fait avant la commande de tout revêtement de sol. Une fois qu'un plancher a été installé, il est trop tard pour régler le problème. La plupart des fabricants de revêtements de sol ne fournissent pas de données ou de garanties concernant la résistance de contact des roulettes.

Figure 7 : Zone de contact/zone de roulette superposée sur le sol de technologie de veine conductrice

Si nous plaçons le même papier avec la fenêtre de visualisation de la taille d'un contact de roulette sur une dalle de vinyle ESD constituée d'une matrice serrée de veines conductrices, nous pouvons déplacer la fenêtre n'importe où sur la dalle et toujours voir les veines. En raison de la faible distance entre les veines dans cette matrice conductrice, il est impossible de trouver une zone du sol qui ne soit pas conductrice. Cette matrice serrée de veines conductrices augmente les possibilités de contact entre les minuscules surfaces de coulée et les éléments conducteurs du carreau. Partout où nous voyons des veines, la conductivité dans le carreau mettra à la terre les chaises et les chariots.

Les carreaux de vinyle ESD fabriqués avec la technologie des veines conductrices contiennent environ 150 pieds linéaires de veines conductrices par pied carré. Pour mettre cela en perspective, les veines sur trente-six tuiles fournissent un mile linéaire de points de contact conducteurs. Avec ces nombreux points de contact conducteurs, même le contact d'une seule roulette donne une mesure conforme à la norme ANSI S20.20 100 % du temps. Ce problème peut-il être résolu avec des sols utilisant la technologie des puces conductrices ?

La figure 8 fournit une comparaison visuelle entre un fond de puce conductrice à dispersion à faible densité (LD) et un fond de puce conductrice à dispersion à haute densité (HD). La distance entre les puces sur un sol LD peut varier de 0,5 à 5 centimètres dans le même carreau ou feuille. Les distances des copeaux dépassent rarement 0,5 cm sur un sol à copeaux HD. Les sols à technologie Chip peuvent être produits en feuilles ou en rouleaux pour des installations homogènes. Les sols à technologie Vein ne peuvent pas être fabriqués en rouleaux en raison des limitations du processus de fabrication. Les sols veinés ne sont disponibles qu'en dalles.

Figure 8 : Plancher en copeaux à faible densité (à gauche) et plancher en copeaux à haute densité (à droite)

Figure 9 : Notez la grande surface de contact d'une sonde NFPA par rapport aux éléments réels destinés à la mise à la terre à travers un plancher ESD :D—Zone de contact de la sonde NFPA = env. 31 cm2E—Sangle de talon typique : > 13 cm2G—Zone de contact de la roulette = 1 cm2F—Zone de contact de la chaîne au sol = négligeable

Les sols ESD doivent être soigneusement évalués pour de multiples fonctions, y compris la compatibilité avec les équipements de manutention. Deux technologies principales sont utilisées pour produire des revêtements de sol en dalles et en feuilles ESD : la technologie des veines conductrices et la technologie des puces conductrices. La technologie utilisée pour produire les revêtements de sol ESD influence les performances. Les planchers à veines conductrices surpassent les planchers à technologie de puces à faible et moyenne densité dans les cas où le sol doit mettre à la terre des postes de travail mobiles et des chariots. Cela est dû à un nombre insuffisant de points de contact conducteurs dans les sols à puces conductrices typiques de LD et de densité moyenne. La nouvelle technologie de puces à haute densité résout ce problème et offre le même niveau de performance que les sols à technologie veineuse conductrice.

Pour conclure, voici quelques points clés :

Figure 10 : Une matrice veineuse conductrice assure une mise à la terre conforme.

revêtements de sol antistatiqueschaiseschaisesDavid Longesd floorstaticworxtesting

Dave Long est le PDG et fondateur de Staticworx, Inc., l'un des principaux fournisseurs de solutions de revêtements de sol pour les environnements antistatiques. Il a plus de 30 ans d'expérience dans l'industrie et combine ses connaissances techniques approfondies de l'électrostatique et des tests de substrats en béton avec une compréhension pratique de la façon dont les matériaux fonctionnent dans des environnements réels.

C'est exactement ce que j'ai trouvé depuis le changement des spécifications de sol ESD. Je teste tous les sols ESD et c'est évident même en les regardant. De plus, les copeaux observés à la surface des sols de densité inférieure/moyenne ne passent pas toujours par la couche inférieure non plus, donc pas de chemin vers le sol. Les sols ne testent pas aussi bien et sont beaucoup plus variables (bien qu'ils réussissent le test de marche standard). Les anciens planchers à densité plus élevée et les planchers veinés que nous avons sont beaucoup plus résistants que les nouveaux planchers de spécifications.

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