キャスター接触部: ESD 床のアキレス腱

Jul 04, 2023

ESDフロアを設置する目的は何ですか? この質問に対する最も一般的な答えは、「静電気に敏感な部品やシステムを扱う移動作業員の静電気を防ぐために、ESD 床材が必要です。」です。 言い換えれば、リストストラップの効果は必要ですが、ワイヤーやコードの制限には対処したくないのです。

この回答は、適切に機能する ESD フロアの重要な特性を強調していますが、ハードルは非常に低く設定されています。 また、ESD フロアが実際に提供する多くの利点を空売りします。 他のすべての静電気緩和コンポーネントと同様に、ESD フロアは、すべての部品、機械、工具、梱包材、作業台、および人員を同じ電位に保つ、より大きな包括的なシステムの一部にすぎません。

床を評価する場合、指定者は次の 2 つの主要な性能パラメータに焦点を当てます。1) 床材システムの電気抵抗。 2) 特定の靴を履いて床を歩いたときに、どのくらいの電荷が発生する可能性があるか。 しかし、部品自体はどうなのでしょうか？ どうすれば彼らを守れるでしょうか？ 部品をある工程から別の工程に移動するとき、私たちは部品を手のひらに乗せたりしません。 部品やシステムは、ジップロックの袋、トレイ付きの車輪付きカート、場合によっては自動誘導車両に入れて移動します。 アジャイルな製造業務では、ESD フロアが車輪付きの作業台の主な接地場所として使用されることもあります。

図 1: ESD 床上の導電性椅子キャスター

ESD フロアは、静電気放電が ESD 保護エリア (EPA) 内の電子部品やアセンブリに悪影響を与えるのを防ぐように設計されています。ESD フロアは複数の理由で設置されます。 理想的な床は次のような場所で静電気を防ぎます。

一部の ESD フロアは 3 つのタスクをすべて満たします。 他のものは、人体に発生する静電気を抑制しますが、機器や地面のモバイル ワークステーション、カート、ESD チェアの保護にはほとんど、またはまったく効果がありません。

高品質の製品を生産し、ISO 認証に合格し、顧客を満足させるには、エレクトロニクス設備は ANSI/ESD S20.20 を満たす必要があります。 ANSI 20.20 の ESD 床材要件を満たすために、購入者と仕様者は多くの場合、床材/接着剤システムの電気抵抗にすべての注意を集中します。 しかし、抵抗は性能パラメータの 1 つにすぎません。

S20.20 ポイントツーポイント (RTT) およびポイントツーグラウンド (RTG) 抵抗要件を満たすフロアを見つけるのは簡単な作業です。 ANSI/ESD S20.20 のあらゆる側面を遵守するには、電気抵抗パラメータを満たすだけでなく、床が複数の機能を実行する必要があります。 特定の靴と組み合わせたときに床が人に発生させる最大電圧を決定することも同様に重要です。 家具、モバイル ワークステーション、および機器も、キャスターと ESD 床アース間の抵抗が S20.20 許容範囲 (< 1.0 x109) 以内になるように、床を通して適切に接地する必要があります。

以下は、フロアを評価する際にすべてのエンドユーザーが実行する必要があるいくつかのテストです。

医療機器メーカーの設備部門によるESDタイル評価の一環として、テストフロアが設置されました。 平坦性、滑り特性、床材システムの抵抗、本体電圧の発生、重機の転がしやすさ、メンテナンス、設置や修理の難易度など、さまざまな特性が評価されました。

床材のオプションの 1 つは、接着剤を使わずに内部労働力を使用して設置できる機能など、すべての基準を満たしていました。 ただし、床材を注文する前に、製造エンジニアはテスト床にいくつかの可動カートを置き、カートの表面から導電性キャスターを通って床の接地可能点までの接地抵抗を測定しました。

床自体が ANSI/ESD S7.1 テストに従って導電性範囲 (< 1.0 x 106) で測定されたにもかかわらず、床はモバイル ワークステーション テストに不合格であり、カート表面からの接地測定に対する抵抗は 1.0 から 1.0 の範囲でした。 x 106 ～ 1.0 x 1012。ANSI/ESD S20.20 に従って、1.0 x 109 を超える測定値は不合格となります。 最初の 40 のテスト ポイントのうち 7 つの測定値が ANSI の最大値を超えました (表 1 を参照)。

このサンプリングは 1,000 回を超える測定で追跡調査されました。 不合格率は約 16% でした。 カートが問題だったのでしょうか？ 金属プレート上に置いた場合、カートの接地抵抗は 1.0 x 107 をはるかに下回りました。変数としての汚染を排除するために、床材とキャスターは徹底的に洗浄され、再テストされました。 これによる影響はほとんどなく、測定値は依然として許容できないものでした。 カートをわずか 1 インチ動かすだけで、カートと床の間の抵抗が 4 ～ 6 桁変化しました。 床材の抵抗とカートのキャスターの抵抗が一貫性を示した場合、残る唯一の変数は、床タイル上のキャスター (キャスターと床の境界面) のランダムな配置でした。

図 2 と 3 は、電子製造サービス (EMS) 施設で一般的に見られるトレイ カートの写真です。 カートは、導電性チップを使用した床システムの上に置かれています。 この床は、低密度 (LD) 導電性チップ床として分類されます。 この特定の床システムは、黒い表面のチップからその厚さを通って下側のカーボンを充填したグランドプレーンまでの導電経路を提供します。 24 インチの銅ストリップを接地可能点として使用しました。2.5 インチ (6.35 cm) の 5 ポンド (2.27 Kg) の NFPA プローブでテストすると、床抵抗は 1.0 x 106 をはるかに下回りました。

図2

図3

図 2 では、カートから地面までの測定値が ANSI/ESD S20.20 の制限 (< 1.0 X 109) を超えています。 図 3 では、準拠した測定値は、同じ床タイル上の同じカートの位置をわずかに変更した結果です。 表 1 の結果と同様に、これらの抵抗測定により、キャスターの配置における無視できる変化と抵抗の重大な変化との間に高い相関関係があることが確認されています。

図 2 および 3 に示すカートと同様、医療機器メーカーが使用するカートは 4 つの導電性キャスターを備えて構築されていました。 カートと接地可能点の間の接地抵抗は、ANSI/ESD 要件を 84% 満たしました。 84% の合格率は、16% の時間、単一の導電性キャスターが導電性チップフロアと適切に接触しなかったことを意味します。

これを考察する別の方法は、4 つの連続したイベントが同じ結果になる確率の観点からデータを観察することです。 この場合、イベントは同時に発生します。 たとえば、コイントスの実験で表が4回連続でひっくり返る確率はどれくらいでしょうか? 方程式は次のようになります。

単一のイベントが発生する確率を 4 倍にしたもの、つまり 1/2 x 1/2 x 1/2 x 1/2 = 16 分の 1 になります。

このアプローチを床材の問題に大まかに適用すると (単純化のため、粒子密度と総面積を除外しています)、100 回の試行後、ランダムに 4 つのキャスターすべてが同時に 16 回導電性粒子に触れないようにすることができると言えるかもしれません。 それでは、単一のキャスターが導電性粒子に触れない可能性はどのくらいでしょうか? 少なくとも、4 回連続してどちらかまたは両方のイベントが発生する可能性には疑問があります。 簡単な方程式は次のようになります。 X 倍 X 倍 X 倍 X = 16/100。 したがって、X について解くと、16 の 4 番目の根は 2 に等しく、100 の 4 番目の根は 3.1 に等しくなります。 基本的に、単一のキャスターが床上の導電性要素に触れない確率は 66% です。

まず、これは、すべてのカートポストに導電性キャスターを取り付けるための有効な議論を示しています。 しかし、本当のポイントは、ANSI/ESD 7.1 準拠のテスト結果に基づいて、ESD 床がモバイル ワークステーションを接地すると仮定する前に、古い統計書を取り出して有効な実験を行うことです。

新しい床を購入すれば、この問題は簡単に回避できます。 ESD 床を評価する場合、床を施設および施設内のプロセスの一部として評価することが不可欠です。 床材は、マテリアルハンドリングプロセスを含むすべての ESD 緩和コンポーネントとの互換性をテストする必要があります。 完全に機能する床は、すべてのモバイル接地要件に対するアンカーとして機能します。

多くの ESD フロアの重要な特性は、EPA 内の煩雑で冗長なテザリング プロセスを排除できることです。 ESD フロアでは、部品を屋根付きのトート ボックスやシールド バッグに入れる必要もなくなります。 しかし、面倒なパッケージングやテザリングプロトコルの使用を排除するために、床はキャスター付きの移動式マテリアルハンドリング設備のための地面への準拠した経路を提供する必要があります。

一部の ESD 床では、キャスターまたはグライド間の接触不良、および床表面の導電点またはチップの密度が低いため、導電性キャスターを効果的に接地できません。 場合によっては、この問題は、床の表面にメンテナンスの手間がかからないポリウレタンまたはセラミックコーティングを工場で極薄に塗布することによって悪化します。 これらの UV 硬化コーティングにより、コストがかかりメンテナンスが軽減されます。 ほとんどのテストでは、極薄のコーティングが床の電気抵抗を増加させ、歩行体の電圧の制御を低下させることが示されています。

一部の ESD ビニール タイルは、図 4 に示すタイルと同様に、ランダムに配置された導電性チップから導電性を引き出します。黒いチップは、タイル表面の唯一の導電性要素です。 表面の残りの部分は通常のビニール、つまりアースへの接続を提供しない絶縁性ポリマーです。

図4

図 4 に示すように、NFPA プローブの端を回転させ、導電性チップとグランドの間の接触面積を測定することで、この信頼性を評価できます。 図に示されているタイル サンプルは、ANSI/ESD S7.1 テストで 31 cm2 のプローブ表面全体が使用された場合、測定値が 1.0 x 106 未満でした。 ただし、チップ間のポリマーは非導電性です。 キャスターが導電性チップに接触するのではなく、チップ間の非導電性ポリマーに接触すると、測定値は 5 桁以上変化します。

ポータブル ワークステーションまたは椅子が ANSI/ESD S20.20 に適合するには、対接地抵抗が 1.0 x 109 未満である必要があります。

この問題を理解するために、私たちは導電性キャスターのサイズを調べ、実際に床に接触する表面積のどれくらいかを判断しようとしました。 まず、4 枚の紙をキャスターの下に押し込み、紙がそれ以上滑らなくなるまで 4 つの異なる方向からスライドさせます (図 5 を参照)。

紙を持ち上げると、4枚の紙が交わっていない空間が現れることが予想されました。 スペースまたは空洞は、キャスターが床と接触していたおおよその場所を示します。 キャスターを動かす前に、所定の位置に留まるように紙をテープで貼り合わせました。 それから椅子を紙から転がしました。 キャスターの下にかなりの量の紙を押し込むことができたので、キャスターと床タイルの間の接触面積は小さいことが予想されました。 私たちはそれがわずかにスライバーよりも大きいことを見て驚きました。 実際、実際の接触面積は 10 円未満でした (図 5 を参照)。

図 5: スペースまたは空隙には、キャスターとタイルの間の接触領域/パッチが表示されます。

図 6: 4 分の 1 と 10 セントの間の灰色の実線領域は、キャスターの接触領域を表します。

紙の中のオープンスペースを覗き窓として考えてください。 タイルの周りにウィンドウをスライドさせました。 観察窓の内側に黒いチップが見えない場合は、キャスターを接地しないタイルの部分を見ていることになります。 キャスターの接触領域の大部分がチップ間の空隙上にある場合、ある程度の導電性が得られる場合でも、抵抗は 1.0 x 109 を超える可能性があります。

一般的な導電性キャスターの直径は約10cmですが、接触面積はわずか1平方cmです。 これを大局的に考えると、ESD 床の表面からアースまでの抵抗を測定するために使用される NFPA プローブの接触面積は 31 平方センチメートルです。 低密度チップ技術で使用される導電性粒子間の距離 (図 9 を参照)、ESD フロアは 0.5 cm から最大 10 cm まで測定でき、平均は 2 ～ 5 cm です。 したがって、ANSI/ESD STM 7.1 耐性テストでは、特定の床がキャスターと床の間に電気的接触を常に提供できるかどうかを予測することはできません。

正確に判断する唯一の方法は、施設が購入するカート、キャスター、床材を使用して、統計的に有効な抵抗測定のサンプリングを実施することです。 これは、床材を注文する前に行う必要があります。 床が設置されてからでは、問題に対処するには遅すぎます。 ほとんどの床材メーカーは、キャスターの接触抵抗に関するデータや保証を提供していません。

図 7: 導電性静脈技術床に重ねられたキャスターの接触領域/パッチ

導電性静脈の緻密なマトリックスで作られた ESD ビニール タイル上にキャスターの接触サイズの観察窓を備えた同じ紙を置くと、ウィンドウをタイル上の任意の場所に移動しても静脈を見ることができます。 この導電性マトリックスでは静脈間の距離が狭いため、床の中で導電性のない領域を見つけることは不可能です。 この導電性静脈の緻密なマトリックスにより、小さなキャスター表面とタイル内の導電性要素の間の接触機会が増加します。 静脈が見える場所はどこでも、タイルの導電性により椅子やカートがアースされます。

導電性静脈技術で作られた ESD ビニール タイルには、平方フィートあたり約 150 直線フィートの導電性静脈が含まれています。 これを大局的に考えると、36 枚のタイル上の静脈は、直線 1 マイルの導電性接触点を提供します。 これだけ多くの導電性接触点があるため、単一のキャスターからの接触でも 100% の確率で ANSI S20.20 準拠の測定値が得られます。 導電性チップ技術を用いた床でこの問題は解決できるのでしょうか？

図 8 は、低密度 (LD) 分散導電性チップ フロアと高密度 (HD) 分散導電性チップ フロアの視覚的な比較を示しています。 LD フロア上のチップ間の距離は、同じタイルまたはシート内で 0.5 ～ 5 センチメートルの範囲になります。 HD チップ フロアでは、チップの距離が 0.5 cm を超えることはほとんどありません。 チップテクノロジーフロアは、シームレスな設置のためにシートまたはロールで製造できます。 Vein テクノロジーフロアは、製造プロセスの制限によりロール状に製造することができません。 静脈床はタイルとしてのみ利用可能です。

図 8: 低密度チップ フロア (左) と高密度チップ フロア (右)

図 9: ESD フロアを介して接地することを目的とした実際のアイテムと比較して、NFPA プローブの接触面積が大きいことに注意してください。D - NFPA プローブの接触面積 = 約 100 m 31 cm2E - 一般的なヒール ストラップ: > 13 cm2G - キャスター接触面積 = 1 cm2F - グランド チェーン接触面積 = 無視できる

ESD 床は、資材運搬装置との互換性を含む複数の機能について徹底的に評価する必要があります。 ESD タイルおよびシート床材の製造には、導電性静脈技術と導電性チップ技術という 2 つの主な技術が使用されます。 ESD フロアの製造に使用される技術は、パフォーマンスに影響を与えます。 導電性静脈床は、床がモバイルワークステーションやカートを接地する必要がある場合、低密度および中密度のチップ技術床よりも優れた性能を発揮します。 これは、一般的な LD および中密度の導電性チップ フロアでは導電性接触点の数が不十分であることが原因です。 新しい高密度チップ技術はこの問題を解決し、導電性静脈技術の床と同じレベルの性能を提供します。

最後に、重要なポイントをいくつか紹介します。

図 10: 導電性静脈マトリックスにより、準拠した接地が保証されます。

静電気防止床キャスター椅子David Longesd 床静電気防止テスト

Dave Long は、静電気のない環境のための床材ソリューションの大手プロバイダーである Staticworx, Inc. の CEO 兼創設者です。 彼は 30 年以上の業界経験を持ち、静電気やコンクリート基板の試験に関する包括的な技術知識と、現実の環境で材料がどのように機能するかについての実践的な理解を組み合わせています。

これはまさに、ESD フロアの仕様が変更されて以来、私が見つけてきたことです。 私はすべての ESD フロアをテストしましたが、それは目で見ても明らかです。 また、低密度/中密度の床の表面に見られるチップも、必ずしも下層に到達するとは限らず、接地への経路がありません。 床はそれほどテストされず、かなりばらつきがあります (ただし、標準的な歩行テストには合格しています)。 当社が所有する以前の高密度の床と縞模様の床は、新しい仕様の床よりもはるかに弾力性があります。

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