Caster Contact: El talón de Aquiles de los pisos ESD

Jul 04, 2023

¿Cuál es el propósito de instalar un piso ESD? La respuesta más común a esta pregunta es "Necesitamos pisos ESD para evitar cargas estáticas en el personal móvil cuando manipulan partes y sistemas sensibles a la estática". En otras palabras, necesitamos la eficacia de una muñequera, pero no queremos lidiar con las restricciones de cables y cuerdas.

Si bien esta respuesta destaca un atributo clave de un piso ESD que funciona correctamente, pone el listón muy bajo. También subestima las numerosas ventajas que ofrece un suelo ESD. Al igual que cualquier otro componente de mitigación de estática, los pisos ESD son solo una pieza de un sistema integral más grande que mantiene todas las piezas, máquinas, herramientas, empaques, superficies de trabajo y personal con el mismo potencial.

Cuando se evalúan los pisos, los especificadores se enfocan en dos parámetros principales de desempeño: 1) la resistencia eléctrica del sistema de pisos; y 2) cuánta carga puede desarrollar una persona al caminar sobre el suelo usando un calzado específico. Pero, ¿qué pasa con las piezas en sí? ¿Cómo los protegemos? Cuando movemos partes de una operación a otra, no las acunamos en la palma de nuestras manos. Movemos piezas y sistemas en bolsas con cierre hermético, en carros con ruedas con bandejas y, posiblemente, con vehículos guiados automáticamente. En operaciones de fabricación ágiles, el piso ESD podría incluso usarse como base principal para bancos de trabajo sobre ruedas.

Figura 1: Rueda de silla conductora en un piso ESD

Los pisos ESD están diseñados para evitar que la descarga estática dañe las piezas y ensamblajes electrónicos en un área protegida contra ESD (EPA). Se instalan por múltiples razones. El suelo ideal evita la estática en:

Algunos suelos ESD cumplen las tres tareas. Otros inhiben el desarrollo de estática en las personas, pero hacen poco o nada para proteger el equipo o poner a tierra estaciones de trabajo móviles, carros y sillas ESD.

Para producir productos de calidad, aprobar la certificación ISO y satisfacer a los clientes, las instalaciones electrónicas deben cumplir con ANSI/ESD S20.20. En un esfuerzo por cumplir con los requisitos de pisos ESD en ANSI 20.20, los compradores y especificadores a menudo centran toda su atención en la resistencia eléctrica del sistema de pisos/adhesivo. Pero la resistencia es solo un parámetro de rendimiento.

Encontrar pisos que cumplan con los requisitos de resistencia punto a punto (RTT) y punto a tierra (RTG) S20.20 es una tarea fácil. El cumplimiento de todos los aspectos de ANSI/ESD S20.20 requiere que el piso realice múltiples funciones y no solo cumpla con un parámetro de resistencia eléctrica. Es igualmente importante determinar el voltaje máximo que generará el piso en una persona en combinación con calzado específico. Los muebles, las estaciones de trabajo móviles y los equipos también deben estar correctamente conectados a tierra a través del piso, con una resistencia entre las ruedas y la conexión a tierra del piso ESD dentro del rango aceptable de S20.20 (< 1,0 x109).

A continuación se presentan algunas pruebas que todo usuario final debe realizar al evaluar pisos:

Como parte de una evaluación de losetas ESD realizada por el departamento de instalaciones de un fabricante de instrumentos médicos, se instalaron pisos de prueba. Se evaluaron varias propiedades, incluida la planeidad, las características de deslizamiento, la resistencia del sistema de pisos, la generación de voltaje del cuerpo, la facilidad para hacer rodar equipos pesados, el mantenimiento y la dificultad de instalación y reparación.

Una de las opciones de pisos cumplió con todos los criterios, incluida la capacidad de instalarse sin adhesivo utilizando mano de obra interna. Sin embargo, antes de pedir el piso, un ingeniero de fabricación colocó varios carros móviles en el piso de prueba y midió la resistencia a tierra desde la superficie del carro a través de las ruedas conductoras hasta el punto de conexión a tierra del piso.

A pesar de que el piso por sí solo se había medido en el rango conductivo (< 1,0 x 106) según las pruebas ANSI/ESD S7.1, el piso no pasó la prueba de la estación de trabajo móvil, con mediciones de resistencia a tierra desde la superficie del carro que oscilaron entre 1,0 x 106 a 1,0 x 1012. Según ANSI/ESD S20.20, cualquier medida > 1,0 x 109 constituye una falla. Siete mediciones de los 40 puntos de prueba iniciales excedieron el máximo ANSI (consulte la Tabla 1).

Este muestreo fue seguido con más de 1000 mediciones. La tasa de rechazo fue de aproximadamente 16%. ¿Era el carro el problema? Cuando se colocó sobre una placa de metal, la resistencia del carro a tierra midió muy por debajo de 1,0 x 107. Para eliminar la contaminación como variable, el piso y las ruedas se limpiaron a fondo y se volvieron a probar. Esto tuvo poco impacto y las mediciones permanecieron inaceptables. La resistencia entre el carro y el piso cambió entre cuatro y seis órdenes de magnitud simplemente moviendo el carro tan solo una pulgada. Dado que la resistencia del piso y la resistencia a las ruedas del carro exhibieron consistencia, la única variable restante fue la ubicación aleatoria de las ruedas (rueda e interfaz del piso) en las baldosas del piso.

Las figuras 2 y 3 son fotos de un carro de bandejas que se encuentra comúnmente en las instalaciones de servicios de fabricación electrónica (EMS). El carro descansa sobre un sistema de piso que utiliza chips conductores. Este piso se clasificaría como un piso de chip conductor de baja densidad (LD). Este sistema de piso en particular proporciona un camino conductivo desde las virutas negras de la superficie a través de su espesor hasta un plano de tierra cargado de carbono en la parte inferior. Se usó una tira de cobre de 24" como punto de conexión a tierra. Cuando se probó con una sonda NFPA de cinco libras (2,27 kg) que mide 2,5" (6,35 cm), la resistencia del piso mide muy por debajo de 1,0 x 106.

Figura 2

figura 3

En la Figura 2, la medición del carro al suelo excede los límites (< 1.0 X 109) de ANSI/ESD S20.20. En la Figura 3, una medida compatible es el resultado de un cambio menor en la posición del mismo carrito en la misma baldosa. Al igual que los resultados de la Tabla 1, estas mediciones de resistencia confirman una alta correlación entre cambios insignificantes en la ubicación de las ruedas y cambios significativos en la resistencia.

Al igual que el carro que se muestra en las Figuras 2 y 3, los carros utilizados por el fabricante de equipos médicos se construyeron con cuatro ruedas conductoras. La resistencia a tierra entre el carro y el punto conectado a tierra cumplió con los requisitos de ANSI/ESD el 84 % del tiempo. Una tasa de aprobación del 84 % significa que, durante el 16 % del tiempo, ni una sola rueda conductora hizo un contacto adecuado con el piso del chip conductor.

Otra forma de ver esto sería ver los datos desde la perspectiva de la probabilidad de que cuatro eventos consecutivos tengan el mismo resultado. En este caso, los hechos serían simultáneos. Por ejemplo, ¿cuál es la probabilidad de sacar cara cuatro veces seguidas en un experimento de lanzamiento de una moneda? La ecuación sería

Sea la probabilidad de que ocurra un solo evento multiplicada por sí mismo cuatro veces, es decir, ½ x ½ x ½ x ½ = uno en 16.

Si aplicamos vagamente este enfoque a nuestro problema de pisos (para simplificar, estamos excluyendo la densidad de partículas frente al área total), podríamos decir que después de 100 intentos podemos hacer que las cuatro ruedas no toquen simultáneamente una partícula conductora 16 veces. Entonces, ¿cuál es la posibilidad de que un solo lanzador no toque una partícula conductora? Como mínimo, estamos cuestionando la probabilidad de que ocurran cuatro eventos consecutivos. Nuestra ecuación simple podría verse de la siguiente manera. X veces X veces X veces X = 16/100. Entonces, si resolvemos para X, la raíz cuarta de 16 es igual a dos y la raíz cuarta de 100 es igual a 3,1. Esencialmente, las probabilidades de que una sola rueda no toque los elementos conductores en el piso es del 66 %.

Para empezar, esto presenta un argumento válido para instalar ruedas conductoras en cada poste del carro. Pero la conclusión real es sacar ese viejo libro de estadísticas y realizar un experimento válido antes de asumir que cualquier piso ESD conectará a tierra las estaciones de trabajo móviles según los resultados de las pruebas ANSI/ESD 7.1 compatibles.

Este problema se puede evitar fácilmente cuando se compran pisos nuevos. Al evaluar un piso ESD, es imperativo evaluar el piso como parte de la instalación y los procesos dentro de la instalación. Se debe probar la compatibilidad de los pisos con todos los componentes de mitigación de ESD, incluidos los procesos de manejo de materiales. Un piso completamente funcional puede actuar como el ancla para todos los requisitos de conexión a tierra móviles.

Un atributo clave de muchos pisos de ESD es la capacidad de eliminar procesos de anclaje engorrosos y redundantes dentro de la EPA. Los pisos ESD también eliminan la necesidad de encerrar partes en cajas cubiertas y bolsas protectoras. Pero para eliminar el uso de engorrosos protocolos de embalaje y amarre, el piso debe proporcionar un camino a tierra compatible para dispositivos móviles de manejo de materiales sobre ruedas.

Algunos pisos ESD no pueden conectar a tierra las ruedas conductoras de manera efectiva debido al contacto deficiente entre las ruedas o los deslizadores y la baja densidad de puntos conductores o virutas en la superficie del piso. En ciertos casos, este problema se ve agravado por una aplicación de fábrica microdelgada de revestimiento cerámico o de poliuretano de bajo mantenimiento en la superficie del piso. Estos recubrimientos curados con UV reducen el mantenimiento a un costo. La mayoría de las pruebas muestran que los recubrimientos microdelgados aumentan la resistencia eléctrica del piso y disminuyen el control del voltaje del cuerpo al caminar.

Algunas losetas de vinilo ESD derivan su conductividad de chips conductores ubicados al azar, similares a la loseta que se muestra en la Figura 4. Las losetas negras son el único elemento conductor en la superficie de la loseta. El resto de la superficie es vinilo ordinario, es decir, un polímero aislante que no proporciona conexión a tierra.

Figura 4

Como se ilustra en la Figura 4, podemos evaluar esta responsabilidad girando nuestra sonda NFPA sobre su borde y midiendo un área de contacto entre los chips conductores y tierra. La muestra de loseta que se muestra en la figura mide menos de 1,0 x 106 cuando se utilizó la superficie completa de la sonda de 31 cm2 en una prueba ANSI/ESD S7.1. Sin embargo, el polímero entre los chips no es conductor. Cuando una rueda entra en contacto con el polímero no conductor entre los chips en lugar de hacer contacto con un chip conductor, las medidas cambian en más de cinco órdenes de magnitud.

Para que una estación de trabajo o silla portátil cumpla con ANSI/ESD S20.20, la resistencia a tierra debe ser inferior a 1,0 x 109.

Para comprender el problema, analizamos el tamaño de las ruedas conductoras e intentamos determinar qué parte de su superficie toca realmente el suelo. Primero, colocamos cuatro pedazos de papel debajo de la rueda, deslizando el papel desde cuatro direcciones diferentes hasta que no se deslizara más (vea la Figura 5).

Cuando levantamos el papel, esperábamos ver un espacio donde las cuatro tiras de papel no se encontraran. El espacio o vacío nos indicaría aproximadamente dónde había estado la rueda en contacto con el suelo. Antes de mover la rueda, pegamos los pedazos de papel para que se mantuvieran en su lugar. Luego sacamos la silla del papel. Debido a que pudimos meter una buena cantidad de papel debajo de la rueda, esperábamos que el área de contacto entre la rueda y la baldosa del piso fuera pequeña. Nos sorprendió ver que era apenas más grande que una astilla. De hecho, el área de contacto real era más pequeña que una moneda de diez centavos (ver Figura 5).

Figura 5: Un espacio o vacío mostraría un área/parche de contacto entre la rueda y la loseta.

Figura 6: El área gris sólida entre la moneda de veinticinco centavos y la moneda de diez centavos representa el área de contacto de la rueda.

Piense en el espacio abierto en el papel como una ventana de visualización. Deslizamos la ventana alrededor del azulejo. Cuando no vemos un chip negro dentro de la ventana de visualización, estamos viendo una sección de mosaico que no conectará a tierra una rueda. Incluso cuando proporciona algún grado de conductividad cuando la mayor parte del área de contacto de la rueda descansa sobre el vacío entre las virutas, la resistencia probablemente medirá más de 1,0 x 109.

Una rueda conductora típica mide aproximadamente 10 cm de diámetro pero tiene un área de contacto de solo un cm cuadrado. Para poner esto en perspectiva, la sonda NFPA utilizada para medir la resistencia desde la superficie de un piso ESD a tierra tiene un área de contacto de 31 centímetros cuadrados. La distancia entre las partículas conductoras utilizadas en una tecnología de chip de baja densidad (consulte la Figura 9) del piso ESD puede medir desde 0,5 cm hasta 10 cm con un promedio de 2 a 5 cm. Por lo tanto, las pruebas de resistencia ANSI/ESD STM 7.1 no predecirán si un piso en particular proporcionará contacto eléctrico consistente entre las ruedas y el piso.

La única forma de hacer una determinación precisa es realizando un muestreo estadísticamente válido de las mediciones de resistencia utilizando los carros, las ruedas y el piso que comprará la instalación. Esto debe hacerse antes de ordenar cualquier piso. Una vez que se ha instalado un piso, es demasiado tarde para abordar el problema. La mayoría de los fabricantes de pisos no brindan información ni garantías relacionadas con la resistencia de contacto de las ruedas.

Figura 7: Área de contacto/parche de la rueda superpuesto sobre el piso de tecnología de vena conductiva

Si colocamos el mismo papel con la ventana de visualización del tamaño de un contacto de ruedas en una loseta de vinilo ESD hecha con una matriz apretada de venas conductoras, podemos mover la ventana a cualquier lugar de la loseta y seguir viendo las venas. Debido a la estrecha distancia entre las venas en esta matriz conductora, es imposible encontrar un área del piso que no sea conductora. Esta estrecha matriz de venas conductoras aumenta las oportunidades de contacto entre las diminutas superficies de las ruedas y los elementos conductores de la loseta. En cualquier lugar donde veamos venas, la conductividad en el azulejo hará que las sillas y los carros se muevan.

Las losetas de vinilo ESD fabricadas con tecnología de vetas conductivas contienen aproximadamente 150 pies lineales de vetas conductivas por pie cuadrado. Para poner esto en perspectiva, las vetas de treinta y seis mosaicos proporcionan una milla lineal de puntos de contacto conductivos. Con tantos puntos de contacto conductivos, incluso el contacto de una sola rueda produce una medición conforme a ANSI S20.20 el 100 % de las veces. ¿Se puede resolver este problema con pisos que usen tecnología de chips conductivos?

La Figura 8 proporciona una comparación visual entre un piso de chip conductor de dispersión de baja densidad (LD) con un piso de chip conductor de dispersión de alta densidad (HD). La distancia entre virutas en un piso LD puede oscilar entre 0,5 y 5 centímetros dentro de una misma loseta o lámina. Las distancias de las astillas rara vez superan los 0,5 cm en un piso de astillas HD. Los pisos con tecnología Chip se pueden producir en láminas o rollos para instalaciones sin juntas. Los pisos de tecnología Vein no pueden fabricarse en rollo debido a limitaciones en el proceso de fabricación. Los suelos Vete solo están disponibles como baldosas.

Figura 8: Piso de virutas de baja densidad (a la izquierda) y piso de virutas de alta densidad (derecha)

Figura 9: Tenga en cuenta la gran área de contacto de una sonda NFPA en comparación con los elementos reales destinados a la conexión a tierra a través de un piso ESD: D: área de contacto de la sonda NFPA = aprox. 31 cm2E—Típica correa del talón: > 13 cm2G—Área de contacto de la rueda = 1 cm2F—Área de contacto de la cadena con el suelo = insignificante

Los pisos ESD deben evaluarse minuciosamente para múltiples funciones, incluida la compatibilidad con el equipo de manejo de materiales. Hay dos tecnologías principales que se utilizan para producir losetas y pisos laminados ESD: la tecnología de vetas conductivas y la tecnología de chips conductivos. La tecnología utilizada para producir suelos ESD influye en el rendimiento. Los pisos de vetas conductoras superan a los pisos con tecnología de chips de densidad baja y media en los casos en que el piso debe conectar a tierra estaciones de trabajo y carros móviles. Esto se debe a una cantidad inadecuada de puntos de contacto conductivos en los típicos pisos de virutas conductivas de densidad media y LD. La nueva tecnología de chips de alta densidad resuelve este problema y ofrece el mismo nivel de rendimiento que los pisos con tecnología de vetas conductivas.

Para concluir, aquí hay algunos puntos clave:

Figura 10: Una matriz de vetas conductoras garantiza una conexión a tierra compatible.

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Dave Long es el director ejecutivo y fundador de Staticworx, Inc., un proveedor líder de soluciones de pisos para ambientes libres de estática. Tiene más de 30 años de experiencia en la industria y combina su amplio conocimiento técnico de electrostática y pruebas de sustratos de concreto con una comprensión práctica de cómo funcionan los materiales en entornos del mundo real.

Esto es exactamente lo que he estado encontrando desde el cambio en la especificación del piso ESD. Pruebo todos los pisos ESD y es obvio incluso mirarlos. Además, las astillas que se ven en la superficie de los pisos de densidad baja/media tampoco siempre pasan a la capa inferior, por lo que no hay camino a tierra. Los pisos no prueban tan bien y son mucho más variables (aunque pasan la prueba de caminar estándar). Los pisos anteriores de mayor densidad y los pisos veteado que tenemos son mucho más resistentes que los nuevos pisos de especificación.

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