Protection antistatique (ESD) » Mesures & précautions au travail
Publié le : 12.04.2024 | Durée de lecture : 7 minutes
Il arrive parfois que l'on reçoive une petite décharge électrique en touchant une poignée de porte ou une étagère métallique. Cela se produit en général lorsque l'air est très sec et que l'on porte des chaussures aux semelles bien isolées. Les spécialistes parlent dans ce cas d'électricité de contact ou d'électricité de frottement.
Dans la plupart des cas, de telles électrocutions sont d'abord surprenantes et parfois désagréables pour les personnes concernées. En raison de la faible intensité du courant, ce phénomène ne met toutefois pas en danger votre vie. Pour les composants électroniques, en revanche, la situation est tout autre. En effet, en raison de la miniaturisation croissante, les zones sous tension sont de plus en plus rapprochées les unes des autres. Même en cas de faible charge statique, l'énergie suffit sans problème pour détruire complètement des éléments, des composants électroniques, des capteurs ou des circuits complets. C'est pourquoi des mesures de protection appropriées doivent être prises pour éviter cet effet. Pour réduire le risque de charge électrostatique, nous vous montrons volontiers ce qu'il faut faire et quelles sont les possibilités disponibles.
Une décharge électrostatique ou ESD (Electrostatic Discharge) se produit toujours lorsque deux corps présentent des différences de potentiel élevées. En cas de différence de potentiel, il y a un manque d'électrons (pôle positif) sur un corps et un excès d'électrons (pôle négatif) sur l'autre corps. Des différences de potentiel statiques peuvent apparaître lorsque deux objets non chargés électriquement entrent en contact, sont séparés ou se frottent l'un contre l'autre. Les matériaux ayant une faible liaison électronique cèdent alors leurs électrons aux matériaux ayant une liaison électronique plus forte.
Une personne qui marche par exemple sur une moquette en fibres synthétiques avec des chaussures bien isolées et des semelles en caoutchouc absorbe des électrons par le biais de ses chaussures et peut donc rapidement se charger négativement en électricité statique. La tension peut alors atteindre plusieurs centaines de volts. Si l'on touche ensuite une poignée de porte présentant une bonne capacité de décharge, un échange de charges a lieu et les électrons s'écoulent en direction de la terre. Selon l'importance de la charge statique, une décharge peut se produire peu de temps avant le contact. La décharge se produit alors en une fraction de seconde, la différence de charge ou de tension étant à nouveau compensée.
Schéma du haut : Deux atomes non chargés électriquement (A et B) avec le même nombre d'électrons et de protons.
Schéma du milieu : Un transfert d'électrons a lieu par frottement/contact.
Schéma du bas : En absorbant un électron, l'atome A est chargé négativement et en cédant un électron, l'atome B est chargé positivement.
Remarque : Pour simplifier la représentation, on a choisi deux modèles atomiques (A et B) avec le même nombre d'électrons et de protons.
Pour les personnes en bonne santé, une décharge électrostatique est certes désagréable, mais n'a généralement pas de conséquences graves. En revanche, dans le domaine de l'électronique et de l'électrotechnique, les dommages peuvent être massifs et étendus.
Dommages causés aux semi-conducteurs
Les tensions élevées qui apparaissent lors des décharges électrostatiques et les pics de courant qui y sont liés peuvent rendre les transistors ou les circuits intégrés inutilisables en une fraction de seconde. En effet, ces composants réagissent de manière très sensible lorsque les valeurs limites autorisées sont dépassées.
Dommages causés aux circuits électriques
Dans les circuits électriques, de nombreux composants sont directement reliés entre eux ou couplés électromagnétiquement.De ce fait, les décharges électrostatiques peuvent provoquer des perturbations et des dysfonctionnements massifs qui ont des répercussions négatives sur le circuit complet, y compris tous les systèmes connectés.
Dommages causés aux capteurs et dispositifs de mesure
Les capteurs et les dispositifs de mesure sont souvent équipés d'entrées ultrasensibles afin de pouvoir remplir avec précision les tâches de mesure demandées. En conséquence, les systèmes réagissent de manière très sensible lorsque, en cas de décharge électrostatique, les valeurs de tension appliquées sont plusieurs fois plus élevées.
Dommages causés aux cartes de circuits imprimés et circuits intégrés
Les composants utilisés sur les circuits imprimés ne sont pas les seuls à pouvoir être endommagés. Les cartes de circuits imprimés eux-mêmes sont également en danger. Si les valeurs de tension sont suffisamment élevées, des surtensions peuvent se produire sur des pistes conductrices proches les unes des autres. Des pics de courant trop élevés peuvent surcharger les pistes conductrices et les détruire.
Dommages par des pertes de données
Lors de l'utilisation de supports de stockage électroniques, les décharges électrostatiques peuvent entraîner une perte partielle ou totale des données. Outre les données perdues, des machines et des installations de production entières peuvent tomber en panne si le support de données contenait le système d'exploitation requis.
Dans l'exemple déjà évoqué de la moquette et de la poignée de porte, la tension statique doit avoir une hauteur d'environ 3500 V pour que la décharge soit perceptible. Dans le cas des composants sensibles aux décharges électrostatiques (ESDS pour Electrosatic Discharge Sensitive), une tension nettement plus faible suffit pour les endommager durablement. De ce fait, les personnes qui causent des dommages par décharge électrostatique en touchant des semi-conducteurs ne réalisent souvent pas ce qu'elles ont fait.
Mais ce n'est pas tout. Les dommages causés aux semi-conducteurs par les décharges électrostatiques ne sont pas visibles à l'œil nu. Même un test fonctionnel au sein de la structure de circuit prévue ne garantit pas que les semi-conducteurs fonctionnent sans problème à long terme.
C'est pourquoi, lors de la fabrication et de la mise en œuvre de composants ESDS, il faut impérativement veiller à ce que toute charge électrostatique soit évitée de manière fiable dès le départ.
Différents moyens techniques sont utilisés à cet effet, sur lesquels nous reviendrons plus en détail par la suite.
Une protection ESD efficace est toujours nécessaire lorsque des composants, des modules ou des appareils complets sont sensibles aux décharges électrostatiques et doivent être protégés. Étant donné que de nombreux produits utilisent désormais des commandes électroniques étendues, le domaine d'application dans lequel une protection ESD efficace est impérative s'étend de plus en plus. Les principaux domaines d'application sont entre autres :
- Électronique grand public et électrotechnique
- Commandes pour l'automatisation industrielle
- Composants pour la construction d'ordinateurs
- Électronique de communication complexe
- Systèmes de commande pour la construction automobile
La protection ESD ne se limite pas à la production ou au service. Une protection ESD sans faille doit également être garantie lors du développement, de l'assurance qualité, des différents emballages et même dans l'entrepôt d'expédition, par exemple par une mise à la terre efficace.
Une décharge électrostatique ne peut avoir lieu que si une charge électrostatique s'est produite auparavant. Pour éviter cela, il existe deux solutions qui s'imbriquent l'une dans l'autre :
- La charge statique des objets et des personnes peut être efficacement empêchée par une dérivation électrique des électrons.
- Le courant généré lors d'une décharge devrait être limité par des résistances électriques afin de ralentir nettement l'échange de charges.
Pour ce faire, les électrons émis par les substances à faible liaison électronique sont déviés vers le potentiel de terre par des câbles de connexion appropriés. Nous allons présenter plus en détail les principales mesures de protection ESD utilisées à cet effet :
Zones de protection ESD
Des zones de protection EPA (Electronical Protected Area) spécialement identifiées sont mises en place pour la manipulation et le stockage de composants sensibles aux décharges électrostatiques. Tous les éléments de la zone de protection sont reliés au potentiel de la terre.
Postes de travail ESD
Des postes de travail ESD reliés à la terre sont utilisés pour le traitement des composants sensibles aux décharges électrostatiques. Les postes de travail disposent de sols conducteurs, de tapis de table et de raccords pour les bracelets de poignet et de pied.
Vêtement antistatique
Les vêtements en matières synthétiques se chargent extrêmement vite. On le constate par exemple lorsqu'un pull en fibres synthétiques est retiré. Les vêtements, chaussures et gants antistatiques empêchent l'accumulation de charges grâce à leur conductivité électrique.
Emballages de protection ESD
Les emballages et les boîtes de rangement utilisés doivent être en matériau dissipatif afin que les charges statiques éventuellement générées ne puissent pas pénétrer à l'intérieur. Si la manipulation est correcte, la décharge est fiable.
Raccordement à la terre
Une connexion à la terre bien conductrice avec une faible résistance interne est une condition importante pour toutes les mesures antistatiques. En effet, même les tensions statiques les plus faibles doivent être dissipées de manière fiable et dans toute leur ampleur.
Normes et formations
La norme DIN EN 61340-5-1 (VDE 0300-5-1) définit les exigences générales pour la protection des composants électroniques contre les phénomènes électrostatiques. Les personnes compétentes doivent être formées et sensibilisées en permanence à ce sujet.
Dans l'idéal, un poste de travail ESD devrait être situé dans une zone de protection (EPA). La zone de protection peut inclure soit le poste de travail individuel, soit toute une pièce comportant plusieurs postes de travail, voire un bâtiment entier. L'équipement final d'un poste de travail ESD dépend en fin de compte du type et de l'étendue des activités qui y sont effectuées. Mais en principe, on peut dire que certaines caractéristiques d'équipement et de mesures de protection ESD doivent absolument être présentes.
Tables et structures ESD
Une table de travail ESD doit être adaptable sur le plan ergonomique pour pouvoir travailler longtemps sans se fatiguer.
La table, ainsi que les structures, doivent être mises à la terre afin que le poste de travail reste toujours neutre en termes de charge.
Tapis pour poste de travail
Les tapis de table ESD ont largement fait leurs preuves pour l'aménagement de postes de travail ESD temporaires.
Ils permettent de raccorder à la terre les poignets et les pieds des travailleurs et peuvent être branchés à des prises électriques par des fiches de mise à la terre ESD.
Mise à la terre du personnel
En raison de leurs mouvements, les personnes sont principalement sujettes à l'accumulation d'électricité statique.
C'est pourquoi des mesures de protection particulières doivent être prises.
Cela inclut notamment les chaussures antistatiques, les bracelets ESD, les chaises ESD et les vêtements antistatiques.
Sols antistatiques
Chaises antistatiques
Comme les tables de travail, des chaises ESD doivent être ergonomiques et adaptées aux personnes qui les utilisent.
Grâce à la capacité de dissipation, il n'y a pas de charge notable lorsque la chaise roule sur le sol pendant le travail.
Outils et appareils
Les outils nécessaires, comme par exemple les pincettes, les tournevis et les pinces, doivent également être conducteurs.
Les aides telles que les stations de soudage ou les appareils de mesure nécessaires devraient tous avoir une protection antistatique.
Boîtes de rangement et systèmes de transport
Les objets à traiter doivent être amenés, stockés et également évacués vers les postes de travail ESD en fonction du processus.
Pour cela, il faut utiliser des chariots de transport ESD, des boîtes d'assortiment ESD, des sacs ESD et des boîtes ESD qui sont dotés d'une fonction de dérivation.
Remarque importante : pour ne pas détériorer la fonction de décharge des sols et des surfaces de rangement, il convient d'utiliser des produits de nettoyage adéquats. La cire pour sol disponible dans le commerce, par exemple, détériorerait de manière significative la capacité de décharge des revêtements de sol ou de la surface des sols.
Une protection ESD efficace est-elle vraiment importante ?
Absolument. En effet, les impulsions ESD destructrices ne sont pas en général pas perçues comme telles par les personnes qui en sont à l'origine. Les décharges statiques peuvent toutefois causer des dommages importants. D'autant plus que les défauts ne se produisent pas forcément de la même manière selon les dommages. Des pannes de système inutiles, des réparations coûteuses et une perte d'image désastreuse en cas de produits défectueux s'additionnent rapidement pour atteindre un montant considérable de dommages.
Y a-t-il des facteurs qui favorisent l'apparition de charges électrostatiques ?
Il existe de nombreux facteurs qui influencent le niveau et la polarité de la charge. Il s'agit notamment du type et des propriétés de surface du matériau et des conditions ambiantes telles que l'humidité de l'air. Lorsque l'humidité de l'air est comprise entre 40 et 60 %, la charge est en général transmise par l'air. Cela n'est possible que de manière limitée lorsque l'air de chauffage est sec, par exemple. Une faible humidité de l'air favorise donc l'apparition de charges électrostatiques.
Qu'entend-on par « antistatique » ?
Les composants et matériaux électroniques sont dits antistatiques lorsqu'ils empêchent ou réduisent l'accumulation d'électricité statique. Cela peut se faire soit en dissipant les charges électriques, soit en réduisant les frottements.
La fonctionnalité d'un poste de travail ESD peut-elle être testée ?
Il existe un grand nombre de testeurs ESD différents qui permettent de vérifier avec précision la fonctionnalité d'un poste de travail ESD ou les installations d'une zone de protection ESD (EPA) par le biais de mesures.
Pourquoi a-t-on besoin de prises de terre ESD ?
Une fiche de terre utilise le contact de protection d'une prise secteur pour établir la connexion au potentiel de terre nécessaire à la dérivation. Il n'est donc pas nécessaire de procéder à des travaux d'installation importants ou de poser des câbles.