Kapslinger og kabinetter - ven eller fjende?
Af Claus Hillker, ESD-Specialist, Zenitech.
Bragt i Aktuel Elektronik, maj 2018
Kapslinger og kabinetter af den ene eller anden art går oftest hånd i hånd med den ’rå’ elektronik, når et produkt skal ud i verden. Oftere end de fleste tror er det også den beskyttende kapsling, der ødelægger indholdet!
Hvordan skal det pakkes ind? – Det er et spørgsmål jeg ofte har stillet når jeg som udvikler tilbage i tiden har siddet og brainstormet med en kunde.
Hvad enten svaret har været en ’standard’ kapsling fra en af de mange producenter af plast eller metalvarer, eller noget der har været designet specifikt til denne opgave, har det fra begge sider affødt tanker omkring værdien som EMC-afskærmning, indkapsling af farlige spændingsførende dele, IP klasser, mulige kabelføringer, design af brugerflade osv. Et af de emner, der desværre sjældent er bliver vendt i denne sammenhæng, er hvilken konsekvens valget af kapsling har haft for ESD beskyttelsen af produktet.
To sider af ESD problematikken
Under immunitetstest for ESD-påvirkninger, ’skydes’ ESD på kabinettet og alle dele der er tilgængelige for brugeren. Her er en kapslingen oftest en god ven, der giver mulighed for at afskærme eller bortlede energien. Det påviste modstandsdygtighed gælder forhåbentlig efterfølgende ude virkeligheden. Dette har de fleste hardwaredesignere efterhånden lært, og taget med i deres designproces.
Det lidt oversete andet forhold, er hvad der kan ske i forbindelse med produktion af apparatet, under installation og evt. service/reparation. I disse situationer håndteres elektronikken i mere eller mindre ESD-beskyttede omgivelser – og måske ikke altid på den måde som designeren ellers havde forestillet sig.
Materialevalg er afgørende
Er valget faldet på et plastkabinet, vil der ofte være en statisk ladning på kabinettet når det skal mødes med elektronikken første gang. Overfladespændingen og energiindhold er stærkt varierende alt efter plasttype, fremstillingsproces, fugtighed og hvordan plastdelene håndteres, det eneste vi kan sige med sikkerhed er at overfladespændingen kun yderst sjældent er 0v, med mindre vi nærmest konstant gør noget aktivt for at det skal ske.
Når først elektronikken er monteret i plastkabinettet, vil de statiske ladninger der er eller kommer på plastoverfladerne også føre til opladning af elektronikken. En ladning der er klar til at blive afledt til andre emner, når en passende lejlighed byder sig.
Den første lejlighed er alt for ofte et kabel der på et tidspunkt tilsluttes, f.eks. til overførsel af den software der skal få produktet til at gøre som det er tiltænkt. Sker overførslen via en port der er beskyttet som en ekstern port, og dermed også skal leve op til EMC-direktivets krav, så sker der næppe nogen skade. Sker det derimod via et ringe eller hel u-beskyttet In Circuit Programming interface direkte på CPU’en, så er der basis for problemer.
ICP forbindelserne er sjældent beskyttet af andet end et par dioder internt på chippen, for de er beregnet til brug for højghastighedskommunikation i et beskyttet miljø. Den energi der i en ESD-hændelse kan overføres under tilslutning af programmeringskablet er langt over hvad dette beskyttelseskredsløb er bygget til, og vil derfor påføre en skade, der ofte viser sig på sigt, eller i bedste fald omgående.
Næste potentielle skade sker f.eks. når en montør har hængt produktet op på væggen hos forbrugeren, og skal til at tilslutte de forskellige eksterne forbindelse. Hvad berøres først – er det den klemme der er godt beskyttet, fordi der skal tilsluttes en lang ledning ud i verden, eller fumler montøren rundt fordi der er trang plads at arbejde på, og får lavet en ’første kontakt’ ESD hændelse midt på printet? Ikke alt kan løses i kabinetvalg alene, men vi kan hjælpe det lidt på vej.
Bragt i Aktuel Elektronik, maj 2018
Kapslinger og kabinetter af den ene eller anden art går oftest hånd i hånd med den ’rå’ elektronik, når et produkt skal ud i verden. Oftere end de fleste tror er det også den beskyttende kapsling, der ødelægger indholdet!
Hvordan skal det pakkes ind? – Det er et spørgsmål jeg ofte har stillet når jeg som udvikler tilbage i tiden har siddet og brainstormet med en kunde.
Hvad enten svaret har været en ’standard’ kapsling fra en af de mange producenter af plast eller metalvarer, eller noget der har været designet specifikt til denne opgave, har det fra begge sider affødt tanker omkring værdien som EMC-afskærmning, indkapsling af farlige spændingsførende dele, IP klasser, mulige kabelføringer, design af brugerflade osv. Et af de emner, der desværre sjældent er bliver vendt i denne sammenhæng, er hvilken konsekvens valget af kapsling har haft for ESD beskyttelsen af produktet.
To sider af ESD problematikken
Under immunitetstest for ESD-påvirkninger, ’skydes’ ESD på kabinettet og alle dele der er tilgængelige for brugeren. Her er en kapslingen oftest en god ven, der giver mulighed for at afskærme eller bortlede energien. Det påviste modstandsdygtighed gælder forhåbentlig efterfølgende ude virkeligheden. Dette har de fleste hardwaredesignere efterhånden lært, og taget med i deres designproces.
Det lidt oversete andet forhold, er hvad der kan ske i forbindelse med produktion af apparatet, under installation og evt. service/reparation. I disse situationer håndteres elektronikken i mere eller mindre ESD-beskyttede omgivelser – og måske ikke altid på den måde som designeren ellers havde forestillet sig.
Materialevalg er afgørende
Er valget faldet på et plastkabinet, vil der ofte være en statisk ladning på kabinettet når det skal mødes med elektronikken første gang. Overfladespændingen og energiindhold er stærkt varierende alt efter plasttype, fremstillingsproces, fugtighed og hvordan plastdelene håndteres, det eneste vi kan sige med sikkerhed er at overfladespændingen kun yderst sjældent er 0v, med mindre vi nærmest konstant gør noget aktivt for at det skal ske.
Når først elektronikken er monteret i plastkabinettet, vil de statiske ladninger der er eller kommer på plastoverfladerne også føre til opladning af elektronikken. En ladning der er klar til at blive afledt til andre emner, når en passende lejlighed byder sig.
Den første lejlighed er alt for ofte et kabel der på et tidspunkt tilsluttes, f.eks. til overførsel af den software der skal få produktet til at gøre som det er tiltænkt. Sker overførslen via en port der er beskyttet som en ekstern port, og dermed også skal leve op til EMC-direktivets krav, så sker der næppe nogen skade. Sker det derimod via et ringe eller hel u-beskyttet In Circuit Programming interface direkte på CPU’en, så er der basis for problemer.
ICP forbindelserne er sjældent beskyttet af andet end et par dioder internt på chippen, for de er beregnet til brug for højghastighedskommunikation i et beskyttet miljø. Den energi der i en ESD-hændelse kan overføres under tilslutning af programmeringskablet er langt over hvad dette beskyttelseskredsløb er bygget til, og vil derfor påføre en skade, der ofte viser sig på sigt, eller i bedste fald omgående.
Næste potentielle skade sker f.eks. når en montør har hængt produktet op på væggen hos forbrugeren, og skal til at tilslutte de forskellige eksterne forbindelse. Hvad berøres først – er det den klemme der er godt beskyttet, fordi der skal tilsluttes en lang ledning ud i verden, eller fumler montøren rundt fordi der er trang plads at arbejde på, og får lavet en ’første kontakt’ ESD hændelse midt på printet? Ikke alt kan løses i kabinetvalg alene, men vi kan hjælpe det lidt på vej.
Er et metalkabinet bedre? Ja, er nok umiddelbart svaret, men det kommer i høj grad an på om det f.eks. er malet/pulverlakeret (og dermed isoleret…), om der er et par gummifødder under, så det er isoleret fra det ellers fint ESD-sikrede arbejdsbord. Der er i det hele taget så mange forhold der spiller ind, at den eneste regel er, at kan det aflades/jordforbindes/potentialudlignes så skal det ske som det første inden nogen som helst anden tilslutning foretages. Sker det ikke er situationen fuldstændig den samme som for plastkabinettet. Et metalkabinet potentialudlignes ved kontakt, og dermed er den ladning der er tilstede oftest være lavere end på et plastkabinet – man skal dog stadig tage sig i akt for situationer som f.eks. udpakning og håndtering af plastemballerede/malede metalkabinetter hvor stor ladning kan tilføres på kort tid.
Andre veje ind
Det er flere gange set at ellers fuldt kapslede enheder beskadiges, af ESD udladninger til/fra udhængende signalkabler der er klar til tilslutning til eksterne enheder i et større produkt. Man tænkte at nu hvor elektronikken var forsvarligt lukket inde i styreskabet, så er ESD-sikring ligegyldig – og man tog grundigt fejl. Igen ligger en del af problemet gemt allerede i udviklingsfasen, hvor der f.eks. ikke sættes nær så meget beskyttelse på kabler der i sidste ende betragtes som intern kabelføring. Det er for så vidt helt OK, man skal bare lige huske det i produktionsprocessen også...
Ionisering
Tilbage til plastkabinettet, det kan jo ikke potentialudlignes. Det neutraliserer vi, for det er i praksis eneste mulighed.
Ved brug af ionisering kan en ikke-ledende flade, gøres spændingsneutral. Det sker ved at tilføre ioniseret luft, der modsat almindelig atmosfærisk luft har et overskud af positive og negativt ladede molekyler, ioner, der kan tiltrækkes af overfladen, indtil ladningen er neutraliseret.
Tilførsel af ioniseret luft kan gøres på forskellig vis, enten båret af trykluft, eller af lokal ventilation. En typisk ioniseringsenhed i en manuel samle og programmeringsproces vil være monteret over eller ved siden af arbejdspladsen, så et passende område foran medarbejderen er dækket, og emner placeret der hurtigt blive neutraliseret. Rækkevidden for ionisering er sjældent ret lang, det skyldes primært at de udsendte ioner med forskellig ladning blandes op i luftens turbulens, og dermed neutraliserer hinanden inden de når frem til målet. Fra ioniseringsenhederne ved en arbejdsplads udsendes oftest 50% af hver polaritet, idet man ikke kender det detaljerede behov
I maskinanlæg og automatiseret montage kan det give mening at tilføre ioniseret luft ganske lokalt, det sker ofte via mindre ioniseringsblæsere, eller trykluftdrevne systemer, hvor det også er muligt at lave et skævt forhold mellem positivt og negativt ladede ioner, hvis man ved konkret hvad det er man slås med.
En af de kedelige ting ved ionisering, er at det kræver vedligehold. Dels er der støv og skidt der samler sig, enten i et monteret filter, eller i alle afkroge af luftens vej gennem udstyret. Dels slides selve de nåle hvor ioniseringen foregår med tilført højspænding. Det er altså ikke en ’deploy and forget’ løsning, men noget man virkelig skal huske at have med i sin kontrol og vedligeholdelsesprocedure. Til gengæld vil man ved korrekt brug af ionisering opdage at problemer med at f.eks. displays tiltrækker støv, når beskyttelsesfolien fjernes bliver reduceret, idet at dette fænomen i udgangspunktet også skyldes statisk opladning af overfladen.
Under såvel planlægning, installation, som under den efterfølgende kontrol, er man godt hjulpet af et feltmeter, et instrument der kan måle statisk ladning på bl.a. overflader, og hvor de mere avancerede udgaver også kan måle ’charge decay time’ - hvor hurtigt en opladet overflade bliver neutraliseret. Charge decay time er også det kontrolpunkt som ESD-standarden DS/EN61340-5-1 bruger for ioniseringsløsninger.
Andre veje ind
Det er flere gange set at ellers fuldt kapslede enheder beskadiges, af ESD udladninger til/fra udhængende signalkabler der er klar til tilslutning til eksterne enheder i et større produkt. Man tænkte at nu hvor elektronikken var forsvarligt lukket inde i styreskabet, så er ESD-sikring ligegyldig – og man tog grundigt fejl. Igen ligger en del af problemet gemt allerede i udviklingsfasen, hvor der f.eks. ikke sættes nær så meget beskyttelse på kabler der i sidste ende betragtes som intern kabelføring. Det er for så vidt helt OK, man skal bare lige huske det i produktionsprocessen også...
Ionisering
Tilbage til plastkabinettet, det kan jo ikke potentialudlignes. Det neutraliserer vi, for det er i praksis eneste mulighed.
Ved brug af ionisering kan en ikke-ledende flade, gøres spændingsneutral. Det sker ved at tilføre ioniseret luft, der modsat almindelig atmosfærisk luft har et overskud af positive og negativt ladede molekyler, ioner, der kan tiltrækkes af overfladen, indtil ladningen er neutraliseret.
Tilførsel af ioniseret luft kan gøres på forskellig vis, enten båret af trykluft, eller af lokal ventilation. En typisk ioniseringsenhed i en manuel samle og programmeringsproces vil være monteret over eller ved siden af arbejdspladsen, så et passende område foran medarbejderen er dækket, og emner placeret der hurtigt blive neutraliseret. Rækkevidden for ionisering er sjældent ret lang, det skyldes primært at de udsendte ioner med forskellig ladning blandes op i luftens turbulens, og dermed neutraliserer hinanden inden de når frem til målet. Fra ioniseringsenhederne ved en arbejdsplads udsendes oftest 50% af hver polaritet, idet man ikke kender det detaljerede behov
I maskinanlæg og automatiseret montage kan det give mening at tilføre ioniseret luft ganske lokalt, det sker ofte via mindre ioniseringsblæsere, eller trykluftdrevne systemer, hvor det også er muligt at lave et skævt forhold mellem positivt og negativt ladede ioner, hvis man ved konkret hvad det er man slås med.
En af de kedelige ting ved ionisering, er at det kræver vedligehold. Dels er der støv og skidt der samler sig, enten i et monteret filter, eller i alle afkroge af luftens vej gennem udstyret. Dels slides selve de nåle hvor ioniseringen foregår med tilført højspænding. Det er altså ikke en ’deploy and forget’ løsning, men noget man virkelig skal huske at have med i sin kontrol og vedligeholdelsesprocedure. Til gengæld vil man ved korrekt brug af ionisering opdage at problemer med at f.eks. displays tiltrækker støv, når beskyttelsesfolien fjernes bliver reduceret, idet at dette fænomen i udgangspunktet også skyldes statisk opladning af overfladen.
Under såvel planlægning, installation, som under den efterfølgende kontrol, er man godt hjulpet af et feltmeter, et instrument der kan måle statisk ladning på bl.a. overflader, og hvor de mere avancerede udgaver også kan måle ’charge decay time’ - hvor hurtigt en opladet overflade bliver neutraliseret. Charge decay time er også det kontrolpunkt som ESD-standarden DS/EN61340-5-1 bruger for ioniseringsløsninger.