由:
吉恩·s·梦露,美国宇航局兰利研究中心,弗吉尼亚州汉普顿
鲍勃·弗密尔,CPP,研究员,iNCE, RMV技术集团有限责任公司,NASA艾姆斯研究中心,加州
介绍
静电放电(ESD)保护区(EPA)的正确验证在很大程度上依赖于国家消防协会(NFPA) 5磅重量的使用。这5磅的重量是重量和电极的两倍;本文档今后将该工具称为5lb重量(图1)。
图1。5磅重,底部有电极聚合物垫。
5磅的重量有很多用途,包括在一个同心环上提供足够的重量,以精确和可重复测量材料;它提供了足够的重量来测量表面接地和工作表面,凳子/椅子,地板和服装的电阻。5磅的重量是最常用的工具之一,用于验证EPA是否符合当地ESD控制程序(CP)。
本文的目的是描述一个验证程序,以验证5磅重量的性能符合ESD协会(ESDA)和美国测试与材料协会(ASTM)的要求,如ANSI/ESD STM4.1/STM7.1和ASTM F150所述。
5磅重量的性能要求包括重量、电导率和聚合物垫的平整度。本文描述了作者用于进行这些测量的方法,并建议采用这些程序作为可用于替代校准要求的验证过程。
目的
尽管5磅重量对ESD CP很重要,但关于如何正式校准这些重量的讨论很少。本文讨论了基于前面列出的标准中确定的测试参数限制来验证合规性的性能要求和测试程序。作者检查了五种测试方法,在这里详细解释并在表a中总结,附录中提供了作者对多个5lb重量测试产生的数据。
a.为什么很少校准5lb的重量?
用户可能仅仅将5磅重量视为重量,从而无意中忽略了它的电气特性和随着时间推移会退化的事实。由于这些特性经常被忽视,用户可能没有意识到重量超出了校准,因此未能进行校准。
另一个经常被忽视的特性是5磅重量的聚合物垫的平整度,当不均匀时,会导致5磅重量倾斜。此外,缺乏5磅重量的校准可能是由于校准设备没有校准程序,因为该程序是专有的,通常由制造商完成。
此外,5磅要求的起源并不清楚;也就是说,为什么不是4磅或8磅?作者能够得到的最佳答案是,需要5磅的重量才能提供足够的向下力,以实现一致和可重复的测量。虽然无法获得支持5磅说法的测试数据,但它与本文无关,因此在本文中不提出质疑。
b.电传感器特性
最终用户验证必须包括对电极平整度的要求,以获得一致和准确的电极性能,因为随着时间的推移,橡胶电极可能会硬化、翘曲或损坏。
作者使用Prostat的印刷电路板(PCB)配置作为测试夹具来测量平面度。PCB有多个并联的电阻,作为传感器来测量PCB表面向下的力。由于平面度误差,5lb重量的倾斜会导致5lb重量的一侧比其他三侧重,因此会被测量的阻抗不相等检测到。当5lb重量从0°旋转到90°、180°和270°并在每个方向上测量时,将注意到这种不平衡阻抗。
阻抗测量应为0.5MΩ;然而,在阻抗测量变得不可靠之前,作者无法在任何行业标准中找到一个定义的公差水平,以确定由于聚合物衬垫不均匀而导致的倾斜程度。因此,作者决定使用与ESDA用于腕带的接地电阻相同的公差水平,即±20%。因此,我们决定在上述各个方向上测量的阻抗应为5E5 Ω±20% (0.4MΩ至0.6MΩ)。在该范围内的四象限方向测量之间的任何不平衡都被发现对测量精度的影响可以忽略不计,当系统配置包括两个5磅重量和一个测量仪器(即仪表)时。当阻抗测量不在这个范围内时,意外后果的一个例子在第4节中描述。
验证测试方法开发
图2。各种5磅重量和测试硬件。
a.设备测试
为了开发5磅重量的验证方法,对各种制造样品进行了测试。制造商包括3M、Prostat、transformation Technologies和Trek Inc.(图2)。
b.试验方法如表A所示
i.测试1:测量重量
ANSI/ESD STM4.1中所列的重量要求为5lb±2.5%。重量可以用体重秤来测量,比如邮局使用的体重秤。
2测试2:测量内阻
单个5lb重量的内阻应小于1kΩ。为了测量这个值,作者使用了一个同心环,通过一个电路探头连接到一个仪表的输入。5磅的重量被放置在一个同心环上(图3),另外一个电路探头将5磅的重量连接到仪表的另一个输入端;同心环的外环与5磅重量的聚合物垫的充分接触是必不可少的。
图3。同心环颠倒。
3测试3:体积电阻
通过重量测量阻抗,作为改进的体积电阻测试方法;作者将5lb重物放置在导电钢测试平台上,如图4所示(测试结果见附录III),最大值设置为< 1.0kΩ。
图4。体积电阻5lb重量测试
为了测量平面度,作者使用Prostat PRV-813 PCB测试台。作者将5lb的重量放在PCB夹具上,如图5所示。作者设定的阻抗值为5E5 Ω±20%。
图5。测量平面度。
该过程包括使用PRV-813顺时针旋转5磅重的重量4次测量;首先是0°,然后是90°,180°,最后是270°。理想情况下,所有四个测量值相等,从而验证完美的平整度;然而,随着时间的推移,这些数值会随着聚合物垫的降解而波动。最终用户必须确定这些测量的波动范围,以确保一个平面水平,以适应ESD CP。
v.试验5:测量电导率
图6。在不锈钢板上。
ASTM F150和ANSI/ESD STM4.1/STM7.1都设置了阻抗限制<1.0 x 103.在金属衬底上测量时,两个NFPA 5lb电极之间的Ω(图6)。该测量检查橡胶电极的电导率,但不检查平面完整性(见附录I中的结果)。
验证测试
为了开发5lb重量的验证方法,对上述每种方法进行了测试。作者的初步测试显示,测量系统中使用的一些较旧的5磅砝码表明,由于测量超过了允许的上限,被测材料(MUT)正在失效。为了验证这些测量结果,使用了多个5lb权重,导致测量结果不一致。作者使用了一家5磅重制造商提供的特殊修整垫(即砂纸类型的细砂纸),通过橡胶垫重新铺设并重置阻抗;随后,所有5磅重量测量mut的通过值。作者随后确定该擦拭过程将作为最终验证程序的一部分(参见附录VI中的擦拭程序)。
验证计划
正如NASA和其他实体已经采用常规验证测量来验证仪器功能,而不是设备校准,下面的测试程序可用于校准和验证NFPA 5lb电极电阻和ESDA和ASTM规定的极限内的平面度。
- 验证程序:例行验证确保精密设备在原始设备制造商(OEM)规范内运行。因此,在进行验证程序之前,获得使用时的5磅重量的准确测量是很重要的。
- 校准和验证所需设备:
a.电阻测量仪
b. 2x导电试验台(图6)
c. 1x导电试验台(图4)
d. 5lb配重装置(图5)
e.化妆垫(图8)
表A.试验参数
- 表A中列出的每个测试总结了5lb重量的各种验证方法。串联阻抗(#5)是通过测量两个电极之间的电阻并排进行的。平坦度完整性(#4)构成了并联多个电阻的使用。另一个平整度测试,外环阻抗(#2),是在同心圆环上放置一个电极来测量电阻。体积阻抗(#3)测量5磅重量和抛光镀镍黄铜试验台之间的电阻。最后,重量测量(#1)保证了对被测量表面施加足够的重量,以实现准确和可重复的测量。
- 运行这些测试程序后,使用专用修整垫清洗聚合物垫。
- 如果在修整聚合物垫之前,5lb砝码未通过表A所列的某项测试,但在修整后通过,则应进行局部异常处理,例如:1)通知从先前验证到故障发生期间使用该5lb砝码的项目;2)建议如何管理相关风险。
如果在修整前和修整后5lb重量都失效,则更换5lb电极,并通知任何受影响的项目。
结论
5磅的重量可以说是EPA认证、验证和验证中最常用的工具。然而,5磅的重量可能是NASA、国防部和工业界最少讨论的工具。因此,可以认为5磅重量是政府和行业中最不精确的工具。
EPA的正确验证很大程度上依赖于NFPA 5磅重量的使用。当与仪表一起使用时,5磅的重量作为一个电极,从重量向下施加足够的力。这确保了足够的接触面积来测量整个EPA中各种工作表面的对地电阻(RTG)和点对点电阻(RPP),包括防静电工作台、地板、服装、卫星罩、乙烯基窗帘、架子和椅子。当以这种方式使用时,必须保证5lb重量的平整度和电极的电导率。
前一节中定义的验证程序可确保关键任务硬件的EPA表面测量完整性。
简而言之,本文件定义了五种测试程序和测试参数限制,并在附录I-VI中给出了在这项工作中获得的测试数据。最后,作者提出了一个验证测试程序,以验证NFPA 5lb重量的功能,这反过来可以用来取代传统的校准要求。
因此,本文件应向ESD项目经理提供信息,以提高他/她的ESD CP,包括使用经过验证的NFPA 5lb电极的质量保证测量。
测试地点
有两个测试地点;一个在弗吉尼亚州兰利研究中心的NASA ESD实验室,弗吉尼亚州23681,另一个在加利福尼亚州RMV技术集团有限责任公司认可的NASA艾姆斯研究中心ESD实验室,莫菲特场,加利福尼亚州94035。
参考文献
1.NASA- std -8739.6, NASA工艺标准的实施要求。
2.ANSI/ESD S20.20,用于保护电气和电子部件、组件和设备(不包括电引发爆炸装置)的静电放电控制程序的开发。
3.ANSI/ESD STM2.1,用于静电放电敏感物品的保护,服装的电阻性表征。
4.ANSI/ESD STM12.1,用于静电放电敏感物品的保护。
5.ANSI/ESD STM4.1,用于静电放电敏感物品的保护工作表面电阻测量(包括搁架和移动设备)。
6.防静电STM7.1,易受静电放电物品的保护地板材料材料表征。
7.橡胶性能的标准试验方法-硬度计硬度。
8.ASTM F150,导电和静电耗散弹性地板电阻的标准试验方法。
附件我
在不锈钢板上(并排)<1.0k Ω
附录二世
同心环外电极<1.0k Ω
附录3
在抛光镀镍黄铜试验台<1.0k Ω
附录四世
NFPA 5LB修整前后的重量性能(平面度)完整性[5E5 Ω±20%]
注:LaRC读数足够接近,不需要修整衬垫
附录五
附录六世
来自最近数据中心地板认证的NFPA 5lb重量和使用后(5E5 Ω±20%)
图7
附录七世
所使用的技术是以均匀的逆时针运动擦拭垫(图8)。该擦拭垫不要与使用前在Kimwipe®上使用酒精清洁垫相混淆,而是该擦拭垫重新调节附着在5磅重量底座上的橡胶垫(结果见附录IV)。
图8。敷料垫
关于作者
吉恩·门罗先生他在老道明大学(ODU)获得学士学位,在弗吉尼亚联邦大学(VCU)获得硕士学位。门罗先生担任美国宇航局公务员已有34年。Gene是iNARTE认证的静电工程师,iNARTE认证的航空航天与国防工程师,以及RMV技术认证的航空航天与国防工程师。Gene是NASA静电放电(ESD)的机构联络点(POC),也是ESD跨机构工作组(IAWG-ESD)的委员会主席。门罗先生在将NASA的设施与类似的ESD控制程序进行校准方面发挥了重要作用,该程序最终在NASA- std -8739.6文件中公布了机构ESD要求。NASA标准是NASA所有建造任务硬件合同的要求文件。
鲍勃·弗密尔,CPP,研究员是经过认证的产品安全和ESD工程师- inarte®,在恶劣环境下的摩擦电气化缓解和机器人、系统和工程材料(显示器、柔性电子产品、3D材料)的故障排除方面具有成熟的主题专业知识,适用于航空航天和国防、医疗设备、制药、生物技术、汽车和电子行业。Bob是几个ANSI级ESD文档的合著者。Vermillion在2018年获得了詹姆斯·a·拉塞尔终身成就奖,用于保护作战人员的包装工程创新,一年后入选军事包装名人堂。自2014年以来,Bob是NASA ESD跨机构工作组(IAWG)的积极参与者,担任ESD的技术权威,以及SAE G19 EEE部件包装小组委员会的创始人和联合主席。
Vermillion是RMV Technology Group, LLC的创始人兼首席执行官,该公司是NASA行业合作伙伴和第三方ESD材料测试、培训和咨询公司。Bob Vermillion可以通过(电子邮件保护)或650-964-4792。您可以访问我们的网站www.esdaerospacetraining.org和www.esdrmv.com,并查看当前和未来的政府和行业技术简报。