2012年2月18日
兵ちゃん
 
静電気対策について
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 2月になり車の乗り降り等で「パチッ」と静電気の放電を感じていると思います。静電気はパソコンにとって身近な危険です。CPU、マザーボード、メモリー、ハードディスク等は静電気の影響を受けます。誤作動や故障等を引き起こします。でも、ちょっとした事を知っていることでパソコンの部品が故障するのを防ぐことができるので調べたことを紹介したいと思います。
 
 
1.静電気対策の規格
 静電気対策の規格はミルスペック(米軍規格)から来ています。管理の手順が書かれている「MIL-STD-1686C」が基準になり、具体的な静電気対策が書かれているのはハンドブックの「MIL-HDBK-263B」になります。両方合わせての静電気対策となります。アメリカ合衆国では国内規格が他にもあり米軍規格を元に米国規格協会ANSI(アンスィーまたはアンジ)(American National Standards Institute)が作った「ANSI/ESD S20.20」という規格があり一般的に使われています。
 世界的には国際電気標準会議IEC (International Electrotechnical Commission)が策定した「IEC TR 61340-5-1」が一般的に使われております。その他にも「ISO 9000」にも静電気対策が策定されて使われています。
 日本の場合は、国際規格「IEC TR 61340-5-1」を国内の環境に照らし合わせ、(財)日本電子部品信頼性センターにより発行された規格で国内規格は「RCJS-5-1:2010」 と言います。日本の規格はあまり役に立ちません。
ガイドライン 最新版制定年 内 容
MIL-STD-1686C
 
1995年
 
電気及び電子部品、組立て品及び装置の保護のための静電気放電管理プログラム
MIL-HDBK-263B
 
1994年
 
電気及び電子部品、組立て品及び装置の保護のための静電気放電管理ハンドブック
MIL-HDBK-773 2005年 ESD保護包装(帯電防止パッケージ)
ANSI/ESD S20.20

 
2007年

 
電気及び電子部品、組立て品及び装置の保護のための静電気放電管理プログラム開発のためのESD 協会規格
IEC TR 61340-5-1
 
1998年
 
静電気現象からの電子デバイスの保護−一般要求事項
           静電気対策の主な規格
 
 
2.静電気対策の略語
用語もアメリカ合衆国から入ってきたものが使われており、単語の頭文字を取って略語が作られています。意味は、翻訳した人によって少し違う事がありますがおおむね意味が通じれば良いようです。
略語 用 語 意 味
ESD
 
Electro Static Discharge
 
帯電が原因となって発生する静電気放電現象の総称。
ESDS


 
Electrostatic Discharge Sensitive

 
通常の取扱いかたで遭遇する静電界や静電気放電によって破壊する可能性のある電子部品のこと。静電気敏感性デバイスとも呼ばれる。
EPA ESD Protect Area 静電気保護領域
EOS Electrical Over Stress 電気的オーバーストレス
             静電気対策の略語
 
 
3.静電気敏感性デバイス警告ラベル
 ESDSの包装(帯電防止パッケージ)には次のようなラベルが使われています。静電気対策の規格が違うものは「※ 参考」表示をしているものです。
使用箇所 ラ ベ ル
内装及び外装に表示するときのラベル

規格はMIL-HDBK-773





 









 
個別に包装するときのラベル

規格はMIL-HDBK-773


 





 
※ 参考
 パソコンの拡張カードの包装に付いていた物、規格は不明



 


 
※ 参考
  ハードディスクの包装に印刷されていた物、規格は不明


 


 
                警告ラベル
 
 
4.静電気の帯電現象
 静電気の帯電とは、物体が接触すると電子が移動します。物体が離れた時にそのまま電子が保持されます。電子が無くなった側がプラスの電気が帯電し、電子が増えた側がマイナスの電気が帯電します。電子を与えやすい物体と電子をとりやすい物体とがあります。その一覧が「ファラデーの帯電列」と呼ばれるものです。ファラデーの帯電列では、上位の物と下位の物を接触させるか摩擦させると、上位のものが電子を与えて電子が無くなりプラスに帯電し下位の物が電子を獲得してマイナスに帯電する傾向があります。あと、静電気を帯電する目安として「静電気の発生の例」を参考にしてください。































 
電 荷 物 体
正の電荷






































負の電荷
人間の手
ウサギの毛
ガラス
雲母
人間の毛
ナイロン
ウール
毛皮
アルミ
木綿
木材
こはく
シーリングワックス
硬質ゴム
ニッケル、銅
黄銅、銀
金、白金
硫黄
アセテートレーヨン
ポリエステル
セルロイド
オーロン
ポリウレタン
ポリエチレン
ポリプロピレン
シリコーン
テフロン
     ファラデーの帯電列
 
       
    静電気発生源    
       静電電圧       
相対湿度10〜20% 相対湿度65〜90%
じゅうたん上を歩く人 35000V 1500V
ビニール床上を歩く人 12000V 250V
作業台で作業する人 6000V 100V
ビニールの覆い 7000V 600V
作業台から取り上げたポリパック 20000V 1200V
ポリウレタンフォームを詰めたイス 18000V 1500V
             静電気発生の例
 
(1)人体に感じることの出来る静電気
 人体は少量の静電気容量(100pF/1500Ω)を持っているため、接地(アース)をしていない状態で動き回ると帯電してしまいます。帯電した人間が敏感なパソコンの部品に接触する事でパソコンの部品に使われている半導体等が静電気破壊を起こし壊してしまう事があります。また、静電気が放電する時に発生するノイズ(電磁波)が原因でパソコン等が誤動作を起こしエラーが発生する状況にもつながります。
 「人体の帯電電位と電撃の強さ」は、帯電量の大きさを目安として人体に帯電したときの帯電量とその電撃について示したものです。「チクリとした痛みを感じる」レベルで帯電電位は3kVです。暗闇で青白い光が見える状態だと10kV以上になります。静電気は、日常、様々な場面で発生していますが、1kVだとほとんど感じることはありません。パソコンの部品を扱うには、この1kVに満たない静電気が影響します。ユーザーがまったく感じる事がなく、パソコンの部品を壊してしまったりと、トラブルの原因になることがあります。
人体の電撃

電位(kV)

電撃の強さ
 
1.0 まったく感じない
2.0 指の外側に感じるが痛まない
3.0 針で刺された感じを受けチクリと痛む
5.0 手のひらから前腕まで痛む
6.0 指が強く痛み後腕が重く感じる
7.0 指、手のひらに強い痛みとしびれを感じる
8.0 手のひらから前腕まで、しびれた感じを受ける
9.0 手首が強く痛み、手がしびれた感じを受ける
10.0 手全体に痛みと電気が流れた感じを受ける
11.0 指が強くしびれ、手全体に強い電撃を感じる
12.0 手全体に強打された感じを受ける
      人体の帯電電位と電撃の強さ
 
(2)帯電の仕組み
 帯電の仕組みは、大きく分けると二あります。
 
a.物体間の接触・剥離(摩擦)による帯電
 2つの物体が接触すると、接触面ではそれぞれの物体間で電荷の移動が起こります。この状態で物体を剥離すると、それぞれの物体表面には電荷が偏った状態で残り静電気に帯電している状態となります。一般的に、静電気発生の原因とされる摩擦帯電は、この接触と剥離が連続して起こる状態と考えることができます。
 
 物体同士の接触・剥離による帯電の発生メカニズム
 
      
 
b.帯電物体からの誘導による帯電
 絶縁された導体に帯電物体が近づくと、導体内部では帯電物体からの電界の影響を受けて静電誘導による電荷の偏りが生じます。この状態は、導体が誘導帯電を起こしている状態になります。誘導帯電を起こして電荷が不均一になった状態で、導体の一部を接地(GND)や別の導体に接触させると、近づけた帯電物体と同じ極性の電荷が導体から移動し、静電気放電現象が発生します。(b)さらに、導体を接地から離し帯電物体を導体から遠ざけると、帯電物体に引き寄せられていた導体中の電荷が自由になり、導体中に過剰に存在してその極性に帯電した状態になります。(c)この状態で再び導体の一部を接地または別の導体に接触させると、帯電していた電荷が放電を起こします。(d)
     
 
 帯電物の接近による誘導帯電の発生と2回の放電現象
 
 
5.静電気破壊
 静電気破壊とは、IC(集積回路)などの電子部品が静電気によって破壊する現象を言います。ICの静電気破壊の場合は、静電気放電によって一時的に高い電圧の電気が流れると、絶縁性の高い酸化シリコンなどの薄い膜(絶縁層)が破られ、中の回路が破壊されてしまいます。特に近年の電子部品は軽量・小型化が進み、静電気障害に対する敏感性も非常に大きくなっています。それと静電気破壊の代表的な例は、酸化膜破壊、接合破壊、配線膜の溶断などがあります。
 
(1)酸化膜破壊
 MOS(Metal Oxide Semiconductor:金属酸化膜半導体)構造のLSI(集積回路)でみられる過電圧印可による電界破壊です。MOS構造の電子部品の場合,入力端子はシリコン基板と非常に薄い酸化膜で電気的に分離したゲート電極に接続されています。酸化膜は、数十nmの膜厚で数十Vで絶縁破壊を起こします。近年の半導体デバイスは,急速な微細化によって酸化膜は非常に薄くなってきており,保護回路なしでは数十Vで破壊してしまいます。
 
(2)接合破壊
 静電気により過大電流がPN接合に集中的に流れて接合部が破壊する熱的破壊です。一般的に逆方向の電流が流れにくい方向で起こりやすい事がわかっています。流れにくい方向への高過電圧印可時に接合部で電力消費が起こり,一部(接合のエッジ)が特に発熱します。そこに集中的に電流が流れて温度がより上昇し,さらに電流が流れるといった増幅作用により破壊に至ります。
 
(3)配線膜の溶断
 チップのポリシリコン抵抗やアルミ配線に許容電流を越える過電流が流れるために発熱し,溶断してしまう熱的破壊です。一般的にアルミ配線の溶断は,EOSによって発生する場合が多く考えられますが,破壊箇所が微細な場合はESD破壊の可能性もあります。(判定が難しい)
 
 
6.静電気対策
 2つの物体が接触するとき、そこには必ず電荷の分離が起こり、静電気が発生します。この静電気の発生を防止することが最良なのですが、実際は不可能です。静電気対策には電気が導通する導体の対策と絶縁体に対する対策があります。現実的には、電荷の発生を少しでも抑制することや電荷を速やかに逃す方法として、帯電した電荷の逆の電荷を作り出して物体の電荷を中和するイオナイザーなどの除電器による除電方法と加湿、接地などの静電気対策処置を組み合わせて、適切な処置を施すことになります。
 
(1)接地(アース)
 物体が金属などの導体である場合は、一般的な静電気対策方法に「接地(アース)」があります。地球が大きな導体で、しかも大地の表面がゼロ電位であることを利用して、たまった電気を文字どおり地球(アース)に逃がします。つまり、接地とは“無限の電荷の吸収源”なのです。また、電気を地面(=地球)に逃すことから、グランドとも呼ばれています。帯電した導体に接地をすることにより、電荷は瞬間的に大地に流れ失われます。
 接地には急激な電荷の移動が起こらないように接地の回路上に1MΩ以下の抵抗が入っています。この抵抗がある事により安全に静電気を逃がす事ができます。接地には特別な工夫も必要なく、静電気対策方法としては容易で効果的な点で、一般的に多くの環境で使用されています。また、気づかないうちに接地部分が腐食することにより接地が機能しなくなる事があるので、注意する必要があります。接地が効果的なのは導体の場合だけであって、ガラスやプラスチックなどの絶縁体には効果はありません。絶縁体の場合は、帯電した電荷は移動せずそのまま残ることになり、接地で絶縁体は除電されません。また、極めて帯電しやすい人体の電荷を逃すには、人体は導体に近いので、接地が効果的になります。
 
a.リストラップ
 人体の接地には、「リストラップ」があります。リストラップとは、人体より発生する静電気が、作業中に悪影響を与えないようにするために、作業者の皮膚を接地することで、人体の静電気を逃します。
 リストラップは、構造、使用目的によって様々な種類があります。また、リストラップを効果的に使用するためにはしっかり手首にフィットし、完全に皮膚と接触するように使用し、作業者に不快感を与えない装着が求められます。また、リストラップを選択する上で考慮すべき点として、使用時の安全性を保持するために、人体安全性、作業性などを考慮する必要があります。
 
b.静電気防止靴
 靴の静電気防止対策としては、一般的な靴にヒールストラップやアンクルストラップなどを取り付けて接地する方法や静電気帯電防止用安全靴など導電性を付加したものがあります。その場合の導電性は、構造と材質によって決まります。
 
c.静電気帯電防止衣服
 人体と衣服は、静電気的に分離あるいは絶縁されています。人体に接地が施されていても衣服の帯電を拡散することはできません。衣服の静電気防止については、様々な衣料品がありますが、その特性は衣服の中に着る下着や作業者の汗など衣服の中の湿度や温度に大きく変化します。
 
d.静電マット
 静電マット(ESD保護シート又は導電シート)は作業台や床に敷いて接地(アース)をとる事で静電気を逃がします。
(2)帯電防止スプレー
 帯電防止スプレーは、絶縁体の表面に界面活性剤の皮膜を作り、界面活性剤が空気中の水分を吸収することで電気が流れるようになります。帯電防止スプレーは、絶縁体の表面に導電体の皮膜を作り静電気が流れる仕組みを作るものです。
手軽に静電気対策ができますが効果は長続きしません。
 
 帯電防止スプレーの原理
 
          
 
(3)湿度管理
 静電気防止の方法として、湿度管理(加湿)があります。これは、環境を一定の湿度に保つことにより、材料表面に水分を含ませて、表面導電性を高める方法です。逆に、空気が乾燥しているということは、電気を通しやすい水分が減ることなので、電気は移動しにくく、放電を起こす場合があります。夏より冬の方が静電気を起こしやすいのは、湿度が低い上に暖房をすることで乾燥が進むためです。
 相対湿度が35%以下になると静電気が起きにくいとされる木綿や木などの天然素材にも、静電気が起きるといわれています。また、相対湿度が65%以上になると静電気は発生しにくくなり、発生したとしても自然に拡散します。
 高湿度の空気中では、帯電体表面の電荷密度が高い程、電荷は急速に大気中に放出され、表面電荷はある程度まで減衰します。それ以後は減衰速度は低下してしまい、多少の電荷は残りますが、湿度管理によって物体の帯電レベルを、静電気の起こりにくいレベルまで下げて保つことが可能になります。
 加湿の方法は、加湿器を使用するのが一般的です。他に、水蒸気を噴出したり、作業床面に水をまくなどがあります。ただし、作業者の不快感による作業能率の低下や結露、錆、カビを助長するなどの問題点があります。
 
(4)除電器(イオナイザー)
 空気は、78%の窒素分子と残りほとんどの酸素分子と、わずかな二酸化炭素と水蒸気で構成されています。これらの空気中の分子が、風や嵐、雷などの気象条件や太陽の放射線、地表の放射線物質が原因により、電気的に+極または−極に電離することにより、空気イオンが発生します。この空気イオンは、+極と−極どちらの極性もあり、それぞれ反対極性に吸着することで中和するという特性を持っています。この特性を利用して、電気的に一方の極性に偏ってしまった物体に逆極性のイオンを供給することで、強制的に帯電電荷を中和し、結果的に帯電物の除電をする装置が除電器(イオナイザー)なのです。除電器(イオナイザー)には、静電気を中和(除電)するだけでなく、材料の帯電防止や空気中の微粒子の帯電防止の効果もあります。また、導電性の物体と絶縁体の物体の両方を除電することができます。湿度を嫌う作業環境で、接地なども適さない場合(動いている装置や絶縁物など)の静電気除去の対策として多く用いられ、静電気の防止に欠かすことのできない除電方法の1つになっています。
 
 
7.パソコンの静電気対策
 パソコンにはトランジスターや集積回路(IC)が使われており、静電気の放電(ESD) の影響を受けやすいことを知っておく必要があります。静電気は人体には無害ですが、静電気に弱い部品を不適切に取り扱うと、損傷する恐れがあります。ESDによる損傷は、物体間に帯電している電位の差があるときに起こります。電位を平均化して、パソコン、パーツ、作業マット、及び取り扱う人の電位がすべて同じになるようにしてESDによる損傷を防止してください。ESDによる損傷を防止するには、できれば静電気対策がされた環境を使用することが望ましいのですが、パソコンの場合は必須ではありません。次に静電気対策の具体例をあげます。(パソコンを触りなれている人は、たぶん同じ事をやっていると思います。)
 1 体の動きを制限する。(動くと周囲に静電気が蓄積されることがあります。)
 2
 
身体の静電気を除去する。(接地したリストラップを着用します。又は、手を水で洗い静電気を放電し、手を加湿します。)
 3
 
パーツが、自分の衣服に触れないようにします。(ほとんどの衣服は絶縁性になっており、リストラップを付けていても帯電したままになっています。)
 4 接地された静電マットを使って静電気のない作業面を作ります。
 5
 
部品はパソコンに取り付けるまで帯電防止パッケージに入れたままにしておきます。
 6

 
CPU、マザーボード、メモリーや拡張カード等を取り扱うときは、縁を持って取り扱う。回路のはんだ付けした部分や端子に触らないようにする。ハードディスクは、端子や基板の部分を触らないようにする。
 7 他の人が部品に触れないようにする。(人によって帯電量が異なる)
 8


 
部品を取り付ける際には、部品が入っている帯電防止パッケージを、パソコンの塗装されていない金属面に2秒間以上接触させる。手も同じようにする。これによって、帯電防止パッケージや人体の静電気を同電位にすることができます。
 9

 
静電気に弱い部品を帯電防止パッケージから取り出した後は、すぐにパソコンに取り付ける。できない場合は、帯電防止パッケージを平らな場所に置き、その上に部品を置くようにする。
10
 
金属面の上に直接、部品を置かないようにする。(導体を直接接触させると急激な放電が起る事があります。)
            静電気対策の具体例
 
 
 今回の内容は、パソコンを静電気から守るヒントが含まれているのでは?と思います。静電気対策の基本は、静電気を接地して逃がす。安全に同電位にしてESDを起こさないようにする事が大切だと思います。
 静電気対策を知って、パソコンの組み立や、部品を交換する時に、今までより安全に、そして、レベルアップになる手助けになれば幸いです。
 
 
参考URL等
工業調査会 MIL規格に基づく静電気管理  二澤正行 編著
(財)日本電子部品信頼性センター http://www.rcj.or.jp/
NEC (Renesas Electronics Corporation) 静電気放電(ESD)破壊対策ガイド
SONY 半導体品質管理ブック 
キーエンス 静電気ハンドブック
Lenovo ThinkPad Edge 15 ハードウェア保守マニュアル
Lenovo ThinkPad Edge 15 安全上の注意と保証についての手引き
色々