ESD-Schutz durch leitfähige Behälter

Warum der ESD-Schutz für den Transport wichtig ist?

Die gängigste Form der elektrostatischen Entladung dürfte jedem bekannt sein und kann recht häufig beobachtet werden. Die Rede ist vom Blitz. Doch was genau passiert dabei? Was versteht man im Generellen unter einer elektrostatischen Entladung (ESD) und welche Maßnahmen zum Schutz muss z. B. in der Elektronikbranche getroffen werden? Mit diesen und weiteren Fragen rund um die elektrostatische Entladung befasst sich dieser Artikel.

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Was genau ist eine elektrostatische Entladung?

ESD (electrostatic discharges) steht für elektrostatische Entladungen, begegnen uns sehr oft im Alltag, sind aber erst ab einer Stärke von etwa 2.000 Volt für den Menschen erkennbar. Sie treten immer dann auf, wenn es zu Spannungsdurchschlägen aufgrund großer Potenzialdifferenzen, die z. B. durch Reibung entstehen, kommt. Ein solcher Spannungsdurchschlag führt kurzzeitig zu einem starken elektrischen Strom, wodurch verschiedene Gefährdungssituationen entstehen können, die Schutzzonen benötigen. Ist entzündliches Material in der Nähe, besteht Brand- und Explosionsgefahr, während Menschen einen Schlag abbekommen können, der durchaus eine Gefahr für Leib und Leben darstellen kann. Bei sehr empfindlichen Bauteilen und Baugruppen kann bereits eine eher harmlose ESD, die vom Menschen noch nicht wahrgenommen werden kann, zu Beschädigungen führen.

Verschiedene Ladungen erfordern einen ESD-Schutz

Folgende drei unterschiedliche Ursachen für elektrostatische Entladungen möchten wir bewusst machen:

Funken und Blitze

Wie bereits erwähnt, stellen Blitze und Funken die häufigste Art der ESD dar. Ein bekanntes Beispiel dafür, welch verheerende Schäden die ESD in Form von Funken anrichten kann, stellt die Geschichte des Luftschiffs Hindenburg dar. Hier wurde der Wasserstoff, der für den Auftrieb des Schiffes verantwortlich und daher in großen Mengen vorhanden war, bei der Landung durch einen Funken, der auf ESD zurückzuführen ist, entzündet, was eine explosionsartige Verbrennung zur Folge hatte und 36 Menschen das Leben kostete.

Koronaentladung

Zu einer sogenannten Koronaentladung kann es kommen, wenn beispielsweise hohe Feldstärken an unebenen Oberflächen einer Elektrode bestehen. Die elektrostatische Ladung wird an ein nicht ableitfähiges Medium, beispielsweise an die umgebende Luft, abgegeben, wobei oftmals Leuchterscheinungen beobachtet werden können. Deshalb wird diese Art der Entladung auch Elmsfeuer genannt.

Bürstenentladung

Von Bürstenentladungen wird immer dann gesprochen, wenn eine ESD zwischen zwei parallel verlaufenden Elektroden stattfindet. Es kommt zu Blitzen, die über die gesamte Länge der Elektroden erkennbar sind, was, von der Seite betrachtet, an die Struktur einer Bürste erinnert.

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für z. B.  Bauelemente mit Oberflächenwiderstand.

ESD in der Elektronik – empfindliche Baugruppen

Halbleiterbauelemente, die als elektrostatisch empfindlich gelten, werden mit ESDS für „electrostatic sensitive devices“ abgekürzt. Die Gruppe dieser Bauteile ist sehr umfangreich, denn beinahe alle elektrischen und elektronischen Teile gehören dazu. Besonders empfindlich sind Schaltkreise auf Halbleiterbasis, Schaltungen aus der Hochfrequenztechnik, Diodenlaser, Feldeffekttransistoren und Leuchtdioden, da diese nur sehr geringe Spannungen ohne Beschädigungen überstehen können. Angaben zur Empfindlichkeit der jeweiligen Bauteile werden unter EMV, kurz für elektromagnetische Verträglichkeit, zusammengefasst.

ESD-Schutz: Diese Vorkehrungen können getroffen werden

Die elektrostatische Entladung stellt die Anforderung an die Elektronikbranche, Bauteile und Menschen ausreichend zu schützen. Das Grundprinzip für den ESD-Schutz besagt, dass unvermeidbare Aufladungen präventiv minimiert und schnellen Entladungen, beispielsweise durch einen elektrischen Oberflächenwiderstand, entgegengewirkt werden soll. Zusätzlich können die folgenden Anforderungen für den Schutz vor Beschädigungen definiert werden:

ESD-Schutzzonen

ESD-Schutzzonen sind Bereiche, in denen elektrostatische Aufladungen eine Grenze von 100 V nicht überschreiten dürfen, während die elektrische Feldstärke unter 10 kV/m liegen sollte. Um eine ESD-Schutzzone einzurichten, muss ein gewisser Aufwand betrieben werden. Bei der Einrichtung einer solchen Schutzzone wird daher nach dem Motto „Was nicht da ist, kann sich nicht aufladen“ gearbeitet. Sprich: Nur das wirklich Notwendige findet Platz. Sämtliche Einrichtungsgegenstände und Betriebsmittel sollten ESD-gerecht und zertifiziert oder aber geerdet und aus elektrostatisch ableitfähigen Material gefertigt sein.

Fußböden

ESD-gerechte Fußböden müssen den sogenannten Walking-Test bestehen, der belegt, dass es nicht zu Aufladungen über 100 V kommt.

Leitfähige Schuhe, Handschuhe und Oberbekleidung

Damit Spannungen überhaupt über den Boden ableitfähig sind, müssen die Schuhe leitfähig sein. Für Schutzhandschuhe gilt die Faustregel, dass der Durchgangswiderstand zwischen 10 hoch 5 und 10 hoch 8 Ohm liegen sollte. Für die übrige Schutzkleidung gelten folgende Anforderungen: Sie sollte nicht oder nur sehr schwach aufladbar sein und ableitfähig sein, um Ladungen zuverlässig abzuleiten. Meist bestehen ESD-gerechte Kleidungsstücke aus Baumwolle, doch neuere Modelle sind bereits aus einem bestimmten Stoffgewebe gefertigt, das leitfähige Fasern enthält.

Leitfähige Arbeitsoberflächen

Sämtliche Arbeitsoberflächen in ESD-Schutzzonen müssen über optimal ableitfähige Eigenschaften verfügen.

Leitfähige Werkzeuge & Technik

Werkzeug, das mit ESDS in Berührung kommt, z. B. mit Halbleiterbauelemente, sollte mit leitfähigen Griffen ausgestattet sein, sodass sich das Potenzial zwischen Werkzeug und Mensch ausgleichen kann.

Ionisation

Ionisierte Luft führt dazu, dass sich elektrostatische Ladungen schneller abbauen. Die Methode der Ionisation kann gezielt eingesetzt werden, um lokale Risiken in besonders kritischen Situationen zu minimieren.

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Verpackung und Transport: Schutz durch spezielle ESD-Behälter

Natürlich müssen auch bei Verpackung und Transport von ESDS einige Aspekte bedacht werden. Sämtliche Verpackungen sollten aus elektrostatisch dissipativen Kunststoffen bestehen und nicht nur vor elektrostatischer Entladung, sondern auch vor statischen Feldern (Antistatik) schützen. Zu diesem Zweck kommen ESD-Behälter, die meist aus mehreren Schichten spezieller Materialien gefertigt sind, zum Einsatz. Verschiedene Hersteller setzen auf unterschiedliche Materialkombinationen je nach Anforderungen, sodass sich hier ein Vergleich lohnt.

Fazit zum ESD-Schutz

Die elektrostatische Entladung ist ein Phänomen, das uns täglich und in vielen Fällen ganz unbemerkt begleitet. Sie stellt insbesondere die Elektronikbranche vor eine Herausforderung und macht umfassende Schutzmaßnahmen erforderlich, um Beschädigungen an z. B. Halbleiterbauelemente und Baugruppen zu vermeiden. Neben, die durch den Arbeitsschutz bewusst gemachten Anforderungen an Schuhe, Kleidung und Schutzzonen, müssen gerade die Unternehmen, deren tägliches Geschäft es nicht ist, sich um den ESD-Schutz zu kümmern, insbesondere was den Oberflächenwiderstand Ihrer Bauelemente und Baugruppen betrifft.