ESD-Schutz spielt in der elektronikverarbeitenden Branche eine bedeutende Rolle. Er ist das A und O, wenn es darum geht, sensible Bauteile und Baugruppen vor Schäden durch elektrostatische Entladung zu bewahren. In unseren Ratgeber erfahren Sie, warum und wo ESD-Schutz wichtig ist, und welche Maßnahmen und Hilfsmittel dazugehören.
ESD steht für electrostatic discharge, was im Deutschen mit elektrostatischer Entladung übersetzt werden kann. Bei einer elektrostatischen Entladung handelt es sich um einen Spannungsdurchschlag, der bei großen Potenzialdifferenzen auftritt und in einem kurzen, elektrischen Strom resultiert. Im Alltag kann man das Phänomen beobachten, wenn man mit Kunststoffsohlen über einen Teppich läuft oder sich einen Wollpullover über den Kopf zieht: die Haare laden sich auf, das Material beginnt zu knistern und eventuell erhält man einen elektrischen „Schlag", wenn man danach einen leitfähigen Gegenstand berührt. Doch wie kommt es überhaupt dazu? Werden zwei Stoffe verschiedener Elektronenaffinität aneinander gerieben, entstehen elektrische Ladungen, die sich anschließend trennen und unterschiedlich auf den beiden Stoffen anordnen. Durch eine Entladung wird das Gleichgewicht wiederhergestellt. Das heißt, eine elektrostatische Entladung ist im Prinzip nichts anderes als eine Ausgleichsreaktion, die die Ladungsdifferenz neutralisiert.
Elektrostatische Aufladungen und Entladungen begegnen uns täglich, wir nehmen sie aber meist nicht wahr. Für den Menschen sind sie im Regelfall ungefährlich. Im Bereich der Elektronik sieht das anders aus. Elektronische Bauteile und Baugruppen können schon durch geringe elektrische Entladungen irreparable Schäden davontragen. Besonders empfindlich reagieren Halbleiter, die heutzutage in vielen technischen Geräten verbaut sind. Ein weiteres Risiko stellen Entladungsfunken und -blitze dar, die ab einem gewissen Spannungswert entstehen können. Treffen sie auf einen leicht entzündlichen Stoff, beispielsweise ein Gas, können sie unter ungünstigen Bedingungen Brände oder sogar Explosionen hervorrufen. Vor allem in Produktionsbetrieben der Elektroindustrie können ESD-Schäden schwere wirtschaftliche Folgen haben. Oft verursachen elektrostatische Entladungen latente Schwächungen, die sich erst nach einiger Zeit als Defekt oder Störung bemerkbar machen. Um Ausfälle und Reparaturkosten kurzfristig und langfristig zu vermeiden, muss daher auf einen ausreichenden ESD-Schutz geachtet werden.
Um beim Arbeiten mit elektronischen Bauteilen Aufladungen zu verhindern und Entladungen zu minimieren oder zu verlangsamen, können verschiedene Schutzmaßnahmen ergriffen werden. Eine erste Maßnahme ist das Tragen von ESD-Kleidung, also elektrostatisch ableitfähiger Schutzkleidung. Dazu zählen beispielsweise ESD-Handschuhe. Sie bestehen aus antistatischen Materialien und beugen einer elektrischen Aufladung des Trägers vor. Eine Alternative stellen ESD-Armbänder dar, die der ESD-Personenerdung dienen. Sie werden um das Handgelenk getragen und mithilfe einer Klemme oder eines Steckers an einem Erdungspunkt befestigt. Das kann beispielsweise ein geerdetes Metallteil am Arbeitsplatz sein. Des Weiteren gibt es ESD-Kittel und ESD-Schuhe, die in manchen Labor- und Produktionsumgebungen vorgeschrieben sind. Eine ESD-Fußerdung ist eine Option für diejenigen, die sich keine Spezialschuhe zulegen möchten. Dabei kann es sich um Einwegstreifen, Dauerfersenbänder oder Überschuhe handeln, die einfach über das normale Schuhwerk gezogen werden, um es ladungsableitend zu machen.
Eine weitere Maßnahme für einen effektiven ESD-Schutz besteht darin, ESD-Arbeitsplätze in Schutzzonen aufzuteilen. In einer ESD-Schutzzone (kurz: EPA für electrostatic protected area) befinden sich ausschließlich Materialien, die ableitfähig und auf dem gleichen Potenzial geerdet sind. Dadurch ist sichergestellt, dass es weder zu Aufladungen noch zu Potenzialdifferenzen kommt.
Eine ESD-Schutzzone kann sich auf einen bestimmten Handhabungsbereich oder eine begrenzte Fläche des Arbeitsplatzes beschränken, aber auch ganze Räume oder Gebäude umfassen. Ein- und Ausgang von ESD-Bereichen müssen mit Aufklebern, Hinweisfolien oder anderen Arten der ESD-Kennzeichnung markiert werden.
Darüber hinaus sind Materialien und Hilfsmittel für ein ESD-sicheres Arbeiten erhältlich.
Dazu gehören unter anderem ESD-Matten. Sie werden als Unterlagen verwendet und schützen elektronische Bauteile während des Zusammenbaus oder Lötens vor Entladung. Utensilien zur ESD-Reinigung wie Pinsel oder Bürsten kommen zum Einsatz, um ESD-empfindliche Komponenten zu säubern. ESD-Erdungsstecker und Erdungskabel sind ebenfalls eine sinnvolle Ergänzung am Arbeitsplatz. Mit ihrer Hilfe können Baugruppen und technische Komponenten geerdet werden. Zu Kontrollzwecken kommen ESD-Testgeräte zum Einsatz, die das elektrische Feld eines Bauteils messen und auf diese Weise frühzeitig elektrostatische Aufladungen erkennen.
Zur Lagerung elektronischer Bauteile empfehlen sich ESD-Verpackungen und Aufbewahrungen wie Kleinteilmagazine aus Kunststoff, Einlagen aus elektrostatisch ableitfähigem Schaumstoff oder wiederverschließbare ESD-Beutel, in denen Platinen oder andere ESD-gefährdete Teile aufbewahrt werden können. Zum Archivieren von SMD-Bauteilen sind ESD-SMD-Boxen besonders gut geeignet.
Beim Kauf von ESD-Ausrüstung ist stets darauf zu achten, dass das jeweilige Hilfsmittel für den Einsatzzweck geeignet ist und den bestmöglichen ESD-Schutz bietet. Ein optimaler ESD-Schutz besteht nicht ausschließlich darin, der Entstehung von Aufladungen vorzubeugen. Das lässt sich nämlich gar nicht immer verhindern. Ist mit Aufladungen zu rechnen, muss die Elektrostatik so weit kontrolliert werden, dass bei einer Entladung möglichst wenig Schaden entsteht und es nicht zu einer Funkenbildung kommt. Für diesen Zweck eignen sich ableitfähige Medien besser als leitfähige. Zwar werden leitfähige Medien in der Elektrostatik gerne genutzt, weil sie geerdet werden und selbst als Erdungspunkt dienen können. Sind jedoch Aufladungen zu erwarten, erweisen sich ableitfähige Medien als die bessere Wahl. Da sie einen höheren elektrischen Widerstand aufweisen, sind sie weniger leitend, wodurch sie elektrische Ströme langsamer und dadurch ohne Funkenbildung abführen können.
Welche Schutzmaßnahmen konkret ergriffen werden müssen, hängt von der Größenordnung der Anwendung ab. Für Hobbyelektroniker, die mit einfachen und robusteren Bauteilen arbeiten, ist eine Kombination aus ESD-Armband und Fußerdung im Regelfall ausreichend. Industrie und Unternehmen sollten hingegen alle Möglichkeiten ausschöpfen, um Produkte und Umfeld vor ESD-Schäden zu schützen – angefangen bei ausführlichen Mitarbeiterschulungen über ESD-gerechte Arbeitsmittel und Bekleidung bis hin zur Einrichtung von Schutzzonen. Ein wirksamer ESD-Schutz beinhaltet nicht nur technische, sondern auch administrative Maßnahmen.
Die Einrichtung von ESD-Schutzzonen fußt im Wesentlichen auf drei Grundprinzipien: Erdung, Abschirmung und Neutralisierung. Durch Erdung wird der Entstehung von Aufladungen vorgebeugt. Das lässt sich beispielsweise mithilfe von Armbändern, ESD-Schuhen, ESD-gerechten Fußböden oder Erdungspunkten am Arbeitsplatz realisieren. Mithilfe einer Abschirmung wird die Entladung durch Erhöhung des Durchgangswiderstands verlangsamt, um Funkenbildung zu verhindern. Das erreicht man durch Schutzkleidung oder ESD-gerechte Arbeitsmittel. Zur Neutralisierung elektrostatischer Aufladungen in der Luft und an Oberflächen kann man Ionisatoren verwenden. Sie geben einen kontinuierlichen Strom an negativen und positiven Ionen ab, die elektrostatische Ladungen abbauen.
Es gibt viele Faktoren, die Höhe und Polarität der Aufladung beeinflussen. Dazu zählen unter anderem Art und Oberflächeneigenschaften des Materials und Umgebungsbedingungen wie die Luftfeuchte. Bei einer Luftfeuchtigkeit von 40 bis 60% wird die Ladung in der Regel über die Luft abgegeben. Das ist bei trockener Heizungsluft beispielsweise nur eingeschränkt möglich. Eine geringe Luftfeuchte begünstigt daher das Entstehen elektrostatischer Ladungen.
Gegenstände und Materialien werden als antistatisch bezeichnet, wenn sie eine statische Aufladung verhindern oder verringern. Das kann entweder durch Ableitung elektrischer Ladungen oder durch Reduzierung der Reibung erfolgen.