Die elektrostatische Entladung (electrostatic discharge) begegnet uns tagtäglich im Alltag: Der „Schlag“, den man an der Autotür bekommt, abstehende Haare, wenn man sich seiner Mütze entledigt oder wenn es zwischen zwei Menschen „funkt“.
Was für uns ein kurzer Schreck und meist nur lästig ist, ist für elektronische Baugruppen, die mit kleinen und kleinsten Halbleiterbauelementen bestückt sind, schnell ein Totalschaden. Gerade bei trockener Luft sind Entladungen mit einem Potenzial von 10 000 Volt keine Seltenheit. Für Unternehmen aus der Elektronikindustrie ist deshalb die Vermeidung von ESD eines der höchsten Gebote.
Viele durch ESD entstandene Schäden werden im ungünstigsten Fall erst nach einiger Zeit durch den Kunden festgestellt und führen dann zu hohen Reparatur- oder Austauschkosten. Viel schlimmer als der finanzielle ist zusätzlich der darauf folgende Image-Schaden, wenn durch einen verschleppten Fehler eine ganze Produktcharge beeinträchtigt wurde.
Begriffe
Ableitwiderstand
Der Ableitwiderstand ist der Widerstand zwischen einer Elektrode auf der Oberseite einer Einrichtung und dem ESD-Erdungspunkt. Der Erdableitwiderstand ist der Widerstand zwischen einer Elektrode auf der Oberseite einer Einrichtung und dem Erdpotenzial.
Ableitzeit
Das Zeitintervall, in welchem ein aufgeladener Körper durch die Verbindung zum Erdpotenzial von einem Anfangswert auf einen Endwert entladen wird, z.B. von 1000 V auf 100 V.
CDM
Das Charged Device Model beschreibt die Mechanismen, die bei der Entladung eines aufgeladenen Bauteils auftreten. Durch einen über die Ersatzschaltung definierten Impuls wird die elektrostatische Empfindlichkeit ermittelt.
Conductive (leitfähig)
Sind Materialien die entweder oberflächenleitfähig, volumenleitfähig oder beides sind, deren Oberflächenwiderstand oder Volumenwiderstand muss kleiner 104 Ohm betragen (nach DIN EN 61340-5-3)
Dissipative (ableitfähig)
Sind Materialien die entweder oberflächenableitfähig, volumenleitfähig oder beides sind deren Oberflächenwiderstand oder Volumenwiderstand muss ≥ 104 Ohm und < 1011 Ohm betragen (nach DIN EN 61340-5-3)
Dissipative (ableitfähig)
Die Electrostatic Protected Area ist ein mit ESD-Schutzmaßnahmen ausgestatteter Bereich, in dem ESDS ohne elektrostatisches Schädigungsrisiko hergestellt, bearbeitet,verpackt, transportiert oder gelagert werden können.
EBP
Earth Bonding Point ist der gekennzeichnete Anschluss für alle ESD-Erdungsmaßnahmen; darf nicht als Schutzleiter verwendet werden.
EBP
Earth Bonding Point ist der gekennzeichnete Anschluss für alle ESD-Erdungsmaßnahmen; darf nicht als Schutzleiter verwendet werden.
Elektrostatische Aufladung
Die Physik versteht darunter ruhende elektrische Aufladungen, welche durch mechanischen Kontakt und anschließende Trennung von Materialien entstehen.
EPA
Die Electrostatic Protected Area ist ein mit ESD-Schutzmaßnahmen ausgestatteter Bereich, in dem ESDS ohne elektrostatisches Schädigungsrisiko hergestellt, bearbeitet,verpackt, transportiert oder gelagert werden können.
ESD
Electrostatic Discharge, ist die elektrostatische Entladung als Potenzialausgleich zwischen aufgeladenen Körpern durch direkten Kontakt oder Überschlag.
ESD-Modelle
Mit idealisierten Modellvorstellungen wird versucht, reale ESD-Entladungen nachzubilden und Testmethoden zur Ermittlung der Bausteinempfindlichkeit zu definieren. Die bedeutendsten Modelle sind HBM, CDM und MM.
ESD-Spannungsempfindlichkeit
Schädigungsgrenze eines Bauelements gegenüber bestimmten Entladungspulsen der Entladungsmodelle HBM, CDM oder MM.
ESDS
Electrostatic Discharge Sensitive Device. Bezeichnung für Bauteile oder Baugruppen, die durch elektrostatische Entladungen bei Handhabung, Bearbeitung oder Transport beschädigt werden können.
HBM
Das Human Body Model beschreibt die Mechanismen, die bei der Entladung eines aufgeladenen menschlichen Körpers über ein Bauteil oder eine Baugruppe auftreten. Durch einen über die Ersatzschaltung definierten Impuls wird die elektrostatische Empfindlichkeit ermittelt.
Ionisation
Durch den Korona-Effekt unter Hochspannung erzeugte positive und negative Ionen neutralisieren elektrostatische Ladungen. Hauptsächlich zur Entladung von Nichtleitern eingesetzt.
Isolator
Materialien sind isolierend, wenn der Oberflächenwiderstand größer 1011 Ohm ist.
Isolierend
Sind Materialien die entweder oberflächenisolierend, volumenisolierend oder beides sind, deren Oberflächenisolierung oder Volumenisolierung ≥ 1011Ohm beträgt.
Low Charging
Materialien sind schwach aufladbar, wenn sie die Eigenschaft besitzen, sich bei Kontakt und anschließender Trennung bzw. Reibung nicht oder nur unwesentlich aufzuladen.
MM
Das Machine Model beschreibt die Mechanismen, die bei der Entladung einer aufgeladenen Maschinen- oder Anlagenkomponente auftreten. Durch einen über die Ersatzschaltung definierten Impuls wird die elektrostatische Empfindlichkeit ermittelt.
Oberflächenwiderstand
Der Oberflächenwiderstand eines Materials ist der elektrische Widerstand zwischen zwei auf der Oberfläche aufgesetzten Elektroden. Für vergleichende Messungen muss der Abstand der Elektroden angegeben werden.
Potenzialausgleich
Entstandene elektrostatische Aufladungen müssen sofort gegen Erdpotential (0V) ohne Gefahr für ESDS ausgeglichen werden. Oberstes Ziel des ESD-Schutzes ist, statische Aufladungen nicht entstehen zu lassen.
Volumenleitfähigkeit
Zeichnet Materialien dadurch aus, dass das gesamte Material ableitfähig ist, und nicht nur die Oberfläche.
Volumenwiderstand
Ist ein Material vollkommen aus leitfähigem Stoff, fließt der Strom im Wesentlichen durch den Körper des Materials. Der Widerstand wird zwischen einer Elektrode auf der Oberseite und einer Gegenelektrode auf der gegenüberliegenden Stelle auf der Unterseite des Materials gemessen.
Normen
ANSI/ESD S20.20.
ESD Association Standard for the Development of an Electrostatic Discharge Control Program. Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Exposive Devices).
DIN EN 61340-2-1.
Elektrostatik – Teil 2-1: Messverfahren. Fähigkeit von Materialien und Erzeugnissen, elektrostatische Ladungen abzuleiten.
DIN EN 61340-2-3
Elektrostatik – Teil 2-3: Prüfverfahren zur Bestimmung des Widerstandes und des spezifischen Widerstandes von festen, planen Werkstoffen, die zur Vermeidung elektrostatischer Aufladung verwendet werden.
DIN EN 61340-3-1.
Elektrostatik – Teil 3-1: Verfahren zur Simulation elektrostatischer Effekte – Prüfpulsformen der elektrostatischen Entladung für das Human Body Model (HBM).
DIN EN 61340-3-2.
Elektrostatik – Teil 3-2: Verfahren zur Simulation elektrostatischer Effekte. Prüfpulsformen der elektrostatischen Entladung für das Machine Model (MM).
DIN EN 61340-4-1.
Elektrostatik Teil – 4-1: Standard-Prüfverfahren für spezielle Anwendungen (elektrischer Widerstand von Bodenbelägen und verlegten Fußböden).
DIN EN 61340-4-2.
Standardprüfverfahren für spezielle Anwendungen – Verfahren zur Bestimmung der elektrostatischen Eigenschaften von Textilien.
DIN EN 61340-4-3.
Elektrostatik – Teil 4-3: Standard-Prüfverfahren für spezielle Anwendungen (Schuhwerk).
DIN EN 61340-4-4.
Standard-Prüfverfahren für spezielle Anwendungen – Einordnung flexibler Schüttgutbehälter in elektrostatischer Hinsicht.
DIN EN 61340-4-5.
Elektrostatik – Teil 4-5: Standard-Prüfverfahren für spezielle Anwendungen (Verfahren zur Charakterisierung der elektrostatischen Schutzwirkung von Schuhwerk und Boden in Kombination mit einer Person).
DIN EN 61340-4-6.
Standardprüfverfahren für spezielle Anwendungen – HGB.
DIN EN 61340-4-7.
Standardprüfverfahren für spezielle Anwendungen – Ionisation.
DIN EN 61340-4-8.
Standardprüfverfahren für spezielle Anwendungen – Schirmwirkungen gegen elektrostatische Entladung – Beutel.
DIN EN 61340-4-9.
Standardprüfverfahren für spezielle Anwendungen – Bekleidung.
DIN EN 61340-5-1
Elektrostatik – Teil 5-1: Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänömene – allgemeine Anforderungen.
DIN EN 61340-5-2
Elektrostatik – Teil 5-2: Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene – Benutzerhandbuch.
DIN EN 61340-5-3.
Elektrostatik – Teil 5-3: Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene – Eigenschaften und Anforderungen für die Klassifizierung von Verpackungen, welche für Bauelemente verwendet werden, die gegen elektrostatische Entladungen empfindlich sind.
DIN IEC/TR 61340-1
Elektrostatik - Teil 1: Elektrostatische Vorgänge - Grundlagen und Messungen
DIN IEC/TR 61340-5-5
Elektrostatik - Teil 5-5: Schutz vor elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene - Verpackungssysteme zur Verwendung
in der Elektronikfertigung.
Wissenswertes
Wie entstehen Ladungen?
Um einen Festkörper elektrostatisch aufzuladen, müssen Ladungen getrennt werden. Dazu werden zuerst beide Materialien in Kontakt gebracht und anschließend voneinander getrennt. Unter Kontakt versteht man den molekularen Abstand der Materialoberflächen, sodass Elektronen von einem Material zum anderen abgegeben bzw. aufgenommen werden können. Beim Kontakt zweier Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaustrittsarbeit (z.B. Kunststoffschuhsohle und textiler Fußbodenbelag)fließen Elektronen vom Material mit der niedrigeren Austrittsarbeit in das Material mit der höheren Austrittsarbeit. Dadurch lädt sich ein Körper negativ und der andere positiv auf. Es entsteht eine Potenzialdifferenz, die in einem Bereich von einigen mV bis hin zu wenigen Volt liegt. Entscheidend für die Polarität, die die Materialien annehmen, ist deren Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit). Abhängig von der Materialpaarung wird das eine Material positiv und das andere negativ aufgeladen. Werden beide Materialien nun wieder voneinander getrennt, können die Ladungen bestehen bleiben. Dies ist abhängig von Trennungsgeschwindigkeit, spezifischen Materialeigenschaften und der Luftfeuchtigkeit.
Ob beim menschlichen Körper oder in Bestückungsmaschinen – Kontakt und Trennung kommen an jedem Arbeitsplatz vor. Deshalb ist ESD-Schutz in der Elektronikindustrie unumgänglich
Wann werden Ladungen gefährlich?
Bestehen die aufeinandertreffenden Gegenstände aus gut leitfähigen Materialien, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass es noch während der Trennung der beiden Gegenstände zu einem Ladungsausgleich kommt. Die Ursache dafür sind ein niedriger Widerstand und eine gute Leitfähigkeit. Dadurch ist die Zeitkonstante für den Ladungsaustausch kleiner als die Zeit, die für den Trennungsausgleich benötigt wird. Handelt es sich jedoch um schlecht leitfähige oder gar isolierende Materialien und spielen andere Faktoren wie beispielsweise eine geringe Luftfeuchtigkeit eine Rolle, ist die Leitfähigkeit der Materialien stark eingeschränkt und die Zeitkonstante zum Ladungsausgleich größer als die Trenngeschwindigkeit. Dadurch behalten beide Gegenstände ihre vorher angenommenen Ladungszustände. Wird dann der letzte Kontakt unterbrochen und entfernen sich beide Körper voneinander, erhöht sich die Potenzialdifferenz. Das ist vergleichbar mit der Wirkungsweise eines Kondensators, bei dem sich durch die Vergrößerung des Ladungsflächenabstands auch die Spannung stark erhöht. Entstand beim Zusammenführen der Gegenstände eine Kontaktspannung von einigen mV, wird diese durch eine Abstandsvergrößerung auf mehr als einen Millimeter drastisch auf bis zu einige kV erhöht.
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