Elektrostatische Aufladung

Symbol für eine ESD-Schutzkomponente (links) und Gefahrenzeichen für ESD-gefährdete Bauteile (rechts)

Elektrostatische Entladung (engl. electrostatic discharge, kurz ESD) ist ein durch große Potenzialdifferenz in einem elektrisch isolierenden Material entstehender Funke oder Durchschlag, der einen sehr kurzen hohen elektrischen Stromimpuls verursacht.

Ursache der Potenzialdifferenz ist meist eine Aufladung durch Reibungselektrizität.

Produktionsmaschinen für elektrisch isolierende Endloserzeugnisse sowie der Umgang mit isolierenden Schüttgütern erfordert besondere Sicherheitsmaßnahmen gegen elektrostatische Aufladung.

Reibungselektrizität tritt z. B. auch beim Laufen über einen Teppichboden auf, wobei ein Mensch auf ca. 30.000 V aufgeladen werden kann. Auch Bewegen auf einem Stuhl kann Aufladungen erzeugen, Kunststoffgriffe von Werkzeugen können elektrostatische Potentialunterschiede verursachen, die empfindliche Bauteile gefährden.

Personenschäden und Brandgefahr

Während elektrostatische Entladungen durch Körperteile meist nur aufgrund der Schreckreaktion Gefährdungen verursachen, können sie in brandgefährdeten Bereichen unter Umständen einen Brand auslösen. Das trifft auf den Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Gasen zu (z. B. Tankstellen, Gasanlagen, Kohlebergwerke).

Auch Papiermaschinen, Webstuhlbäume, Anlagen zur Folienherstellung und -verarbeitung und Getreidemühlen sind gefährdet. Hier tritt Reibung der gefertigten Folienbahnen oder des Schüttgutes ähnlich wie in einem Bandgenerator auf, wodurch sich Maschinenteile auch auf für Menschen gefährliche Spannungen aufladen können. Überschläge können Stäube und – bei ständig wiederholten Entladungen – auch brennbare Materialien entzünden.

Elektrostatische Entladungen werden verhindert durch die leitfähige Verbindung aller Metallteile, durch das Einarbeiten metallischer Leiter oder Graphitpartikel, durch Graphitschichten sowie durch sogenannte elektrostatisch dissipative Materialien (auch als elektrisch ableitfähige Materialien bezeichnet). Diese Materialien weisen durch Zusatzstoffe eine nur etwas erhöhte elektrische Leitfähigkeit auf, die entstehende Ladungen gefahrlos ableitet und zugleich stromstarke Entladungen verhindert.

Fahrzeuge laden sich durch die Reibung der Gummireifen auf der Straße auf. Dieser Effekt wird jedoch oft überschätzt – der Reifengummi weist in der Regel eine ausreichende Leitfähigkeit auf, um die Ladungen abzuleiten. Beim Aussteigen beobachtete Entladungen rühren meist von der Reibung der Kleidung auf dem Polstermaterial der Autositze her und führen zu einer Aufladung des Fahrers gegenüber der Karosserie. Sie sind daher nicht mit einem sogenannten Antistatik-Band am Heck zu verhindern.

Bei vertikalen gegen Erde isolierten metallischen Objekten kann die elektrostatische Aufladung durch das natürliche elektrische Feld der Erde beachtliche Werte annehmen. So kann der Kontakt einer geerdeten Person zu einem gegen Erde isolierten Sendemast auch dann einen (unter Umständen sogar lebensgefährlichen) elektrischen Schlag verursachen, wenn der Sender außer Betrieb ist und kein Gewitter in der Nähe ist.

Auch bei Aufstiegen von Drachen, Ballonen oder Fesselhubschraubern mit elektrisch leitfähiger Leine ist daher Vorsicht geboten.

ESD in der Elektronik als Bestandteil der elektromagnetischen Verträglichkeit

Elektrostatische Entladungen können in mikroelektronischen Bauteilen Schäden anrichten, denn im Verhältnis zur Masse verhält sich die Energie einer statischen Entladung in einen Halbleiter wie die Energie eines Blitzschlags in einen Baum.

Insbesondere bei Halbleiter-ICs ist ESD eine der häufigsten Ausfallursachen. Besonders empfindlich sind Schaltungen aus der Hochfrequenztechnik, Diodenlaser (GaAs-Halbleiter) sowie Feldeffekttransistoren und Leuchtdioden, die oft nur Sperrspannungen von 5...30 V vertragen. Da man Entladungen erst ab ca. 3000 V spüren kann, müssen Maßnahmen getroffen werden, die Aufladungen zuverlässig verhindern.

Nicht nur äußere Entladungen, sondern auch durch die Handhabung entstehende elektrische Felder können elektronische Bauteile zerstören, wenn die Spannungsfestigkeit deren teilweise sehr hochohmiger Anschlüsse überschritten wird. Es kommt durch innere Durchbrüche zu Zerstörungen oder einer Vorschädigung, was zum sofortigen oder späteren Ausfall führt.

Manche elektronischen Bauteile werden bereits durch den Transport in einer Plastiktüte zerstört. Maßnahmen in der Elektronik gegen statische Entladungen und elektrische Felder sind in der DIN EN 61340-5-1 beschrieben.

Zur Prüfung der ESD-Empfindlichkeit werden Geräte oder Systeme mit normierten Entladungen beaufschlagt und auf Fehlfunktion oder Ausfall geprüft. Die ESD-Empfindlichkeit wird im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) behandelt und untersucht. Die ESD-Festigkeit ist ein wichtiges Thema in der Elektronikproduktion, Industrieelektronik, Computertechnik, Telekommunikationstechnik und Automobilelektronik.

Um die Haltbarkeit von elektronischen Komponenten zu testen sind verschiedene Simulationsmodelle für ESD Impulse eingeführt worden. Diese werden grob in 4 ESD-Simulationsmodelle eingeteilt:

1. HBM - Human Body Model,
2. MM - Machine Model,
3. CDM - Charge Device Model und
4. FCDM - Field induced Charge Device Model.

PCI-Karte in einer ESD-Verpackung mit entsprechender Kennzeichnung

Zur Vermeidung von ESD-Schäden müssen elektronische Baugruppen (zum Beispiel Computerkomponenten) oder Bauteile mit hohem Innenwiderstand (insbesondere Integrierte Schaltkreise, Leuchtdioden, Halbleiterlaser, Schottky-Dioden, MOSFET und IGBT) in ESD-geschützter Umgebung (Electrostatic Protected Area, EPA) gehandhabt, verpackt und gelagert werden. Solche ESD-Arbeitsplätze und ESD-geschützte Bereiche in der Halbleiterfertigung leiten bestehende elektrostatische Ladungen kontrolliert gegen Erde ab und verhindern die meist durch Reibungselektrizität entstehende Aufladungen. Dies geschieht durch elektrisch leitfähige Arbeitsoberflächen, Antistatikbänder, entsprechende Möbel, Bekleidung, Schuhe, Bodenbelag, ionisierte Umgebungsluft und Erdung aller Komponenten.

Verpackungen für ESD-empfindliche Bauteile müssen aus leitfähig ausgerüsteten (elektrostatisch dissipativen) Kunststoffen bestehen. Es gibt durch Füllstoffe leitende oder metallbedampfte Folien, Füllmaterialien und Schaumstoffe. Oft sind die empfindlichen Anschlüsse der Bauteile zum Transport mit einer Kurzschlussbrücke verbunden.
Nicht fachgerecht (ESD-geschützt) verpackt gelieferte ESD-empfindliche Halbleiterbauelemente sollte man an den Lieferanten zurückschicken, da sie – auch wenn sie anfangs funktionieren – nicht ausfallsicher sind.

ESD in der Industrie

Elektrostatische Aufladung kann die Herstellung und Verarbeitung von Kunststoff (besonders Kunststofffolie), Papier, Textilien und Glas behindern. Einerseits wird der Transport des Materials behindert, andererseits haften aufgrund der elektrischen Aufladung an dem Material meist unerwünschte Partikel (Staub, Fussel, Puder). Deshalb werden, besonders an schnellen Industrieanlagen, zur Entladung dieser Materialien Ionisatoren eingesetzt.

Messung

Elektrostatische Ladungen und deren Feldstärke können mit einem Feldmeter ermittelt werden.

Erkannt werden kann elektrostatische Aufladung oft anhand der elektrostatischen Anziehung (siehe Elektrostatik).

Das bloße Aneinanderhaften von Gegenständen kann jedoch auch auf Adhäsion beruhen.

Siehe auch

ESD-WIKI von Iwenzo

• Teilentladung
• Elektrostatik
• Elmsfeuer
• ESD-Arbeitsplatz (Electrostatic Protected Area)