ESD Schutz – Alles, was Sie wissen sollten (Pflichtlektüre)

In manchen Berufen ist ESD Schutz sehr wichtig oder sogar lebensnotwendig. Dies gilt sowohl für den Schutz empfindlicher Bauteile als auch in manchen Berufen für einen selbst – beispielsweise aus Explosionsschutzgründen.

Doch was ist ESD überhaupt? Bei welchen Berufen ist ein solcher Schutz angebracht? Wie ist die Norm dazu? Welche ESD Schutzmaßnahmen können getroffen werden? Fragen über Fragen. Dieser Artikel soll darüber Klarheit schaffen.

Wir klären zuerst, was es mit dem Begriff auf sich hat und stellen dann einige Berufe vor, bei denen solch ein Schutz obligatorisch ist. Anschließend klären wir, wie überhaupt eine statische Aufladung stattfinden kann und warum dadurch elektronische Bauteile zerstört werden können. Zum Abschluss besprechen wir einige Schutzmaßnahmen, die einzelne Betriebe tun können, um für einen wirksamen Schutz zu sorgen.

Was bedeutet ESD und was ist das?

Der Begriff kommt aus dem Englischen und ist die Abkürzung für „Electrostatic Discharge“. Übersetzt heißt das Elektrostatische Entladung. Voraussetzung für eine elektrostatische Entladung ist zunächst einmal eine elektrostatische Aufladung des Körpers. Hierfür typisch ist ein leicht hörbares Knistern.

Sie haben dieses bestimmte Knistern wahrscheinlich im Alltag schon sicher oft erlebt. Es tritt zum Beispiel auf, wenn man einen Wollpullover über dem Kopf auszieht. Meist fängt es dann beim „über die Haare streifen“ schon zum Knistern an. Man lädt sich statisch auf. Wenn man danach ein Metallteil berührt, entlädt man sich an dem Teil wieder.

Dies kann es mitunter eine unangenehme bis schmerzhafte, jedoch völlig ungefährliche Erfahrung sein. Für empfindliche Elektronikbauteile kann dieses Entladen ohne jeglichen ESD Schutz aber auch schon das Ende bedeuten. Die empfindlichen Leiterbahnen im Inneren der Bauteile werden auf einen Schlag durch die elektrostatische Entladung zerstört. Daher möchte man von vornherein diese statische Aufladung verhindern.

Berufe mit nötigem ESD Schutz

Nachfolgend sind einige Berufsfelder und Berufe aufgeführt, bei denen ein umfassender Schutz sichergestellt werden muss.

• Herstellung von Mikrochips
• Fernsehtechniker
• Löter/Bestücker (Handhabung von sensiblen elektronischen Bauteilen)
• Lackierer
• Laborant
• Medizinisches Personal
• Chemiker (Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Gasen)

Was versteht man genau unter elektrostatischer Entladung?

Es reicht, wenn Sie wissen, dass der Begriff „elektrostatische Entladung“ den Ausgleich zweier elektrischer Ladungen beschreibt. Bevor man sich entladen kann, muss man sich erstmal aufladen. Dabei ist die Aufladung auf zwei Wegen möglich.

Dies ist der häufigste Fall. Wenn ein Kontakt zwischen zwei Stoffen hergestellt wird, tauschen beide Stoffe ihre Ladungen aus. Dabei muss mindestens ein Kontaktpartner ein Isolator sein. Wenn diese beiden Stoffe anschließend wieder getrennt werden, treten beim Auseinanderreißen hohe Spannungen auf. Dieser Effekt ist auch unter dem Namen „Reibungselektrizität“ bekannt.

2. Influenz

Dies ist der weitaus seltenere Fall. Hier geschieht die Ladungstrennung innerhalb eines ungeladenen Leiters, wenn dieser sich in einem elektrischen Feld befindet und sich dadurch auflädt.

In beiden Fällen besteht ein nicht bewegliches Ladungsungleichgewicht auf der Oberfläche des Isolators. Die Ladungen können also nicht einfach abfließen. Daher nennt man diesen Zustand „statische Elektrizität“. Ebenfalls findet der Begriff „Elektrostatik“ Anwendung.

In unserem Fall trägt den zweiten Stoff ein Mensch in Form von Kleidung. Dieser geladene Zustand wird beim Berühren eines ungeladenen Mediums (zum Beispiel Mikrochip) an dieses abgegeben.

Näheres über elektrostatische Entladung und über die Schutzmaßnahmen können Sie auch unter diesem Wikipedia-Artikel oder in diesem PDF nachlesen

Wie hoch sind die Spannungen, die bei verschienenen ESD-Fällen auftreten?

Damit Sie einen Eindruck bekommen, wie hoch man sich selber bei bestimmten Aktivitäten aufladen und damit natürlich auch mehr oder weniger schmerzhaft entladen kann, hierzu folgende Tabelle.

Die Höhe der Aufladung ist stark abhängig von der Luftfeuchtigkeit im Raum.

Hierbei ist anzumerken, dass der Mensch erst eine Entladungsspannung von etwa 2000 Volt spürt, irreparable Schäden an empfindlichen Bauteilen aber schon durch sehr viel geringere Spannungen auftreten können. In einem durch besonders geschütztem ESD Bereich sollte ein Grenzwert von 100 Volt nicht überschritten werden. Dies besagt die ESD Norm.

Funken können bereits ab einer Aufladung von ca. 10.000 Volt auftreten und in empfindlichen Bereichen ohne Schutzmaßnahmen Explosionen hervorrufen. Diese ist insbesondere in Bereichen mit brennbaren Flüssigkeiten oder Gasen gefährlich. Aber auch extrem trockene Stoffe wie zum Beispiel Papierschnipsel oder Sägespäne stellen eine Gefahr dar.

Daher ist ESD Schutz nicht nur in der elektronikverarbeitenden Industrie wichtig. Das gilt es immer im Hinterkopf zu behalten.

Warum werden elektronische Bauteile durch elektrostatische Entladung zerstört?

Bei empfindlichen elektronischen Bauteilen kann eine unkontrollierte Entladung vom Mensch auf das Bauteil in den Leiterbahnen eine elektrische Überlast hervorrufen. Dies führt zu einer Vorschädigung der Bauteile. Folge sind dann meist Ausfälle oder kürzere Lebensdauer des Bauteils.

Bei der plötzlichen Entladung in ein Bauteil verhält sich die Energie kleiner Spannungen in etwa wie ein Blitzschlag in einen Baum, wenn man die geringe Masse des Bauteils betrachtet. Ähnlich wie eine Fliege einen „Orkan“ spürt, wenn man sie anbläst.

Das Tückische ist aber, dass die entstandenen Schäden am Bauteil meistens unsichtbar sind, und man es gar nicht bemerkt, dass man soeben gerade ein Bauteil durch elektrostatische Entladung zerstört hat. Dies kann teure und weitreichende Folgen haben, vor allem wenn die Bauteile in medizinischen Geräten oder in der Sicherheitstechnik verbaut sind.

Daher strebt man mit den Schutzmaßnahmen an, Aufladungen und Entladungen so zu kontrollieren, dass sie keine Schäden hervorrufen. Gerade in Betrieben und Fertigungsstätten, in denen sehr teure empfindliche Baugruppen und Komponenten verbaut werden, ist dies von hoher Bedeutung.

ESD Schutz – Welche Norm gilt?

Als Norm für den ESD Sicherheit gilt die DIN EN 61340-5-1: Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene – allgemeine Anforderungen

Diese Norm legt die Grenzwerte für ESD-Strom und die ESD-Spannung fest.

ESD Schutzmaßnahmen

Im Folgenden werden verschiedene Maßnahmen beschrieben, die in der eben genannten Norm detailliert festgehalten sind. Dabei erfolgen die Schutzmaßnahmen immer auf zweierlei Art und Weise.

In Betrieben müssen verschiedene Vorkehrungen an verschiedenen Einrichtungen getroffen werden um einen umfassenden Schutz der Komponenten und der Mitarbeiter sicherzustellen.

• Durchführen einer ESD Schulung
• Kontrolle der Arbeitsumgebung
• Eindeutige Kennzeichnung von Arbeitsbereichen
• Pflicht zum Tragen von ESD-Schuhwerk und Kleidung
• Ausstattung der Betriebsmittel mit ESD-Maßnahmen
• Arbeitsplatzgestaltung
• Verbot von verschiedenen Gegenständen am Arbeitsplatz
• Aufstellen von Arbeitsrichtlinien

Aufklärung der Mitarbeiter durch ESD-Schulungen

Mit der zunehmenden Verbreitung elektronischer Geräte am Arbeitsplatz ist das Risiko von ESD-Schäden an elektronischen Systemen exponentiell gestiegen. Glücklicherweise können teure Schäden an elektrostatisch empfindlichen Bauteilen mit einer angemessenen Schulung und geeigneter Ausrüstung verhindert werden.

Die Kontrolle der Mitarbeiter beginnt also mit einer ausführlichen Schulung aller Mitarbeiter im Betrieb. Hier sollen die Mitarbeiter umfassend über die möglichen Gefahren aufgeklärt werden. Jedes Unternehmen ist dafür verantwortlich, dass seine Mitarbeiter nach den höchsten Standards konform geschult und ausgebildet werden. Eine solche Schulung kann zum Beispiel ein ESD Beauftragter der Firma anordnen.

Ein solches Schulungsprogramm beginnt in der Regel mit einer Einführung in statische Elektrizität, elektrische Sicherheit sowie mögliche Gefahren und Prävention. Anschließend lernen die Teilnehmer, wie sie sich selbst und ihre Arbeitsflächen richtig erden und damit eine statische Aufladung verhindern kann.

Die Schulungsteilnehmer sollten dabei den richtigen Gebrauch von Handgelenkschlaufen, Bodenmatten und ESD-Behältern lernen. Sie sollten auch lernen, wie man ESD-Ausrüstung inspiziert, auf ihre Funktionstüchtigkeit prüft und wie sie ESD-sichere Materialien erkennen können.

Kontrolle der Arbeitsumgebung

Sehr wichtig ist es auch alle etwaigen Schleusen zu überprüfen, die Räumlichkeiten voneinander abtrennen. Es darf auf keinen Fall möglich sein, dass Schleusen von den Mitarbeitern umgangen werden können und somit statische Ladung von den Mitarbeitern in empfindliche Bereiche verschleppt wird.

Wenn diese Mitarbeiter sich dann unkontrolliert an empfindlichen Bauteilen entladen (zum Beispiel durch Berührung), können die Bauteile irreparablen Schaden nehmen. Die Folge sind hohe Kosten für den Betrieb, weil neue elektronische Komponenten angeschafft werden müssen.

Die Kontrolle der Arbeitswege und -umgebung trägt maßgeblich zur Wirksamkeit eines ESD-Schutzes im Betrieb bei.

Eindeutige Kennzeichnung von Bereichen mit ESD Schutz

Ein eindeutige Kennzeichnung von geschützten Bereichen innerhalb eines Unternehmens in der Elektronikfertigung ist zur Zertifizierung ebenfalls wichtig. International spricht man von einer EPA (electrostatic protected area) was so viel wie „elektrostatisch geschützter Bereich“ bedeutet. Hinweisschilder und gestrichelte gelbe Linien auf dem Boden deuten auf solche speziellen Arbeitszonen hin.

Meistens sind diese Zonen auch durch Schleusen oder Türen von den übrigen Bereichen abgeschottet. Vor dem Betreten solcher Räume müssen vorher spezielle Schutzmaßnahmen getroffen werden, zum Beispiel ESD-Schuhe anziehen.

Jedoch kann es auch sein, dass man Arbeiten auch beim Kunden vor Ort durchführen muss. In vielen Fällen ist dann eben keine Kennzeichnung solcher Bereiche, vorhanden. Sicherheitshalber sollte man hier dann vorsorglich ESD Kleidung tragen.

ESD-Schuhe tragen

In vielen Tätigkeitsfeldern, wie zum Beispiel beim Bestücken von Leiterplatten, oder in der Mikroherstellung sind zwingend ESD-Schuhe erforderlich. Dabei reicht es nicht aus, dass die Schuhe nur antistatisch sind. Zusätzlich muss der Übergangswiderstand zum Boden möglichst klein gehalten werden, damit eine Aufladung gar nicht erst entstehen kann.

Weitere Einzelheiten finden Sie in der Rubrik Spezialschuhe im Beitrag ESD-Schuhe.

Zum ausführlichen Beitrag:  ESD Schuhe – Ratgeber und Kaufempfehlungen

Auch spezielle ESD Kleidung ist wichtig

Sie werden es sicherlich erahnen, nur mit ESD-Schuhen alleine ist es in einem ESD Bereich nicht getan. Um jedes Risiko auszuschließen, muss man zusätzlich noch spezielle Kleidung tragen, wenn man in einem solchen Bereich arbeitet. Zu ESD Kleidung gehören

• ESD-Arbeitsmäntel
• ESD-T-Shirts
• ESD-Hemden
• ESD-Sweatshirts
• ESD-Handschuhe
• ESD-Armbänder zur Erdung

Von ESD-Armbändern zur Erdung der arbeitenden Person haben Sie sicherlich schon mal gehört. Doch wussten Sie auch, dass es als Ausstattung spezielle ESD-T-Shirts gibt? 😉

Betriebsmittel für die tägliche Arbeit

Man glaubt es kaum, selbst banale Dinge wie Rollwägen müssen für EPA Bereiche zugelassen sein. Aus diesem Grund gibt es für solche Bereiche geforderte spezielle

• ESD-Tischwägen
• ESD-Schiebebügelwägen
• ESD-Etagenwägen

zu kaufen.

ESD Schutz durch Arbeitsplatzgestaltung

Ebenso muss der Arbeitsplatz ESD tauglich und möglichst frei von ESD-aktiven Materialien sein. Für den Arbeitsplatz gelten daher folgende Schutzmaßnahmen

• Antistatische oder ableitfähige Arbeitsoberflächen
• ESD-geeignete Stühle
• Vermeidung unnötiger Isolatoren in ESD-geschützten Bereichen (z.B. Klebebänder, Styropor, Kaffeetassen, Klarsichthüllen)
• Einsatz von Luftionisatoren zum gezielten Abbau von statischen Ladungen beim Produktionsprozess (z.B. bei Abziehen von Kunststofffolien)
• ESD-Matten oder ein großer ESD Teppich an jedem Arbeitsplatz
• Verwendung von ESD-Verpackung statt normaler Verpackung

Verbotene Gegenstände an einem ESD Arbeitsplatz

Als Basisregel gilt, dass nur die Gegenstände in eine EPA gebracht werden sollten, die dort unbedingt gebraucht werden. Die Erklärung dafür ist einfach: Was nicht vorhanden ist, kann sich auch nicht selbst aufladen.

Schutz durch Arbeitsrichtlinien

Um statische Entladung auf empfindliche Komponenten zu vermeiden, ist am ESD Arbeitsplatz ein Arbeitstisch mit Erdungsanschluss notwendig. An diesen ist dann die arbeitende Person über ein Erdungsarmband angeschlossen. Zusätzlich soll der Arbeitstisch mit ableitfähigen bzw. antistatischen Arbeitsflächen ausgerüstet sein.

Damit im Falle einer Fehlfunktion der Mitarbeiter geschützt ist, soll der Anschluss an das Erdungsnetz über Widerstände realisiert werden. Dies ist auch notwendig, damit eine mögliche Aufladung der Person langsam und kontrolliert abfließen kann und Funkenüberschläge vermieden werden. Diese Einhaltung der Richtlinien ist ebenfalls ein wichtiger Teil der Schutzmaßnahmen.

In folgender Tabelle werden zulässige Widerstände bei zulässigen Entladezeiten der Person an das Erdungsnetz ersichtlich. Dies garantiert elektrostatisch sicheres Arbeiten.

Fazit – ESD Schutz

Der Entladungsprozess von elektrostatischer Energie ist ein Phänomen, das in vielen Bereichen der Elektronik beachtet werden muss, insbesondere in Branchen wie der Elektronik- und Halbleiterindustrie, Medizintechnik, Automobilindustrie und in der Luft- und Raumfahrt.

Durch unkontrollierte statische Entladung können elektronische Bauteile zerstört werden, da sie nicht für solche hohe Spannungen ausgelegt sind. Wenn die Arbeitsstätte ein ESD geschützter Bereich ist, müssen bestimmte ESD Normen und Vorschriften eingehalten und verschiedene Schutzmaßnahmen getroffen werden.

Geeignete ESD Arbeitskleidung und auch Schuhwerk können zum Beispiel von vornherein zwar nicht vollständig eine elektrostatische Aufladung verhindern, doch zumindestens in der Höhe begrenzen, sodass die teuren Bauteile keinen Schaden nehmen.