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ESD Schutz – Was versteht man darunter?

In manchen Berufen ist ESD Schutz sehr wichtig oder sogar lebensnotwendig. Doch was bedeutet ESD Schutz überhaupt und welche ESD Schutzmaßnahmen können getroffen werden? Dieser Artikel soll darüber Klarheit schaffen.

Was bedeutet ESD und was ist das?

Der Begriff ESD 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 ziemlich oft erlebt. Es tritt z.B. 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.

Auch der Mensch selber ist gefährdet

Im obigen Fall sollen durch ESD Schutz elektronische Bauteile geschützt werden. Es gibt jedoch auch Tätigkeiten bei denen sich durch einen Funkenschlag brennbare Flüssigkeiten oder Gase in heiklen Umgebungen entzünden und Explosionen verursachen können. Da möchte man dann lieber nicht in der Nähe sein…

Aus diesem Grund ist ESD Schutz in solchen Berufsfeldern für den Menschen lebenswichtig.

Berufe mit nötigem ESD Schutz

Nachfolgend sind einige Berufsfelder und Berufe aufgeführt, bei denen ein umfassender ESD 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.

1. Berührung und Trennung von Stoffen

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 (z.B. Mikrochip) an dieses abgegeben.

Näheres über elektrostatische Entladung und über ESD Schutz 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.

Ereignis 10 % bis 20 % Luftfeuchte65 % bis 90 % Luftfeuchte
auf Teppich laufen35.000 Volt1.500 Volt
auf Kunststoffboden laufen12.000 Volt250 Volt
am Arbeitstisch arbeiten6.000 Volt100 Volt
Papier aus Kunststoffhüllen nehmen7.000 Volt600 Volt
Plastikbeutel vom Arbeitstisch aufheben 20.000 Volt1.200 Volt
auf Schaumstoffkissen herumrutschen18.000 Volt1.500 Volt

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 einer durch ESD Schutzmaßnahmen geschützten Zone sollte ein Grenzwert von 100 Volt nicht überschritten werden.

Funken können bereits ab einer Aufladung von ca. 10.000 Volt auftreten und in empfindlichen Bereichen ohne ESD Schutz Explosionen hervorrufen. Diese ist insbesondere in Bereichen mit brennbaren Flüssigkeiten oder Gasen gefährlich. Aber auch extrem trockene Stoffe wie z.B. 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 ESD zerstört?

ESD kann bei empfindlichen elektronischen Bauteilen 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.

Die Gefahr an ESD ist aber, dass die entstandenen Schäden am Bauteil meistens unsichtbar sind, und man es gar nicht bemerkt, dass man soeben gerade ein Bauteil durch ESD 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 ESD Schutz an, Aufladungen und Entladungen so zu kontrollieren, dass sie keine Schäden hervorrufen.

ESD Empfindlichkeit

Elektronische Baugruppen sind in der Regel ESD empfindlich. Daher wird in den Datenblättern immer auch die ESD Empfindlichkeit genannt. Das Klassifizierungssystem unterscheidet vier Stufen, die mit jeweils einem Buchstaben gekennzeichnet werden. Diese Stufen sind mit dem ESD Symbol auf dem Gegenstand oder der Verpackung aufgedruckt.

L = low charging (gering aufladbar): Materialien und Verpackungen, die dafür sorgen die Aufladbarkeit zu minimieren
C = conductive (elektrostatisch leitfähig): Materialien und Verpackungen mit einem Oberflächenwiderstand von 100 Ohm bis 100 Kiloohm
D = dissipative (elektrostatisch leitfähig): Materialien und Verpackungen mit einem Oberflächenwiderstand von 100 Kiloohm bis 100 Gigaohm
S = shielding (elektrostatisch ableitend): Abschirmend gegen elektrostatische Entladung

Für eine elektrische Entladung ist aber nicht immer ein Kontakt notwendig. Ebenfalls kann durch die Luft eine Entladung vom statisch geladenen Gegenstand auf das statisch ungeladene Element stattfinden.

ESD Schutz – Welche Norm gilt?

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

ESD Schutzmaßnahmen

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

1. Versuchen die Aufladung zu vermeiden, bzw. durch Erdung möglichst gering zu halten

2. Mögliche entstandene Aufladungen langsam und kontrolliert abfließen zu lassen.

Kontrolle der Mitarbeiter und des Arbeitsplatzes

  • Schulung der Mitarbeiter
  • Festsetzung der erforderlichen ESD Schutzmaßnahmen
  • Prüfen der Wirksamkeit des ESD Schutz (z.B. Vermeidung von Schleusenumgehungen)

Eindeutige Kennzeichnung von Bereichen mit ESD Schutz

Ein eindeutige Kennzeichnung von ESD geschützten Bereichen innerhalb eines Unternehmens in der Elektronikfertigung ist 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 ESD Schutzmaßnahmen getroffen werden, z.B. ESD Schuhe anziehen.

Jedoch kann es auch sein, dass man Arbeiten auch beim Kunden vor Ort durchführen muss, und dann ist eben keine Kennzeichnung solcher Bereiche, in denen ESD Schutz notwendig ist, vorhanden. Sicherheitshalber sollte man hier dann vorsorglich ESD Kleidung tragen.

Günstige Klimabedingungen schaffen

Wie schon gesagt, hat das Klima in einem Raum einen großen Einfluss auf die Stärke der Aufladung der Personen in diesem Raum. Daher sollte man in einer EPA (electostatic protected area) gemäß ESD Schutz Richtlinien eine geeignete Temperatur mit moderater Luftfeuchtigkeit erzeugen. Die relative Luftfeuchtigkeit sollte sich hier über 50% befinden. Wird zusätzlich die Luft durch einen Ionisator ionisiert, können sich elektrostatische Ladungen schneller abbauen. Solche Geräte sollen aber nicht als Ersatz für unzureichende Anstrengungen im ESD Schutz eingesetzt werden.

ESD Schutz durch ESD Schuhe

In vielen Tätigkeitsfeldern, wie z.B beim Bestücken von Leiterplatten oder in der Mikroherstellung sind zwingend ESD Schuhe erforderlich. Sie halten den Übergangswiderstand zum Boden möglichst klein, damit eine Aufladung gar nicht erst entstehen kann. Weitere Einzelheiten zu ESD-Schuhen finden Sie in der Rubrik Spezialschuhe im Beitrag ESD-Schuhe.

ESD Schutz – Auch spezielle ESD Kleidung ist wichtig

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

  • ESD-Arbeitsmäntel
  • ESD-T-Shirts
  • ESD-Hemden
  • ESD-Sweatshirts
  • ESD Handschuhe
  • ESD Armbänder zur Erdung (Auch das gehört zur ESD Kleidung)

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

Betriebsmittel für die tägliche Arbeit

Man glaubt es kaum, selbst banale Dinge wie Rollwägen müssen im Rahmen des ESD Schutz für EPA Bereiche zugelassen sein. Aus diesem Grund gibt es von ESD Schutzmaßnahmen geforderte spezielle

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

zu kaufen.

ESD Schutz durch Arbeitsplatzgestaltung

Ebenso muss im Rahmen vom ESD Schutz der Arbeitsplatz ESD fähig und möglichst frei von ESD-aktiven Materialien sein. Für den Arbeitsplatz gelten daher folgende ESD 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
  • Verwendung von ESD Verpackung statt normaler Verpackung

Verbotene Gegenstände an einem Arbeitsplatz mit ESD Schutz

Als Basisregel gilt, dass nur die Gegenstände in eine EPA gebracht werden sollten, die dort unbedingt gebraucht werden. Denn was nicht vorhanden ist, kann sich auch nicht selbst aufladen.

Der Arbeitsplatz muss auf jeden Fall frei sein von jeglichen Materialien, die Folgendes enthalten:

  • Kunststoffe
  • Styropor
  • nicht geeignete ESD Schutzhüllen bzw. Mappen

ESD Schutz durch Arbeitsrichtlinien

Um statische Entladung auf empfindliche Komponenten zu vermeiden, ist als ESD Schutz 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 ESD Schutzmaßnahmen.

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

Art der Ableitung der PersonMax. zulässiger WiderstandMax. zulässige Entladezeit
Bodenmatte zur Erdung1.000 MΩweniger als 1 Sekunde
Tischmatte zur Erdung1.000 MΩweniger als 1 Sekunde
Armband zur Erdung100 MΩweniger als 0,1 Sekunde