L-E-A | Dr. Volker Bosch

Digitale und analoge Elektronik

Maßnahmen für den ESD-Schutz elektronischer Bauteile

Grundlagen

Das Akronym ESD steht für ElectroStatic Discharge, bezeichnet also die elektrostatische Entladung. Diese tritt in der Regel auf, wenn es in Folge von Berührung oder Reibung zwischen verschiedenen, elektrisch nicht leitfähigen Oberflächen zu einer Ladungstrennung kommt. Entlädt sich diese Ladung unkontrolliert, beispielsweise durch einen Lichtbogen, können elektronische Bauteile beschädigt werden. Für eine solche Schädigung muss der besagte Lichtbogen noch nicht einmal das Bauteil direkt berühren – auch die indirekten Auswirkungen der pulsförmigen Entladeströme können über das damit verbundene Magnetfeld zu Schädigungen führen.

Auch ohne Entladung kann das aus den getrennten Ladungen resultierenden elektrische Feld aufgrund der Influenz Schäden in elektronischen Bauteilen anrichten, indem es innerhalb des vom Feld durchsetzten Bauteils zu einer (temporären) Ladungstrennung und damit zu elektrischen Spannungen kommt.

Moderne elektronische Bauteile sind in der Regel ESD-geschützt, so dass ein Totalausfall des Bauteils vergleichsweise unwahrscheinlich ist. Jedoch können entsprechende ESD-Ereignisse zu Vorschädigungen der Halbleiter führen, welche die Lebensdauer des Bauteils vermindern. Die hohen Stromimpulse schädigen Teile des Halbleiterkristalls und können so in diesem Bereich die Sperrfähigkeit reduzieren oder den elektrischen Widerstand erhöhen. In Folge dieser Schädigung kann es dann dort im Betrieb der Halbleiters zur lokalen Überhitzung und damit zum Verlust der Sperrfähigkeit, d.h. zum Totalausfall kommen.

Schutzmaßnahmen

Die wichtigste Schutzmaßnahme bei der Ver- oder Bearbeitung ESD-gefährdeter Bauteile ist die Verhinderung elektrostatischer Aufladungen mittels ableitfähiger Oberflächen am Arbeitsplatz. Dazu gehören neben dem Mobiliar wie Arbeitstisch und Sitzgelegenheit auch Ablagen und Transportwägelchen sowie Werkzeuge und Fußbodenbelag.

Die Arbeitsplatte mit Schutzmatte, der Lötkolben und sämtliche Hilfsvorrichtungen sollten über Schutzwiderstände mit dem Schutzleiter bzw. dem Potentialausgleich des Gebäudes verbunden sein. Moderne Lötstationen verfügen hierzu meist über eine Steckerbuchse auf der Rückseite des Geräts, in welche ein passender Stecker mit einem entsprechenden Schutzwiderstand eingesetzt werden kann. An diesen Stecker kann dann auch die Tischauflage bzw. Schutzmatte des Arbeitsplatzes angeschlossen werden. Idealerweise wird der Mitarbeiter mittels eines Armbändchens ebenfalls hochohmig an den Potentialausgleich angeschlossen.

Der ESD-gerechte Arbeitsplatz

Die nebenstehende Abbildung (anklicken zum Vergrößern) zeigt schematisch die Komponenten eines ESD-gerechten Arbeitsplatzes:

1. Arbeitstisch mit ableitfähigen Oberflächen von Arbeitsplatte, Ablage und Schubfächern.
2. Ableitfähige Schutzmatte.
3. Potentialausgleichsklemme, elektrisch mit dem Schutzleiter verbunden. Daran über Schutzwiderstände angeschlossen: Arbeitsplatte, Schutzmatte, Lötstation, Armband. Ggf. kann auch die entsprechende Anschlussklemme der Lötstation für diesen Zweck verwendet werden.
4. Lötstation. Der Lötkolben sollte nicht niederohmig mit dem Schutzleiter verbunden sein und idealerweise hochohmig mit der Potentialausgleichsklemme (3) verbunden werden.
5. Armband, hochohmig mit der Potentialausgleichsklemme (3) verbunden.
6. Ablage für elektronische Baugruppen mit ableitfähiger Oberfläche, über die Halteschienen hochohmig mit der Potentialausgleichsklemme (3) verbunden.
7. Bauteilemagazin für Elektronikkomponenten mit ableitfähigen Oberflächen, über die ableitfähige Oberfläche des Arbeitstisches mit der Potentialausgleichsklemme (3) verbunden.
8. Sitzgelegenheit mit ableitfähiger Oberfläche bzw. Polsterbezug. Über ableitfähige Rollen mit dem ableitfähigen Fußboden verbunden.
9. Lagerplatz für elektronische Bauteile in Originalverpackung auf ESD-geschütztem Rollwägelchen, dessen ableitfähige Rollen eine elektrostatische Aufladung verhindern.
10. ESD-geschützter Transportwagen mit ableitfähigen Oberflächen und Laufrollen.
11. Ableitfähiger Fußboden, hochohmig mit dem Schutzleiter oder dem Potentialausgleich des Gebäudes verbunden.
12. Warnschild mit Verhaltensregeln.

Weitere Maßnahmen sind:

● Regelmäßiger Einsatz eines Testgeräts zur Überwachung des Ableitwiderstands von ESD-Armbändern.
● Installation einer Testvorrichtung zur Überwachung des Ableitwiderstands von ESD-Schuhwerk.
● Klimatisierung und Überwachung der Luftfeuchtigkeit, die im Bereich 50...55% rel. Feuchtigkeit liegen sollte, da so sichergestellt wird, dass sich Papier- bzw. Kartonverpackungen nicht elektrostatisch aufladen können.
● Ein Ionisiergerät, welches die Entladung der Oberflächen von nicht direkt oder indirekt geerdeten Gegenständen sicherstellt.
● Schutz des Arbeitsbereichs vor Verschmutzung, welche die elektrostatische Ableitfähigkeit ungünstig beeinflussen kann, beispielsweise der Bildung von Ablagerungen auf den Laufrollen.