ESD-Schutz - Physikalischer Hintergrund und praktische Anwendung

  Schmidt: ESD Schutz  

  Inhaltsverzeichnis  

1.  Einleitung  

2.  Begriffe  

3.  Physikgrundlagen  

4.  Materialeigenschaften  

4.1  metallische Leiter  

4.2.  Isolatoren  

5.  elektrische Entladung  

5.1.  Strompuls  

5.2.  Auswirkung auf Bauteile  

6.  Vorbeuge-Maßnahmen gegen ESD-Schäden  

6.1  Übersicht  

6.2.  geschützter Arbeitsbereich (EPA)  

6.3.  persönliche Ausrüstung  

6.4.  Wirkung von Schutzmaßnahmen  

7.  Verpackung  

8.  Aufbau eines ESD-geschützten Arbeitsplatzes  

9.  Messtechnik  

10.  Referenzen  

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Schmidt: ESD - Schutz

1. Einleitung

Die immer kleiner werdenden Strukturen der Halbleiter lassen diese immer empfindlicher gegen hohe Spannungen werden. Parallel dazu hat die fortschreitende Verwendung von Kunststoffen in allen Bereichen des täglichen Lebens (Verpackungen, Raumeinrichtungen, Bekleidung, ...) zu einem immer höher werdenden Risiko von elektrostatischen Aufladungen mit Spannungen weit über 10.000 Volt geführt.

Daher sind im handwerklichen wie industriellen Umfeld entsprechende Schutzmaßnahmen zwingend notwendig. Aber auch bei heimischen Anwendungen, z.B. dem Austausch von Modulen in PCs, muss auf angemessene Schutzmaßnahmen geachtet werden. Hiermit soll ein Leitfaden zum Verständnis der ESD-Problematik vorgelegt werden, in dem zunächst in groben Zügen der physikalische Hintergrund aufgezeigt und dann auch Anleitungen zum praktischen Schutz vor ESD-Schäden gegeben werden. Zur Vertiefung sei auf die Literatur ([1], [2]) sowie auf die einschlägigen Normen ([4] – [7]) verwiesen. Im im industriellen Bereich sind Verantwortliche (ESD-Koordinator, ESD-Beauftragter) zu benennen, die für die Umsetzung der Regeln und deren Überprüfung an Hand des ESD-Kontrollplans sowie die Schulung der Mitarbeiter verantwortlich sind (siehe [4]). Zur Information dieser Personen kann dieser Leitfaden auch als Grundlage dienen.

2. Begriffe & Kennzeichnung

Einige der in Verbindung mit ESD üblichen Abkürzungen sind:

EPA-Erdungspunkt

EBP

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3. Physikgrundlagen

Die für die folgenden Betrachtungen wichtigen physikalischen Größen sind in Tab. 1 aufgeführt.

Tab. 1: physikalische Größen

Zum Verständnis der Funktion der elektrostatischen Aufladung ist es hilfreich, die Bedeutung der physikalischen Größen „Energie“ und „Arbeit“ zu veranschaulichen. Eine Erklärung am einfachen Beispiel ist die: wenn man Arbeit leistet, um eine Menge Wasser in einen hoch gelegenen Behälter zu pumpen, dann nimmt das Wasser einen höheren Zustand an potentieller Energie an und kann beim Herunterfließen Arbeit verrichten (physikalischer Hintergrund eines Pumpspeicher-Elektrizitätswerkes).

Einige der später zu betrachtenden Größen sind sehr klein oder sehr groß, so dass zwecks Übersichtlichkeit besser die üblichen Präfixe (siehe Tab. 2) verwendet werden.

Tab. 2: Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungspräfixe:

Wie später aufgezeigt wird, sind auch ein paar elektrische Größen des menschlichen Körpers von Bedeutung. Die Werte in Tab. 3 können dabei nur als grobe Anhaltswerte betrachtet werden, da sie vielen Einflüssen unterliegen.

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Tab. 3: elektrotechnische Daten des menschlichen Körpers

Bei Betrachtung unter dem Aspekt ESD stellt der Mensch in erster Näherung

eine Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand dar !

noch ein bisschen Physik:

9 Elektronen / s

ein Strom von 1 nA transportiert:

die Spannung am Kondensator:

im Kondensator gespeicherte Energie:

Schlussfolgerungen daraus:

Um einen Menschen zur gefährlichen ESD-Spannungsquelle zu machen, muss er elektrische Ladungen „aufgeladen“ bekommen.

Den „Kondensator Mensch“ elektrisch zu laden bedeutet physikalisch dort Energie zu speichern. Dazu muss Arbeit geleistet werden - in der Regel in Form von Bewegung. Das ist im Sinne der Physik ein ähnlicher Vorgang wie beim zuvor beschriebenen Pumpspeicher-Elektrizitätswerk.

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