ESD-Schutz. Physikalischer Hintergrund und praktische Anwendung

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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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 Anleitun-gen 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:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

3. Physikgrundlagen

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

Tab. 1:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

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.

Tab. 3:

elektrotechnische Daten des menschlichen Körpers

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Bei Betrachtung unter dem Aspekt ESD stellt der Mensch in erster Näherung eine Reihenschaltung aus Kondensator und Widerstand dar !

noch ein bisschen Physik:

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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.

4. Materialeigenschaften

4.1. metallische Leiter

Im metallischen Körper befinden sich freie und sehr bewegliche negativ geladene Elektronen als „Elektronengas“. Diese Elektronen haben sich aus dem Kristallgitter gelöst und dort befinden sich nun genau so viele „Ladungslöcher“ wie frei bewegliche Elektronen. Diese „Löcher“ wirken wie positive Ladungen. Es gibt gleich viele negative wie positive Ladungen à der Metallkörper ist elektrisch neutral (Abb. 1).

Im elektrischen Feld trennen sich Elektronen und „Ladungslöcher“ (à Influenz, Abb. 2).

Teilt man den metallischen Körper, so teilen sich die Ladungen auf Grund der extrem hohen Beweglichkeit der Elektronen entsprechend auf (Abb. 3) – in beiden Teilkörpern gibt es gleich viele positiv wie negativ geladene Ladungsträger, d.h. jeder ist nach Beseitigung des elektrischen Feldes wieder für sich neutral.

Abb. 1: neutraler Leiter

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2: Influenz

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3: Leitertrennung

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

4.2. Isolatoren

Auch bei nicht leitenden Stoffen gibt es freie Elektronen und zugehörige „Löcher“, wenngleich nicht so viele wie bei den metallischen Leitern.

Werden die Ladungsträger durch zugeführte (Bewegungs-)Energie getrennt (Abb. 4) und anschließend auch noch die Materialien als Träger der Ladungen, dann entsteht ein geladener Kondensator und daher eine Spannung (Abb. 5) gegenüber der zuvor abgetrenn-ten Fläche (triboelektrischer Effekt). Die geringe Beweglichkeit der Ladungsträger im Isolator verhindert hier den Ausgleich der Ladungen wie das beim metallischen Leiter der Fall ist. Auf Grund des recht geringen Innenwiderstandes des menschlichen Körpers gibt es keine Spannungsunterschiede zwischen verschiedenen Körperteilen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

- Abb. 4: Ladungstrennung bei Isolatoren, z.B. laufen mit Schuhen mit Gummisolen auf Kunstfaser-Teppich

Abb. 5: - Spannungsaufbau nach Ladungstrennung

Grafiken aus [1]

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Wie stark die Aufladung ausfällt, hängt unter anderem von den Materialeigenschaften der (beiden) beteiligten Isolationsmaterialien ab, welche sich beim gegeneinander Reiben und Trennen negativ bzw. positiv aufladen. Je weiter die beiden Stoffe in den Reihen der Tab. 4 von einander entfernt sind um so stärker ist der Effekt.

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