Messgeräte mit Messsonden, Bild: Murtfeldt­

Für normgerechte Widerstandsmessungen bedarf es geeigneter Messgeräte mit Messsonden, die über die ­Fläche messen. Dabei muss die ­richtige Prüfspannung eingestellt werden. - Bild: Murtfeldt­

| von Dieter Bellack und Anke Theißen, Murtfeldt

Elektrische Ableitungen haben jeden schon einmal getroffen. Dabei werden 90 Prozent aller Ableitungen von Menschen nicht bemerkt, denn sie nehmen ESD (engl. ESD = Electro Static Discharge) erst ab einer Spannung von zirka 3000 V als kurzen elektrischen Schlag wahr. Die Geschichte der Entdeckung elektrostatischer Phänomene ist alt – in Menschenzeit gerechnet. Um 577 v. Chr. wird erstmals von der elektrostatischen Eigenschaft des Bernsteins berichtet. 1787 entdeckt Charles Augustin de Coulomb, dass sich Ladungen nur an der Oberfläche von Körpern befinden. Doch erst Ende der 1970er-Jahre schenkt die Elektroindustrie dem Problem elektrostatischer Aufladungen eine größere Beachtung.

„Typische ESD-Schäden lassen sich mit dem bloßen Auge oder mit gewöhnlichen Prüfungen erfahrungsgemäß nicht entdecken. Der Totalausfall kann zeitversetzt erst sehr viel später eintreten.“

Dieter Bellack, Leiter Anwendungstechnik, Murtfeldt

Heute ist es allgemein bekannt, dass ESD für Menschen wie für Produkte ein großes Problem werden kann. So spielt in allen ATEX-Bereichen das Thema Arbeitssicherheit eine sehr große Rolle. Es gilt, Zündgefahren infolge elektrostatischer Aufladungen in explosionsgefährdeten Bereichen zu vermeiden. Explosionsfähige Atmosphären entstehen durch Treibstoffe, Lösemittel, Gase oder Stäube. Entladungen, die hier stattfinden, können zu Funkenschlag und Zündung von entzünd­lichen Stoffen führen. Das betrifft die Nahrungsmittelindustrie, in denen Schüttgüter wie Mehle und Pulver verarbeitet werden ebenso wie Energielieferanten.

ESD-Folgeschäden betreffen die Wirtschaftlichkeit genauso wie das Image

ESD-Schuss, Bild: Elmos Semiconductor
Hier wird ein ESD-Schuss zwischen Source und Drain gezeigt. - Bild: Elmos Semiconductor

ESD kann sensible elektronische Komponenten und Baugruppen (ESDS = Electrostatic Discharge Sensitive Devices) mit verheerenden Folgen nachhaltig schädigen beziehungsweise vorschädigen. Schäden an der Struktur können schon ab Entladespannungen von 35 V verursacht werden. Zur besseren Vorstellbarkeit: Im Verhältnis zur Bauteilgröße verhält sich die Energie einer elektrostatischen Entladung in einem Halbleiter wie die Energie eines Blitzschlages in einen Baum.

Das Fatale daran ist, dass der Mensch – wie eingangs geschildert – von dieser elektrostatischen Entladung kaum etwas oder gar nichts mitbekommt. Denn typische ESD-Schäden lassen sich mit dem bloßen Auge oder mit den normalen Produktionstests in der Regel nicht entdecken. Hierfür werden hochauflösende Mikroskope und langjährige Erfahrung benötigt. In den Produktionsbetrieben werden die Bauteile nach ihrer Herstellung auf ihre Funktion geprüft. Trotz einer eventuellen ESD-Vorschädigung kann das Bauteil noch funktional sein und den Test bestehen. Der Totalausfall kann erst sehr viel später eintreten.

ESD-Totalschaden,  Bild: Elmos Semiconductor
Auf diesem Bild wird ein ESD-Totalschaden deutlich. - Bild: Elmos Semiconductor

Imageschaden fürs Unternehmen, weil zugesagte Lieferungen häufig in einer längeren Prozesskette nicht eingehalten werden können. So entstehen hohe Kosten durch Maschinenstillstand und der anschließenden Reparatur, zudem müssen möglicherweise Gewährleistungs- und Produkthaftungsansprüche bedient werden. Auswertungen von Herstellern elektronischer Bauelementen zur Folge sind ein Viertel der als defekt eingestuften Bauelemente ursächlich auf ESD-Schäden zurückzuführen. Ein Aspekt, der die Wichtigkeit des Themas ESD noch betont: In der E-Mobilität werden in Zukunft noch komplexere und hochsensitive elektronische Komponenten verbaut. Ein Ausfall wäre nicht nur kosten-, sondern auch sicherheitsrelevant, wenn er Assistenzsysteme, autonomes Fahren, Spurhalteassistent, Notbremsassistent, Abstandsregelsysteme, Parkassistent, und vieles mehr betrifft.

Die Sensitivität gegen ESD steigt auch bei moderneren Bauelementen stark an. Grund dafür ist die stetige Miniaturisierung elektronischer Bauteile bei gleichzeitig steigender Integrationsdichte. Die Abstände zwischen den Leiterbahnstrukturen im Bauteil (beispielsweise auf Halbleiterbausteinen) betragen heutzutage weniger als 16 Nanometer. Die Strukturdichte der verwendeten Bauteile wird infolge geforderter Leistungsparameter immer höher. Bauteile mit sieben Nanometer und weniger Abstand sind bereits in der Entwicklung. Bei aktuellen elektronischen Bauteilen beginnt die Sensitivität gegenüber ESD bereits ab 35 Volt Entladespannung.

Verhinderung von harten Entladungen

Harte, unkontrollierte, schlagartige Entladungen können zu hohen Stromspitzen und damit zu einer thermischen Überlastung führen, welche den Schaden am Bauteil verursachen.

Um harte, schlagartige Entladungen zu unterbinden, kommen an ESD-Arbeitsplätzen hochohmige Materia­lien zum Einsatz, die das sanfte Ableiten der vorhandenen Ladung ermöglichen. In explosionsgefährdeten Bereichen sind grundsätzlich nur leitfähige oder ableitfähige Gegenstände und Einrichtungen zu verwenden. Je nach Zündwahrscheinlichkeit sind alle Gegenstände oder Einrichtungen aus leitfähigen Materialien zu erden.

Werkstoff ”S” plus+ white ESD, Bild: Murtfeldt
Der Schutz der elektrosensitiven Bauteile wird durch die ableitfähige Unterlage aus Original Werkstoff ”S” plus+ white ESD gewährleistet. - Bild: Murtfeldt Kunststoffe

So werden Arbeitsflächen, Verkleidungen, Auflagen und Abstellflächen für Werksbänke, Montagetischplatten, Transport- und Bestellwagen idealerweise mit elektrisch leitfähigen Materialien wie beispielsweise Original Werkstoff „S“ plus+ white ESD ausgestattet. Der weiße Kunststoff aus dem Hause Murtfeldt kann durch Erdung innerhalb von zwei bis vier Sekunden vollständig entladen werden. Auf keinen Fall dürfen in ESD-sensitiven Bereichen isolierende Materialien eingesetzt werden, die durch Erdung nicht entladen werden können und deren Spannung über eine lange Zeit erhalten bleibt.

Im industriellen Bereich betrifft das aber auch Produkte, die unmittelbar in der Herstellung von Gütern eingebunden sind. Produkte wie Werkstückträger, Trays, Rutschen, Robotergreifer, Bauelementegreifer, Teilezuführungen, Führungsschienen, Abstreifer sowie Förderschnecken für Schüttgüter müssen ebenfalls aus ableitfähigem Material bestehen, will man einen effektiven Schutz erreichen.

Viele Branchen sind betroffen

Das betritt die Reinraumtechnik und Laborumgebung mit ihren Arbeitsoberflächen und Arbeitsflächen für ESD-sensitive Produkte ebenso wie die Medizintechnik sowie Pharmazie sowie die Lebensmittelbranche, die statische Aufladung und schwarzen Abrieb vermeiden wollen. Auch hier bietet sich wieder Original Werkstoff „S“ plus+ white ESD an, der neben der weißen Farbe auch lebensmittelkonform ist gemäß EU und FDA. Farbe und Lebensmittelkonformität spielen für die Elektrotechnik und andere ESD-Schutzbereiche, die gemäß DIN EN 61340-5-1 agieren, eine untergeordnete Rolle. Sie benötigen vor allem für ihre Elektronik und Arbeitsflächen für ESDS-Produkte langsamere Ableitgeschwindigkeiten, die Original Werkstoff „S“ plus+ white ESD ebenfalls zu bieten hat.

Auf einen Blick

Weitere Informationen zum Thema ESD finden Sie im Murtfeldt Whitepaper, dass Sie sich unter www.murtfeldt.de/esd kostenlos downloaden können.

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