ESD-Schutz für mehr Sicherheit am Arbeitsplatz

Die Abkürzung ESD kommt aus dem englischen und steht für electrostatic discharge, also elektrostatische Entladung. Der ESD-Schutz befasst sich daher damit, empfindliche elektronische Bauteile, Komponenten oder Geräte vor Schäden durch elektrostatische Entladungen zu schützen, es handelt sich also um Schutzmaßnahmen in der Elektrotechnik.

Elektrostatische Entladungen können auftreten, wenn sich elektrostatische Ladungen aufbauen und dann plötzlich entladen werden. Dies kann durch Reibung, Berührung oder Trennung von Materialien verursacht werden. Eine elektrostatische Entladung kann eine hohe Spannung erzeugen, die elektronische Bauteile beschädigen oder ihre Funktionalität beeinträchtigen kann. Dies ist besonders bei empfindlichen elektronischen Geräten wie Computerchips, Halbleitern, Leiterplatten oder Sensoren ein Problem.

Im Arbeitsalltag können sich Menschen, Arbeitsplätze und Maschinen elektrisch aufladen. Meistens bemerkt man das gar nicht: wenn zum Beispiel synthetische Kleidungsstücke aneinander reiben oder die Plastikrollen des Bürostuhls über den Kunstfaserteppich fahren. Doch bereits kleine elektrostatische Entladungen (engl. electrostatic discharge – ESD) können besonders bei der Verarbeitung von elektronischen Komponenten wie Halbleitern und Mikrochips zu Problemen führen. Entlädt sich die Energie unkontrolliert, werden die empfindlichen Bauteile beschädigt. Die DIN EN 61340 5 1 regelt die spezifischen Antistatik-Anforderungen im Betrieb beim Umgang mit elektronischen Komponenten. Auch in Bereichen mit Zündgefahren stellen die winzigen, unsichtbaren Funken, die bei der Entladung entstehen, eine erhebliche Gefahrenquelle dar. Mit der richtigen Ausrüstung verhindern Sie zuverlässig Produktschäden.

Elektrostatische Entladungen können in der Elektrotechnik diverse Schäden verursachen. Einige davon sind:

Beschädigung von Halbleiterbauelementen

Elektrostatische Entladungen können zu Überspannungen führen, die Halbleiterbauelemente wie Transistoren, Mikrocontroller, integrierte Schaltkreise usw. beschädigen können. Diese Bauteile sind sehr empfindlich gegenüber Spannungsspitzen, die durch statische Entladungen verursacht werden können.

Datenverlust

Elektrostatische Entladungen können dazu führen, dass Daten in elektronischen Speichergeräten wie Festplatten, SSDs oder Flash-Speichern beschädigt oder gelöscht werden. Dies kann zu einem vollständigen Datenverlust führen.

Störungen von elektronischen Schaltungen

Elektrostatische Entladungen können elektromagnetische Störungen verursachen, die sich auf benachbarte elektronische Schaltungen ausbreiten können. Diese Störungen können zu Fehlfunktionen oder Unterbrechungen in den betroffenen Schaltungen führen.

Schäden an Leiterbahnen

Auch Schäden an den Leiterbahnen auf Leiterplatten können durch die elektrostatische Entladung erfolgen. Die hohen Spannungen, die mit statischen Entladungen verbunden sind, können die Leiterbahnen durch Überlastung schmelzen oder durchschlagen lassen, was zu Unterbrechungen oder Kurzschlüssen führt.

Beschädigung von Sensoren und Messgeräten

Die Genauigkeit und Funktionalität von Sensoren und Messgeräten kann durch Entladungen beeinträchtigt werden. Dies ist besonders problematisch in Bereichen, in denen präzise Messungen erforderlich sind, wie beispielsweise in der Medizin- oder Labortechnik.

Um einen solchen ESD-Schaden zu vermeiden sollten unbedingt Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

In der Industrie, vor allem der Elektrotechnik, gibt es verschiedene ESD-Schutz Grundlagen, die eingesetzt werden, um elektronische Bauteile und empfindliche Geräte vor Schäden durch elektrostatische Entladungen zu schützen. Einige dieser Maßnahmen sind die folgenden:

ESD-Schutzzonen

Es werden spezielle Bereiche eingerichtet, in denen ESD-kritische Arbeiten durchgeführt werden. Diese Zonen sind mit leitfähigen Böden, Arbeitsoberflächen und geerdeten Schutzeinrichtungen ausgestattet. ESD-Symbole weisen auf solche besonderen Schutzzonen hin.

ESD-Arbeitsplätze

Arbeitsplätze, an denen empfindliche elektronische Komponenten behandelt werden, sind mit ESD-Schutzvorrichtungen ausgestattet. Dazu gehören ableitfähige Arbeitsmatten, Handgelenkbänder oder Fußbänder mit Erdungsanschluss, ableitfähige Kleidung und antistatische Schuhe.

Erdung

Eine gute Erdung spielt eine entscheidende Rolle beim ESD-Schutz. Alle ESD-sensiblen Geräte, Arbeitsplätze und Mitarbeiter sollten über geeignete Erdungsverbindungen verfügen, um elektrostatische Ladungen sicher abzuleiten.

ESD-Kleidung

Spezielle antistatische oder ableitfähige ESD-Bekleidung wird getragen, um elektrostatische Aufladungen zu minimieren. Diese Kleidung besteht aus Materialien, die elektrostatische Ladungen ableiten und so verhindern, dass statisch aufgeladene Kleidung Beschädigungen verursacht.

ESD-Schutzverpackungen

Empfindliche elektronische Komponenten werden häufig in ableitfähige Verpackungen gelagert und transportiert, um sie vor elektrostatischer Aufladung zu schützen. Diese Verpackungen ableiten oder neutralisieren elektrostatische Ladungen, um Schäden an den Bauteilen zu verhindern.

ESD-Schulungen und -Richtlinien

Mitarbeiter, die mit ESD-sensiblen Geräten arbeiten, sollten geschult werden, um die Gefahren von elektrostatischer Entladung zu verstehen und die richtigen Verhaltensweisen zu erlernen, um diese zu vermeiden. ESD-Richtlinien und -Verfahren sollten festgelegt und befolgt werden, um einen konsistenten ESD-Schutz zu gewährleisten.

In zahlreichen Branchen ist ESD-Schutz wichtig. Ob im Labor, in der Produktion, der Fertigung oder im Lager – überall kann elektrische Aufladung entstehen. Auch im technischen Kundendienst oder Montagebaustellen sollte man sich davor schützen.

Vor allem aber in modernen Arbeitsbereichen wird zunehmend ESD-Schutz unverzichtbar, um Schäden an Produkten zu verhindern. Dazu zählen:

• Elektronikproduktion
• Industrieelektronik
• Computertechnik
• Telekommunikationstechnik
• Automobilelektronik

ESD-Produkte wirken antistatisch, doch was bedeutet das eigentlich? Der Begriff bezieht sich auf synthetische Fasern. Sie sind eigentlich nicht antistatisch, denn synthetische Fasern absorbieren nur wenig Feuchtigkeit und laden sich deswegen durch Reibung auf. Um das zu verhindern, muss man sie erst veredeln: Dafür bringt man entweder Antielektrostatika auf oder verbessert die Fähigkeit zur Feuchtigkeitsaufnahme. Diese antistatischen Aufrüstungen lassen in der Regel mit der Zeit nach, sodass sich die Materialien wieder elektrostatisch aufladen können.

Umfangreicher ESD-Schutz bei der Produktion ist ein guter Anfang. Halbleiter brauchen aber auch bei Transport und Aufbewahrung eine Umgebung, die vor elektrischer Entladung schützt. Viele antistatischen Verpackungen bestehen deswegen aus gering aufladbarem und ableitfähigem Polyethylen. So stellen Sie sicher, dass beim Kunden ein funktionsfähiges Produkt ankommt. Es gibt verschieden Möglichkeiten:

Antistatische Folien: Diese glatte und meist dehnbare Folie besteht aus einem ableitenden Film. Sie eignet sich vor allem, um Produkte mit individueller Größe von Hand oder per Maschine zu verpacken.

Luftpolsterfolien: Diese Folie funktioniert wie ein Faraday‘scher Käfig und leitet Elektrizität außen ab, sodass empfindliche Geräte sicher bewahrt sind. Die Luftblasen polstern das Produkt zusätzlich ab und verhindern so Transportschäden.

Antistatische Schläuche: Dank ihrer Schlauchform ist diese ESD Folie an zwei Seiten verschlossen und verwandelt sich in einen praktischen Beutel, wenn man sie verschweißt.

Ableitfähige Abdeckhauben: In verschiedenen Größen erhältlich, eignen sie sich diese Hauben, um größere Objekte abzudecken. So bekommen zum Beispiel Paletten einen Extra-Schutz beim Transport.

ESD Schaumstoff: Dank geringer Dichte sind er superleicht und schützt empfindliche Komponenten nicht nur vor ESD, sondern auch vor Stößen. Einsteckschlitze fixieren das Produkt in der Verpackung.

ESD-Beutel und -Tüten: Beliebtes Aufbewahrungsmedium für kleinere Objekte, das man mit Heißversiegelung oder Druckverschluss ganz einfach verschließt.

Mylar-Beutel: Mylar ist der Handelsname für eine biaxial orientierte Polyesterfolie. Sie zeichnen sich durch ihre geringe Wasseraufnahme aus, wirken elektrisch isolierend und bieten einen guten Luftbarriereschutz.

Elektrostatische Spannungen werden durch Reibung aufgebaut. Dabei spielt die Luftfeuchtigkeit in der Umgebung eine nicht unerhebliche Rolle. Je höher die Luftfeuchtigkeit, desto schwieriger wird es, höhere Ladungsmengen zu erreichen. Zum Vergleich: Beim Arbeiten am Schreibtisch in Räumen mit relativ hoher Luftfeuchte (ca. 90 Prozent) entstehen elektrostatische Ladungen von ca. 100 Volt. Bei sehr trockener Luft (>20 Prozent) können schnell Spannungen von mehreren tausend Volt erreicht werden. Doch auch eine hohe Luftfeuchte gilt es nun aus offensichtlichen Gründen bei Arbeiten mit elektronischen Bauteilen zu vermeiden. In Reinräumen (s.u.) herrscht in der Regel eine Luftfeuchtigkeit von 45 Prozent, bei einer Raumtemperatur von 22 Grad Celsius. Gerade hier ist es daher enorm wichtig, umfassende Maßnahmen zur Verhinderung von elektrostatischen Aufladungen zu Ergreifen. Weitere Informationen zum Thema Luftfeuchte und wie man diese überwacht finden Sie in unserem Ratgeber zu Hygrometern.

Einige Produktionsverfahren erfordern eine besondere Umgebung, in der die Verunreinigung der Luft mit Partikeln möglichst gering ist. Solche Bereiche bezeichnet man als Reinraum, man findet sie in der Nanotechnologie, der Optik- und Lasertechnologie, der Luft- und Raumfahrttechnik, der biologischen und medizinischen Forschung sowie in der Lebensmittel- und Arzneimittelproduktion.

Um die Qualität eines Reinraumes zu beurteilen, misst man die Art und Menge der in der Luft befindlichen Partikel. Je nach Reinheitsgrad des Raumes ergeben sich verschiedene Reinraumklassen, die eine maximale Konzentration von Partikeln einer bestimmten Größe auf einem Kubikmeter Luft erlauben. Dabei ist es wichtig, stets unter konstanten Bedingungen zu messen, um die Werte vergleichbar zu machen. ISO, VDI oder GMP teilen Reinräume nach unterschiedlichen Kriterien in mehrere Klassen ein.

Ein sehr häufiger Einsatzbereich von ESD-Schutzmaßnahmen ist die Elektronik und Mikroelektronik, da hier empfindliche Halbleiter durch minimale Verunreinigungen oder elektrische Entladungen Schaden nehmen können. Ein solcher Reinraum muss deswegen auch effektiven ESD-Schutz bieten, der die elektrostatische Aufladung von Maschinen, Arbeitsplatz und Mitarbeitern verhindert. Die richtige Ausstattung hilft, gefährliche Spannungen abzuleiten, bevor sie kostspieligen Schaden anrichten.

Bis 2001 unterteilten sich Reinräume nach der „US FED STD 209E / 209D“ in die Klassen 1-100.000. Heute sind die folgenden drei Normen gültig:

ISO 14644-1: Je nach Konzentration luftgetragener Partikel teilt diese ISO-Norm Reinräume in insgesamt 9 Klassen ein, wobei Klasse 1 für den höchsten Reinheitsgrad steht. Man verwendet sie viel in der Halbleitertechnik.

VDI-Norm: Sie ergänzt die ISO-Norm um praktische Aspekte. Neben Reinheit spielen auch technische Anforderungen an Produktionsmittel, Mitarbeiter und Arbeitsplätze eine Rolle.

GMP-Leitfaden: Hat seinen Ursprung im Pharmabereich, findet aber auch in anderen Industriesektoren Anwendung. Nach der Menge luftgetragener und mikrobiologischer Partikel ergeben sich die vier GMP-Klassen für Reinräume. Klasse A zeigt dabei die höchste Reinheit an, Klasse D stellt die geringsten Anforderungen.