ESD: Definition, Abkürzung und Bedeutung einfach erklärt

ESD ist eine Abkürzung, der man im industriellen Umfeld häufig begegnet. Die drei Buchstaben stehen für „electrostatic discharge“ (elektrostatische Entladung).

Im Alltag hat wohl jede und jeder bereits spürbare Erfahrungen mit ESD gemacht – beispielsweise beim Berühren einer Türklinke aus Metall oder beim Händeschütteln. Dann bekommt man sprichwörtlich „eine gewischt“. Zunächst zur Definition von ESD: Eine solche elektrostatische Entladung erfolgt, wenn zwischen zwei unterschiedlich stark aufgeladenen Objekten ein unkontrollierter Ausgleich elektrischer Ladung stattfindet. Menschen nehmen diese Entladung erst ab der Schwelle von circa 3500 Volt wahr. Während eine solche Spannung für den Menschen unangenehm, aber ungefährlich ist, sieht es bei ESD-sensitiven (= ESDS: electrostatic discharge sensitive) Bauteilen ganz anders aus: Hier können bereits 5 Volt genügen, um eine Vorschädigung zu verursachen. Solche Schäden werden häufig erst spät bemerkt, was Folgen wie Reklamationen nach sich ziehen kann. Daher sollten sich Unternehmen, die entsprechende Bauteile produzieren oder weiterverarbeiten, intensiv mit ESD und entsprechenden ESD-Schutzmaßnahmen beschäftigen. Es kommt hier sowohl auf ein umfassendes Sicherheitskonzept als auch ESD-gerechte Komponenten an.

Wie entsteht ESD (elektrostatische Entladung) konkret?

Elektrostatische Aufladungen kommen sehr häufig vor. Diese entstehen, wenn zwei Materialien mit  unterschiedlichem elektrostatischen Potenzial gerieben oder getrennt werden. Es reicht aber auch, wenn sie einfach nur in Kontakt kommen. Man spricht hier auch vom triboelektrischen Effekt, der seinen Namen der triboelektrischen Reihe (siehe unten) verdankt. Ihr lässt sich entnehmen, wie stark und mit welcher Polarität Material aufgeladen wird. In anderen Worten: Es ist direkt ersichtlich, welche Materialien die Neigung besitzen, Elektronen abzugeben und sich positiv aufzuladen. Befinden sich also Materialien im positiven Bereich der triboelektrischen Reihe, dann geben sie im Falle einer elektrostatischen Aufladung Elektronen an Materialien im negativen Bereich ab. Am unteren Bereich der Reihe ist es genau umgekehrt.

Personen laden sich oft bereits auf, wenn sie einfach normal gehen: Währendessen reiben die Sohlen auf dem Boden, zumal sie bei jedem einzelnen Schritt vom Boden getrennt werden.

In industriellen Produkten werden zahlreiche dieser „positiven“ Materialien verwendet. Somit ist entsprechender Schutz bei der Herstellung und Handhabung von ESD-sensitiven Bauteilen von größter Dringlichkeit. Dabei ist zu beachten, dass eine Übertragung der Ladung ebenfalls über Material aus der unmittelbaren Umgebung erfolgen kann, das bereits aufgeladen ist. Personen laden sich oft bereits auf, wenn sie einfach normal gehen: Währendessen reiben die Sohlen auf dem Boden, zumal sie bei jedem einzelnen Schritt vom Boden getrennt werden. Bei diesen triboelektrischen Vorgängen entsteht eine Spannung, die über die Kleidung in den Körper gelangt und unter anderem in der Haut und den Haaren gespeichert wird. Isolierende Kleidungsstücke wie synthetische Gummi- und Kunststoffsohlen verstärken diesen Effekt zusätzlich. Normale Arbeitssschuhe bieten also keinen ausreichenden ESD-Schutz.

Bedeutung und Auswirkungen von ESD-Schäden für Unternehmen

Für die Beschädigung von elektronischen Bauteilen durch ESD sind vor allem die folgenden Fälle typisch: Entweder es kommt beim Kontakt von Mensch und Elektronik zur Entladung (etwa über die Hand und das Werkzeug) oder bei der Berührung von geladenen Bauteilen. Fast ausnahmslos alle Elektronik mit integrierten Schaltkreisen ist von der ESD-Gefahr betroffen. In ihnen ist nämlich eine Kombination aus zahlreichen miteinander verbundenen elektronischen Halbleiterbauelementen enthalten – beispielsweise Transistoren, Dioden und weitere aktive und passive Bauelemente. Aufgrund der mikroskopisch kleinen Leiterbahnen und Strukturen elektronischer Bauteile haben selbst die relativ geringen Spannungen, die bei ESD auftreten, verheerende Auswirkungen: Einen entsprechenden Spannungsausgleich kann man sich daher wie einen winzigen Blitzeinschlag vorstellen. Zudem findet hier eine zunehmende Miniaturisierung statt, mit der eine sinkende Belastbarkeit der Schaltkreise einhergeht. Die Bedeutung von ESD-Schutz wird in Zukunft also noch zunehmen.

Beispiel für die Folgen eines unentdeckten ESD-Schadens

Aufgrund der „Unsichtbarkeit“ von ESD fallen ESD-Schäden häufig erst sehr spät auf. Folgendes Beispiel ist realistisch: Beim Gang durch die Werkhalle hat sich im Körper einer Mitarbeiterin oder eines Mitarbeiters durch die Reibung zwischen Schuhen und Boden eine elektrostatische Aufladung von circa 1500 Volt aufgebaut. Sobald ein elektronisches Bauteil beim Verpackungsprozess berührt wird, kommt es zur unkontrollierten Entladung in die Elektronik. Hierbei wird eine der mikroskopisch kleinen Leiterbahnen in einem Chip beschädigt. Allerdings fällt dies überhaupt nicht auf, da die Spannung unterhalb von 3500 Volt lag, aber bereits eine Spannung von 50 Volt genügt, um Schäden anzurichten. Da die Leiterbahn nur leicht beschädigt wurde, ist sie noch für eine gewisse Zeit intakt. Während der Qualitätskontrolle fällt dieser Defekt daher auch nicht auf. Auch beim Kunden funktioniert zunächst alles tadellos.

Gerade Image- und Vertrauensverluste im Zusammenhang mit ESD-Schäden sind nicht zu unterschätzen.

Im Laufe der Zeit vergrößern die Stromimpulse im normalen Betrieb den ESD-Schaden kontinuierlich. Schließlich ist die Leiterbahn so weit beschädigt, dass es zu einem Kurzschluss kommt. Das entscheidende Problem besteht darin, dass der Schaden stark verzögert auftritt. Es kommt in einem sehr kritischen Produktionsmoment zum Ausfall. Bei solchen Schäden dauert es in der Regel rund 8 Stunden, bis das defekte Bauteil ermittelt und ausgetauscht wurde. Im Rahmen der Gewährleistung muss der Hersteller das Bauteil ersetzen, was für ihn zusätzliche Kosten bedeutet. Dies ist jedoch nicht die einzige Folge des ESD-Schadens: Zusätzlich hat das Vertrauen des Kunden in das Unternehmen deutlich abgenommen. Aus diesem Grund sieht er sich möglicherweise nach einem anderen Hersteller um. Gerade Image- und Vertrauensverluste im Zusammenhang mit ESD-Schäden sind nicht zu unterschätzen.

Electrostatic Protected Area (EPA)/ESD-Schutzone im Fokus

Es stellt sich also die Frage, wie sich Schäden durch ESD und ihre Folgen verhindern lassen. Dafür ist ein umfassendes ESD-Schutzkonzept notwendig. Dazu gehören auch die Bestimmung einer zentralen Person für die ESD-Koordination, die Schulung der Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern sowie regelmäßige Prüfungen der ESD-Schutzfunktion. Im kostenfreien Whitepaper „10 goldene Regeln im ESD-Schutz“ erfahren Sie im Detail, was ein ESD-Schutzkonzept ausmacht. An dieser Stelle beschränken wir uns auf die Electrostatic Protected Area (EPA), da sie die Grundsätze des ESD-Schutzes anschaulich aufzeigt. Nur in einem solchem Bereich, der auch als „ESD-Schutzzone“ bezeichnet wird, dürfen elektronische Bauteile gehandhabt oder montiert werden. Hier müssen alle eingesetzten Materialien ableitfähig und auf gleichem Potenzial geerdet sein. Auf diese Weise lassen sich elektrostatische Aufladungen und Potenzialunterschiede gezielt vermeiden. Grundsätzlich gibt es EPAs in verschiedenen Varianten – sie können aus einem einzelnen Arbeitsplatz, einer definierten Fläche oder sogar aus einem ganzen Gebäude bestehen.

Während in der UPA uneingeschränkter Zugang herrscht, ist nur geschultem Personal sowie unterwiesenen Besucherinnen und Besuchern mit Schutzausrüstung gestattet, eine EPA zu betreten.

Besonders praktisch: Im kostenfreien Arbeitsplatz-Konfigurator von item lässt sich die EPA für einen individuellen ESD-Arbeitstisch einfach definieren, woraufhin diese visualisiert wird. Bei der Platzierung von Komponenten, die nicht ESD-sicher sind, weist das Online Tool ausdrücklich darauf hin. Auch für das Gegenteil einer EPA gibt es übrigens eine Bezeichnung beziehungsweise Abkürzung: Unprotected Area (UPA). Während in diesem ungeschützten Bereich uneingeschränkter Zugang herrscht, ist nur geschultem Personal sowie unterwiesenen Besucherinnen und Besuchern mit Schutzausrüstung gestattet, eine EPA zu betreten. Die Handhabung ESD-sensitiver Bauteile ist geschulten Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern vorbehalten. Innerhalb der EPA sind spezielle Verpackungsregeln für ESD-sensible Bauteile zu beachten. Falls es prozesstechnische Gründe erfordern, innerhalb der EPA aufladbare Materialien zu verwenden, darf das von ihnen ausgehende elektrostatische Feld den Wert von 100 V/cm nicht übersteigen. Ansonsten ist eine Reduzierung der Feldstärke durch Zusatzmaßnahmen wie Ionisation oder Erhöhung der Luftfeuchtigkeit erforderlich.

Böden und Arbeitsschuhe gegen unkontrollierte elektrostatische Entladungen

Der ESD-Boden ist ein essenzieller Bestandteil jeder EPA beziehungsweise ESD-Schutzzone. Er ist leitfähig entsprechend geerdet, sodass elektrische Aufladungen sicher abgeleitet werden. Gemäß DIN EN 61340-5-1 ff besteht ein ESD-gerechter, fest installierter Boden aus verschiedenen Schichten. Durch mehrere Kupferbänder wird die Ableitung zur Erde erreicht. Unternehmen haben die Wahl zwischen fest installierten und temporären ESD-Böden. Beide haben jeweils Vor- und Nachteile: Ein permanenter Boden zeichnet sich durch eine lange Lebensdauer bei gleichbleibenden Eigenschaften und teilweise extreme Belastbarkeit aus, allerdings bei vergleichsweise hohen Preisen. Temporäre Böden sind erschwinglicher und ermöglichen es, in bereits eingerichteten Bereichen schnelle Anpassungen vorzunehmen. Gleichzeitig können sie nur gering belastet werden, zumal sie nur über eine eingeschränkte Lebensdauer verfügen. Es kommt hier also ganz auf die individuelle Situation an.

Häufig haben normale Schuhe, auch Arbeitsschuhe, die Wirkung von Isolatoren. Wer hingegen leitfähige Schuhe trägt oder Schuherdungsbänder einsetzt, verbindet den eigenen Körper leitfähig mit dem ESD-Boden.

Infolge seiner hohen Relevanz für den ESD-Schutz muss sich der ESD-Boden immer in einem perfekten Zustand befinden. Hierbei sollte beachtet werden, dass Reiniger und Pflegeprodukte auf Wachsbasis dafür ungeeignet sind. Arbeitsschuhe mit ESD-Schutz sind ebenfalls von entscheidender Bedeutung. Wenn nämlich Personen auf leitfähigen und geerdeten ESD-Böden darauf keinen elektrischen Kontakt haben, stellt sich die beabsichtigte Wirkung nicht ein. Häufig haben normale Schuhe, auch Arbeitsschuhe, die Wirkung von Isolatoren. Wer hingegen leitfähige, ESD-gerechte Schuhe trägt oder Schuherdungsbänder einsetzt, verbindet den eigenen Körper leitfähig mit dem ESD-Boden. Dadurch werden Aufladungen während des Gehens sicher abgeleitet. Die elektrische Verbindung des Personals über die Arbeitsschuhe gilt es täglich zu überprüfen. Bei dieser Aufgabe kommen Personnel Grounding Tester (PGT) zum Einsatz.

Spezielle Produkte für den Einsatz in der EPA

Was generell für die EPA gilt, ist natürlich auch für die Arbeitsplätze in diesem Bereich verpflichtend: Aufladbare Materialien dürfen, soweit möglich, im Handhabungsbereich nicht verwendet werden. Für den Fall, dass Telefone oder IT-Terminals unbedingt erforderlich sind, führt an Sicherheitsabständen zum Handhabungsbereich kein Weg vorbei. Generell sollte der gesamte Arbeitsbereich ableitfähig und geerdet sein. Besonders gilt dies für:

• Arbeitstische
• Arbeitsstühle
• Unterschränke
• Schubladen
• Regale
• Transportwagen

ESD-Arbeitstische von item beispielsweise sind mit einer volumenleitfähigen Tischplatte ausgestattet. In einer ESD-Tischplatte wird Volumenleitfähigkeit durch die Verwendung einer Spanplatte und die Beimengung von Grafitpulver erreicht. Die Deckschicht der Tischplatte ist ebenfalls komplett volumenleitfähig, was durch Partikel bewirkt wird, die auf Kohlenstoff basieren. Für die Handhabung in kleinen Bereichen eignen sich auch ESD-Tischauflagematten. Bei der Arbeit an einem ESD-Arbeitsplatz sollte zudem ein ESD-Armband für die Personenerdung getragen werden. Ganz gleich, ob Tischplatte oder Zubehör: Über das Tischgestell werden alle Komponenten mit der Erde verbunden.

Werkzeuge wie Schraubendreher, Lötkolben oder Messgeräte kommen direkt mit ESD-sensitiven Bauteilen in Berührung.

Auch Greifschalen, Lagerkisten, Abdeckungen und Werkzeuge sollten aus einem ableitfähigen Material bestehen. Werkzeuge wie Schraubendreher, Lötkolben oder Messgeräte kommen direkt mit ESD-sensitiven Bauteilen in Berührung. Wenn sie ableitfähig sind, kann eine Aufladung kontrolliert abfließen. Bei Bürostühlen ist es übrigens ähnlich wie bei normalen Arbeitsschuhen: Aus der Sicht des ESD-Schutzes stellen sie einen erheblichen Risikofaktor dar. Durch die große Zahl an verwendeten Materialien sind Bürostühle häufig nicht ableitfähig. Für die Arbeit in einer ESD-Schutzzone ist in DIN EN 61340-5- 1:2009; Teil 5-1 (Beiblatt 1) daher vogeschrieben, dass nur elektrostatisch schützende Sitzgelegenheiten (Stühle) eingesetzt werden dürfen.

ESD-gerechte Wagen für Transport und Materialbereitstellung

Reibung und Bewegung, wohin man blickt: Gerade beim Transport und bei der Lagerung ist der Schutz elektronischer Bauteile wichtig. Mit speziellen Abschirmverpackungen, entsprechenden Behältern und vor allem durch ableitfähige Transport- und Bereitstellwagen lässt sich hier ESD-Schutz gewährleisten. Für eine ableitfähige Auslegung ist die Profil- und Verbindungstechnik von item generell optimal geeignet, da sie aus Aluminium besteht. Zudem sind zahlreiche Komponenten verfügbar, die direkt für den Schutz vor unkontrollierten elektrostatischen Entladungen entwickelt wurden. Durch Zubehör wie ESD-Schleppketten oder antistatische Rollen sind Transportwagen zusätzlich abgesichert. Grundsätzlich werden ESD-gerechte Arbeitsplätze und Betriebsmittel von item vor der Auslieferung einer Kontrollmessung zur Überprüfung der Ableitfähigkeit unterzogen.

Wichtige Abkürzungen im Bereich ESD-Schutz auf einen Blick

ESD | Electrostatic discharge: Elektrostatische Entladung
ESDS | Electrostatic discharge sensitive: ESD-sensibel
EPA | Electrostatic Protected Area: ESD-Schutzzone
UPA | Unprotected Area: Ungeschützter Bereich

Kostenfreies Wissensarchiv über ESD-Schutzmaßnahmen

Seit den Anfangstagen gehören Themen rund um Arbeitsplatzgestaltung in der Montage fest zum item Blog. In der umfangreichen Blog-Kategorie „Montagearbeitsplatz-Systeme“ finden Sie alle Beiträge im Überblick. Dort gibt es auch mehrere ESD-Themen, auch zur EPA-Funktion im Arbeitsplatz-Konfigurator. Darüber hinaus können Sie auf einer Spezialseite insgesamt 4 kostenfreie Inhalte im PDF-Format downloaden:

• ESD-Schutz: Grundlagen einfach erklärt
• ESD-Arbeitstisch: Sicher, einfach und schnell geplant
• ESD-Schutzmaßnahmen für die Industrie
• ESD-Schutz – Sichtbarer Schutz gegen unsichtbare Gefahren
• ESD-Schaden feststellen – mit dem Elektronenmikroskop
• ESD-Tische revolutionär einfach online konfigurieren
• Vier PDFs im ESD-Mediacenter: 10 goldene Regeln, ESD-Grundlagen, Einrichtung einer Electrostatic Protected Area, ESD-Schutzkonzept in der Umsetzung

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