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Socke

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Registrierungsdatum: 23. März 2014

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Donnerstag, 28. Juli 2016, 18:09

[ESD] Electrostatic Discharge

Hallo WMI,
in diesem "How To" möchte ich den Umgang mit elektronischen Bauteilen und Leiterplatten im Bezug auf ESD beschreiben und dem ein oder anderen das Thema etwas näher bringen.
Dieser Beitrag basiert auf meinen Wissen und den Schulungsmaterialien aus meiner Ausbildung.

Was ist ESD?

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Schauen wir doch glatt mal wie Wikipedia "ESD" definiert:
Elektrostatische Entladung (engl. electrostatic discharge, kurz ESD) ist ein durch große Potentialdifferenz (Spannung) entstehender Funke oder Durchschlag, der an einem elektrischen Gerät einen kurzen, hohen elektrischen Strom- und Energieimpuls bewirkt.

Oder anders gesagt ESD beschreibt die Vorgänge und Auswirkungen beim Ausgleich von elektrischen Ladungen zwischen zwei Körpern.
Des Weiteren lässt sich sagen, dass sich die elektrostatische Aufladung in der Regel erst bemerkbar macht, wenn es zum Ladungsausgleich zwischen zwei Körpern kommt.


Wo und Wie?

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Das Thema "ESD" begleitet uns alle Täglich auch wenn wir es vielleicht nicht wissen oder merken.
Hier ein paar Beispiele um zu verdeutlichen wo uns ESD im Alltag begegnet.

- elektrischer Schlag beim Berühren von Türgriffen
- elektrischer Schlag beim Aussteigen aus dem Auto
- sichtbare Funken und Knistern beim Ausziehen von Kleidung



Die elektrostatische Aufladung

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Wie entsteht die elektrostatische Aufladung von Körpern bzw. Bauteilen?
Generell unterscheidet man 3 Möglichkeiten, wie sich Körper bzw. Bauteile elektrostatisch aufladen können.

- Kontaktladung

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Um ein Material elektrostatisch aufladen zu können, müssen Ladungen getrennt werden.
Dazu ist ein Kontakt und die anschließende Trennung von Materialien notwendig.

Beim Kontakt zweier unterschiedlicher Materialien fließen Elektronen von einem Material in das Andere.
Dadurch lädt sich ein Material positiv und das andere Material negativ auf.

Beispiel:
Ein IC rutscht über eine Metallschiene in den Bestückungsautomaten


Einflussfaktoren:
- Materialeigenschaften
- Oberfläche und Materialien
- Geschwindigkeit des Trennvorgangs

Der Kontakt und die anschließende Trennung erzeugen überwiegend beim Zusammentreffen von
Metall und Kunststoff oder Kunststoff und Kunststoff elektrostatische Ladungen.

- Verbleibende Ladung

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Beim Trennvorgang ist es nicht möglich, alle Kontaktstellen gleichzeitig zu unterbrechen.
Deshalb findet über die letzten noch vorhandenen Kontaktstellen ein Ladungsaustausch statt.
Bestimmt durch den Oberflächenwiederstand und die Ladungskapazität ergibt sich die Zeitkonstante T(tau)=R*C
Bei gut leitfähigen Stoffpaarungen wird während der Trennung der Körper die Ladung ausgeglichen.
Bei schlecht leitfähigen bzw. isolierenden Stoffpaarungen kommt es zu keinem oder nur geringem Ladungsausgleich.
Die Körper behalten die erzeugte Kontaktladung.

Man spricht deshalb von verbleibender Ladung


Beispiel:
Ein IC wird aus einem Messsockel gezogen.


Einflussfaktoren:
- Materialeigenschaften
- Oberfläche der Materialien
- Luftfeuchtigkeit
- Verunreinigung durch Fremdstoffe

- Aufladung durch Influenz

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Jeder aufgeladene Körper ist von einem elektrischen Feld umgeben.
Bei Annäherung eines aufgeladenen Körpers an eine neutrale Baugruppe erzeugt das den Körper umgebende Feld
in den leitfähigen Strukturen eine Ladungsverschiebung.






Entladung

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Welche Entladungsarten gibt es?
Hauptsächlich unterscheidet man 3 Möglichkeiten, wie sich Körper bzw. Bauteile elektrostatisch entladen können.

- Human Body Model (HBM)

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HDM-Entladungen treten auf, wenn der aufgeladene Mensch sich über die leitfähigen Strukturen des Bauelements entlädt.

Schäden werden durch definierte Ableitmaßnahmen am Menschen und am Arbeitsplatz verhindert.

- Manchine Model (MM)

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MM-Entladungen treten auf, wenn aufgeladene Anlagenteile mit dem Bauelement in Kontakt kommen.

Schäden werden durch gezielte "weiche" Entladungen über leitfähige Materialien oder durch Ionisation verhindert.

- Charged Device Model (CDM)

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CDM-Entladungen treten auf, wenn aufgeladene Bauteile mit leitenden Teilen der Fertigungsausstattung (Werkzeug usw.) in Kontakt kommen.

Schäden werden durch gezielte "weiche" Entladungen über leitfähige Materialien oder durch Ionisation verhindert.



ESD-Schutz

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Wie man in den vorherigen Abschnitten sehen konnte ist das Thema ESD allgegenwertig und nicht zu unterschätzen gerade für Firmen.
Aber auch im privaten Bereich sollte man sich mit dem ESD-Schutz befassen, gerade wenn viel an PCs und elektronischen Geräten arbeitet und bastelt wie wir. :thumbup:

Warum wird überhaupt ESD-Schutz betrieben?

Der Mensch merkt oftmals nicht, dass er Bauteile beschädigt oder sogar zerstört.
Die Wahrnehmungsschwelle liegt bei ca. 3000V.
Bauteile wie IC's, MOSFET's, Laserdioden uvm. werden schon weit unter dieser Schwelle beschädigt oder zerstört.
ESD-Ausfälle treten nicht immer sofort auf, meist treten Probleme erst nach einiger Zeit auf bzw. verkürzen die Lebensdauer von Bauteilen und Platinen.

Ein ESD-Schutz innerhalb einer Baugruppe ist nur begrenzt umsetzbar und deshalb sind externe Schutzmaßnahmen unbedingt erforderlich.

Wie kann ich ESD Schäden vermeiden?
Drei Maßnahmen die von der Industrie zur Vermeidung von ESD-Schäden durchgeführt werden sind.

- ESD gerechte Raumausstattung

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Zur Raumausstattung zählen Fußböden sowie alle Einrichtungsgegenstände (z.B. Tische, Stühle, Schränke, Wägen).
Die so eingerichteten Bereiche nennt man EPA (ESD Protected Area)
Hier können elektrostatisch gefährdete Bauteile ohne das Risiko von Entladungen hergestellt, verarbeitet und gelagert werden.

ESD geschützte Einrichtungsgegenstände sind mit dem ESD-Symbol gekennzeichnet


- persönliche Schutzausrüstung

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Zur persönlichen Schutzausrüstung zählen
- ableitfähiges Schuhwerk (Schuhe, Fersen oder Sohlenbänder)
- ableitfähige Bekleidung (Mantel, Poloshirt, T-Shirt)
- Handgelenkbänder

Auch die ESD gerechte persönliche Schutzausrüstung ist mit dem ESD-Symbol gekennzeichnet

- ESD gerechte Verpackungen

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Transport und Lagerung von Bauelementen oder Baugruppen nur in ESD tauglichen Behältnissen.
Transportverpackungen sollen hauptsächlich 3 Bedingungen erfüllen:
- Schäden durch elektrostatische Entladungen verhindern
- Der Verpackungsinhalt darf sich nicht elektrostatisch aufladen
- Verpackungen dürfen keine Ladungen in die EPA importieren


Im privaten Bereich wäre diese Umsetzung von ESD-Schutz nur unter großem Aufwand möglich.
Wie kann ich also trotzdem etwas zum Schutz der Bauteile beitragen und Schäden verhindern?

-> Bauteile und Platinen nicht mit Druckluft reinigen
-> Vor dem Anfassen von Bauteilen und Platinen kurz z.B. an den Heizkörper(diese sind im Normalfall geerdet) fassen um sich zu Entladen.
-> Teppichboden am Arbeitsplatz vermeiden, um die Gefahr der elektrostatischen Aufladung zu minimieren.
-> Wer viel lötet oder Arbeiten an Platinen durchführt sollte sich eine ESD Matte mit Handgelenkband für den Arbeitsplatz kaufen z.B. diese