Wie wir bereits in einem begleitenden Artikel zu diesem Thema besprochen haben, ist ESD die schnelle Entladung einer statischen elektrischen Ladung von einem Objekt zu einem anderen auf ihrem Weg zur Erde. Diese Entladung elektrischer Kraft kann erhebliche Schäden an elektronischen Bauteilen verursachen, die deren Leistung beeinträchtigen oder zu einem vollständigen Geräteausfall führen können. Die Empfindlichkeit des empfangenden Objekts und die Höhe der elektrischen Entladung bestimmen das Ausmaß des entstandenen Schadens. 

Es gibt Strategien und Produkte, die den ESD-sicheren Umgang mit Bauteilen entlang der gesamten Lieferkette adressieren – von der Produktion über Lagerung, Versand und Einbau bis hin zu Test und Reparatur. Jede Diskussion darüber, wie Probleme vermieden werden können, die entstehen, wenn elektronische Bauteile einem ESD-Ereignis ausgesetzt werden, sollte das Thema auf Bauteilebene, Platinenebene und Umgebungsebene betrachten. In diesem Artikel werden wir auf jede dieser Ebenen eingehen, wobei zu bedenken ist, dass ESD als Naturkraft zwar kontrolliert, eine vollständige Beseitigung jedoch nur schwer erreicht werden kann.

Eine ESD-Strategie festlegen

Unabhängig von der Größe Ihres Betriebs – vom Schaltungsdesign auf der Werkbank bis zur Endfertigung – sollte ESD-Prävention ein durchgängiges Thema sein. Dies beginnt mit dem Verständnis Ihres Schutzbedarfs durch eine Risikobewertung, der Erstellung eines Plans zur Erfüllung Ihrer Anforderungen, der Auswahl geeigneter ESD-Schutzgeräte oder -Systeme, der Einrichtung einer ESD-freien Arbeitszone sowie der Planung, Ihre Lösung als fortlaufendes und verbindliches Protokoll zu etablieren.

Bei Ihren Bemühungen, ESD-Schäden in Ihrer Arbeitsumgebung einzudämmen – ob groß oder klein –, kann Ihnen auch der Standard ANSI/ESD S20.20-2021 als Orientierung dienen, Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment, der potenzielle ESD-Risiken und Minderungsstrategien beschreibt. 

Bauteilfaktoren

Viele moderne elektronische Bauteile besitzen von Natur aus eine gewisse Toleranz gegenüber ESD oder anderen Überspannungsereignissen. Anders ausgedrückt: Manche Bauteile sind anfälliger als andere. Die zur Herstellung eines Bauteils verwendeten Materialien können Schutz bieten, daher kann es sinnvoll sein, dieses Thema frühzeitig mit Ihrem Bauteillieferanten zu besprechen. Die Ingenieure eines autorisierten Bauteildistributors wie OnlineComponents.com können hierbei wertvolle Unterstützung leisten.

In der Entwurfsphase kann die einfache Auswahl robuster, ESD-resistenter Bauteile spätere Probleme verhindern. Die Eliminierung oder der Austausch übermäßig empfindlicher Bauteile mag zwar wie eine einfache Lösung klingen, kann aber auch dazu führen, dass die Gesamtsystemkosten oder der letztendliche Produktpreis über ein für Ihr Budget akzeptables Niveau hinaus ansteigen.

Platinenfaktoren

Sobald Sie die ESD-anfälligen Bauteile in Ihrem Design identifiziert und behandelt haben, kann der nächste Schritt die parallele Entwicklung einer eingebauten ESD-Schutzschaltung im System sein, um die Bauteile zu schützen, die nicht ersetzt werden können. Diese Schaltungen verwenden Bauelemente wie Sperrdioden, Varistoren, Transientenspannungsschutzdioden oder Sicherungen, um Energie zu einem Erdungsnetzwerk abzuleiten oder Energie über ein rücksetzbares oder verbrauchbares Bauteil zu absorbieren, bevor ein Schaden entsteht.

Es ist erwähnenswert, dass ESD-Impulse extrem schnell sind, mit Anstiegszeiten im niedrigen Nanosekundenbereich. Alle in einer Schutzschaltung eingesetzten Bauteile müssen ausreichend schnelle Reaktionszeiten bieten, um auf diese Entladungen zu reagieren. ESD-Unterdrückungsbauteile wie mehrschichtige Varistoren und Unterdrücker auf Polymerbasis können ebenfalls dazu beitragen, ESD-Spannungen auf akzeptable Grenzwerte zu reduzieren.  

Eine Schutzschaltung auf Platinenebene kann zwar nützlich sein, es ist jedoch wichtig zu bedenken, dass sie nur während des Betriebs Ihres Designs nach der Fertigung funktioniert und Ihrem Produkt erhebliche zusätzliche Produktionskosten verursachen kann. Darüber hinaus müssen Sie sich weiterhin mit den Problemen befassen, die während der Produktion, Prüfung, des Versands sowie der Reparatur/Nacharbeit des Produkts auftreten können – also mit dem, was wir als Umgebungsfaktoren bezeichnen.

Umgebungsfaktoren

Zu dieser Kategorie zählen wir jene Einflüsse außerhalb der Bauteilauswahl und des Schaltungsdesigns, die sich auf ESD-Probleme auswirken können. Umgebungsfaktoren haben den größten Einfluss auf elektrostatischen Aufbau und Entladung. Die Minderung oder Vermeidung dieser Einflüsse kann je nach Bedarf von einfachen bis hin zu komplexen Lösungen reichen.

Zu diesen Faktoren zählen niedrige Luftfeuchtigkeitswerte in der Produktions- oder Nutzungsumgebung, die Fähigkeit, mit vagabundierenden statischen Ladungen vor einer möglichen Entladung umzugehen, die Trenngeschwindigkeit zwischen Objekten während der Fertigung, durch Mitarbeiter verursachter statischer Aufbau, die Abschirmung empfindlicher Bauteile oder Platinen vor ESD während des Transports sowie die Ansammlung statischer Ladung auf anderen Objekten als Bauteilen, einschließlich Personen.  

Die Liste der verfügbaren Produkte, Materialien, Systeme und Ausrüstungen, die direkt mit der ESD-Prävention von der Werkbank bis zur Fabrikhalle zusammenhängen, ist umfangreich, und die Auswahl dessen, was Sie benötigen, kann eine Herausforderung darstellen. Hier ist eine kurze Liste einiger Lösungen, die Sie in Betracht ziehen sollten:

• Leitfähige Luftpolsterfolie, Kunststoffbeutel und Behälter für Transport, Lagerung und Versand
• Abgeschirmte Boxen, Schaumstoffbögen und Klebeband (sowie Spender) für den Versand
• Erdungsmatten, Handgelenkbänder und Kabel, die statische Aufladung für Arbeitsbereiche zur Erde ableiten
• Konforme Schreibtische und Arbeitsplätze für Montagevorgänge
• ESD-resistente Kleidung, Schuhe und Handschuhe für Techniker oder Außendienstpersonal
• Ionisatoren für die ESD-Kontrolle in Raumgröße
• Ionisierungs-Luftpistolen und Gebläse zum Entfernen statischer Ladungen von Oberflächen oder Bauteilen
• Antistatische oder leitfähige Bodenfliesen, Teppiche und Matten zur Widerstandsfähigkeit oder Kontrolle des statischen Aufbaus im gesamten Arbeitsbereich
• Chemikalien und Behandlungen zur Oberflächenreinigung zur Reduzierung der Erzeugung statischer Ladung 
• Leitfähige Farben und Beschichtungen zur Vermeidung schädlichen statischen Aufbaus
• Monitore und Prüfgeräte zur Bewertung von ESD-Gefahren

Und die Liste ließe sich noch fortsetzen. Es versteht sich fast von selbst, dass es für jeden spezifischen Bedarf, statischen Aufbau oder ESD-Ereignisse zu verhindern, eine Lösung gibt – egal wie groß oder klein. Die meisten ESD-Managementmaßnahmen werden individuell auf die jeweiligen Bedürfnisse zugeschnitten, was Ihnen eine weitere Gelegenheit bietet, die Produktwissensdatenbank Ihres autorisierten Bauteildistributors zu nutzen.

Unsere Freunde von CircuitBread, die sich auf Inhalte zur Schulung und Weiterbildung neuer und erfahrener Elektronikingenieure konzentrieren, behandeln auf ihrer Website ebenfalls einige Grundlagen zu Erdung und Schaltungsschutz, die Sie hier finden können: How Do I Prevent Electrostatic Discharge (ESD) From Ruining my Parts?

Ein Wort zu ESD-Protokollen

Jedes ESD-Präventions- oder Minderungssystem bietet nur begrenzten Schutz, sofern nicht alle seine einzelnen Komponenten – von Handgelenkbändern bis hin zu Abschirmprodukten – kontinuierlich in Bereichen eingesetzt werden, in denen sich empfindliche Bauteile befinden. Ein Handgelenkband nützt nichts, wenn es nicht an ein Erdungsnetzwerk angeschlossen ist. Ähnlich wie bei Virenschutzprotokollen im Bereich der öffentlichen Gesundheit dürfen ESD-Maßnahmen nicht einmalig umgesetzt und dann vergessen werden. Ein einziger Funke genügt.  

Zusammenfassung

Elektrostatische Aufladung und ihre plötzliche Entladung sind keine neuen Phänomene, doch die negativen Auswirkungen, die sie auf elektronische Bauteile und Systeme haben können, nehmen weiter zu, da Produkte zunehmend komplexer und kompakter werden. Das Verständnis der Auswirkungen von ESD entlang der gesamten Lieferkette sowie die kontinuierliche Umsetzung des Einsatzes von ESD-Produkten zusammen mit Produktionsprotokollen können dazu beitragen, schockierende Ergebnisse auf ein Minimum zu reduzieren.