Eine elektrostatische Entladung (ESD) ist die plötzliche Freisetzung statischer elektrischer Energie von einem Objekt zur Erde, zwischen zwei Objekten oder zwischen einem Objekt und einer Person. Solange zwischen zwei leitfähigen Körpern ein unterschiedliches elektrostatisches Potenzial besteht, kann es zu einer Entladung kommen. Bevor wir jedoch weitermachen, wollen wir kurz auf einige Grundlagen der statischen Elektrizität eingehen.

Was ist statische Elektrizität

Grundlegende Lehrbücher erklären in der Regel, dass statische Elektrizität durch ein Ungleichgewicht zwischen positiven und negativen Ladungen in Objekten oder Materialien entsteht. Dies wird typischerweise durch den Kontakt und die Trennung (oder Bewegung) eines Materials gegenüber einem anderen verursacht, wodurch negative Ladungen bzw. Elektronen zwischen den Materialien übertragen werden. Das Material, das Elektronen verliert, wird positiv geladen, während das Material, das Elektronen aufnimmt, negativ geladen wird. Dieses Ungleichgewicht erzeugt ein messbares elektrisches Feld, das andere Objekte beeinflussen kann. 

Während sich die verschobenen Elektronen auf der Oberfläche des empfangenden Objekts ansammeln können, bleiben sie in der Regel unbeweglich, bis sie freigesetzt bzw. entladen werden. Somit haben wir eine elektrische Ladung, die sich in Ruhe befindet – mit anderen Worten „statische“ Elektrizität.

Diese Entstehung einer statischen elektrischen Ladung wird als triboelektrische Aufladung bezeichnet. Die statische elektrische Ladung wird in Coulomb gemessen. Ein Coulomb (C) ist eine Einheit der elektrischen Ladung im Internationalen Einheitensystem (SI), die der Elektrizitätsmenge entspricht, die von einem Strom von einem Ampere in einer Sekunde geliefert wird. Häufiger wird die statische Ladung jedoch als elektrische Feldstärke bzw. Oberflächenspannung des gemessenen Materials ausgedrückt.

Die triboelektrische Aufladung kann sich in gewissem Maße auf fast alle Materialien auswirken, einschließlich Wasser- und Rußpartikeln in der Atmosphäre sowie auf den menschlichen Körper. Sowohl Sie als auch Ihr Hund oder Ihre Katze können dies gemeinsam erleben, indem Sie sich einfach berühren, nachdem Sie an einem trockenen Wintertag über einen Teppich gelaufen sind.

Das Problem mit ESD

Wie bereits erwähnt, können sich statische Ladungen auf der Oberfläche eines Objekts aufbauen, bis die Bedingungen für ihre Freisetzung bzw. plötzliche Entladung gegeben sind. ESD ist der schnelle Transfer elektrostatischer Ladung von einem Objekt zu einem anderen. Im Grunde tritt ESD auf, wenn ein geladener Körper plötzlich elektrisch neutral wird. Die Menge dieser übertragenen Ladung wird durch die Eigenschaften der Materialien, aus denen die Objekte bestehen, die Kontaktfläche zwischen ihnen, die relative Luftfeuchtigkeit sowie die Geschwindigkeit der Objekttrennung und weitere Faktoren beeinflusst.

Die übertragene Ladung fließt typischerweise als Funke zwischen den beiden leitfähigen Objekten, wenn sie sich einander nähern. Dieser Effekt ist seit Hunderten von Jahren bekannt und kann bei mangelnder Kontrolle zu ernsthaften Problemen führen. Militärs verwenden beispielsweise seit Jahrhunderten Geräte und Materialien wie Pulverflaschen aus Messing, um zu verhindern, dass ESD im Feld versehentlich Schießpulver entzündet. 

Neben der Herstellung von Munition und Sprengstoffen können statische Ladung und ESD auch Vorgänge in der Pharmaindustrie, der Petrochemie, der Textilindustrie, der Lackierung, der Kunststoffindustrie, dem Druckgewerbe und vielen anderen Bereichen beeinträchtigen. Die Entwicklung und fortschreitende Miniaturisierung moderner elektronischer Geräte hat zudem die negativen Auswirkungen von ESD auf allen Ebenen der Elektronik-Lieferkette verstärkt. Dies kann sich negativ auf Produktausbeute, Kosten, Qualität, Zuverlässigkeit und letztlich auf die Rentabilität auswirken. 

Auswirkungen von ESD auf Elektronik

ESD kann viele verschiedene elektronische Bauteile beschädigen, sodass sie die veröffentlichten Spezifikationen nicht mehr erfüllen oder sogar vollständig ausfallen. Anfällige Bauteile reichen von einfachen Dioden bis hin zu teuren integrierten Schaltkreisen (ICs). ESD-Spannungen können von wenigen Volt bis zu Kilovolt reichen, aber auch Entladungen von 100V oder weniger können Probleme verursachen. Wenn man bedenkt, dass man allein durch das Aufheben einer Plastiktüte von einer Werkbank 1.200 bis 20.000 Volt erzeugen kann, wird das Ausmaß des Problems deutlich.

Bei IC-Bauteilen kann der ESD-Stromfluss Löcher in Chips brennen und Kontakt- sowie Schnittstellenschäden sowie Durchbrennen verursachen. Schäden durch ESD können zudem die Wärmeentwicklung in ICs erhöhen und thermische Schäden an benachbarten Bauteilen auf der Platine verursachen.

Der Aufbau einer statischen Ladung auf einem Gerät bedeutet auch, dass sich um es herum ein elektrostatisches Feld und Feldlinien bilden. Andere leitfähige Geräte, die sich diesem Feld nähern, können durch Induktion polarisiert werden. Tritt ein weiteres ESD-empfindliches Gerät geerdet in das Feld ein, kann es zu einem Ladungstransfer kommen.

ESD-Schäden an empfindlichen Bauteilen werden typischerweise durch Entladung von einem Material oder einer Person auf ein anfälliges Gerät, durch Entladung von einem anfälligen Gerät selbst oder durch feldinduzierte Ladungen verursacht. Ob ein Schaden auftritt, hängt davon ab, ob das anfällige Gerät der betreffenden Spannung standhalten kann oder in der Lage ist, die Energie der Entladung abzuleiten. Einige der aktuellen ESD-Präventions- und Minderungslösungen behandeln wir in einem separaten Artikel.

Arten von durch ESD verursachten Bauteilschäden

Zu den Arten von Bauteilschäden, die durch ein ESD-Ereignis verursacht werden können, gehören:

• Parametrische Ausfälle – wenn ein ESD-Ereignis einen oder mehrere der angegebenen Leistungsparameter des betroffenen Bauteils verändert, das Bauteil dadurch aber nicht funktionsunfähig wird.
• Katastrophaler Ausfall – tritt auf, wenn ein ESD-Ereignis das anfällige Bauteil vollständig beschädigt und es funktionsunfähig macht.
• Latente Schäden – ESD-Bauteilschäden, die durch Messung oder Sichtprüfung nicht erkannt werden, aber aufgrund der Betriebsbelastung des Bauteils und der verkürzten Lebensdauer letztlich zu einer Verschlechterung und einem Ausfall des Geräts führen können.

Weitere Informationen

Unsere Freunde von CircuitBread bieten viele nützliche Informationen zum Umgang mit elektronischen Bauteilen, einschließlich Erdung und Schaltungsschutz. Ihre Inhalte finden Sie unter www.circuitbread.com. Wir empfehlen außerdem, sich anzusehen, was CircuitBread zu diesem Thema zu sagen hat: What is Electrostatic Discharge?

Sie können Ihr Wissen über ESD auch mit unserem Artikel „How to Prevent Electrostatic Discharge“ vertiefen, der auf dieser Website verfügbar ist. 

Zusammenfassung

Praktisch alle Materialien sowie der Mensch können eine statische Ladung aufbauen, die bei plötzlicher Freisetzung Objekte beschädigen kann. Die Höhe dieser Ladung wird durch die Zusammensetzung der Materialien, die Geschwindigkeit ihres Kontakts und ihrer Trennung, die Luftfeuchtigkeit und andere Faktoren bestimmt. 

ESD kann Geräte, einschließlich elektronischer Bauteile, beschädigen. Dieser Schaden kann an jedem Punkt der Lieferkette auftreten – von der Herstellung über die Prüfung, Handhabung und den Versand bis hin zum Einbau in ein anderes System oder eine andere Dienstleistung im Feld. Dieser Schaden kann kostspielig sein, nicht nur im Hinblick auf die beschädigten Bauteile selbst, sondern auch hinsichtlich der Reparatur und Nachbearbeitung der Platine, zu der sie gehören. Die Anfälligkeit für ESD kann je nach Bauteiltyp stark variieren. ESD-Präventions- und Minderungsverfahren sowie -systeme sind hilfreich und werden in einem weiteren Artikel auf dieser Website behandelt.