Elektrostatische ontlading (ESD) is het plotselinge vrijkomen van statische elektrische energie van een object naar de aarde, tussen twee objecten, of tussen een object en een persoon. Zolang er een verschillend elektrostatisch potentiaal bestaat tussen twee geleidende lichamen, kan een ontlading optreden. Voordat we verder gaan, laten we echter kort enkele fundamenten van statische elektriciteit bespreken.

Wat is statische elektriciteit

Elementaire leerboeken stellen doorgaans dat statische elektriciteit optreedt als gevolg van een onbalans tussen positieve en negatieve ladingen in objecten of materialen. Dit wordt doorgaans veroorzaakt door het contact en de verwijdering (of beweging) van het ene materiaal tegen het andere, wat resulteert in de overdracht van negatieve ladingen, of elektronen, tussen de materialen. Het materiaal dat elektronen verliest, wordt positief geladen, en het materiaal dat elektronen opneemt, wordt negatief geladen. Deze onbalans produceert een meetbaar elektrisch veld dat andere objecten kan beïnvloeden. 

Hoewel de verplaatste elektronen zich kunnen opstapelen op het oppervlak van het ontvangende object, blijven ze meestal stationair totdat ze worden vrijgegeven, of ontladen. Zo hebben we een elektrische lading die in rust is, of, met andere woorden, “statische” elektriciteit.

Het ontstaan van een statische elektrische lading wordt tribo-elektrische lading genoemd. Statische elektrische lading wordt gemeten in coulombs. Een coulomb (C) is een eenheid van elektrische lading in het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) die gelijk is aan de hoeveelheid elektriciteit die wordt geleverd door een stroom van één ampère gedurende één seconde. Vaker wordt statische lading echter uitgedrukt als de sterkte van het elektrische veld, of de oppervlaktespanning, van het gemeten materiaal.

Tribo-elektrische lading kan bijna alle materialen tot op zekere hoogte beïnvloeden, inclusief water- en roetdeeltjes in de atmosfeer, evenals het menselijk lichaam. Zowel u als uw hond of kat kunnen dit samen ervaren door elkaar simpelweg aan te raken nadat u op een droge winterdag over een vloerkleed heeft gelopen.

Het probleem met ESD

Zoals we al zeiden, kunnen statische elektrische ladingen zich opbouwen op het oppervlak van een object totdat de omstandigheden ontstaan waarbij ze worden vrijgegeven, of plotseling ontladen. ESD is de snelle overdracht van elektrostatische lading van het ene object naar het andere. In principe treedt ESD op wanneer een geladen lichaam plotseling elektrisch neutraal wordt. De hoeveelheid overgedragen lading wordt beïnvloed door de eigenschappen van de materialen waaruit de objecten bestaan, het contactoppervlak tussen hen, de relatieve luchtvochtigheid en de snelheid waarmee de objecten van elkaar worden gescheiden, naast andere factoren.

De overgedragen lading stroomt doorgaans via een vonk tussen de twee geleidende objecten wanneer ze elkaar naderen. Dit effect is al honderden jaren bekend en kan tot serieuze problemen leiden als het niet wordt beheerst. Zo hebben legers eeuwenlang apparaten en materialen gebruikt, zoals koperen poederflessen, om te voorkomen dat ESD per ongeluk buskruit op het slagveld zou doen ontbranden. 

Naast de productie van munitie en explosieven kunnen statische lading en ESD ook de werkzaamheden beïnvloeden in de farmaceutische, petrochemische, textiel-, verf-, kunststof-, drukwerk- en vele andere sectoren. De ontwikkeling en voortdurende miniaturisering van moderne elektronische apparaten heeft ook de negatieve effecten van ESD op alle niveaus van de elektronische toeleveringsketen vergroot. Dit kan een negatieve invloed hebben op productopbrengst, kosten, kwaliteit, betrouwbaarheid en, uiteindelijk, winstgevendheid. 

Het effect van ESD op elektronica

ESD kan schade toebrengen aan veel verschillende elektronische componenten, waardoor ze niet meer aan de gepubliceerde specificaties voldoen of zelfs volledig uitvallen. Gevoelige componenten kunnen variëren van eenvoudige diodes tot dure geïntegreerde schakelingen (IC's). ESD-spanningen kunnen variëren van een paar volt tot kilovolt, maar zelfs ontladingen van 100V of minder kunnen problemen veroorzaken. Als u bedenkt dat u door simpelweg een plastic zak van een werkbank op te pakken al 1.200 tot 20.000 volt kunt genereren, ziet u het probleem.

In IC's kan de stroom van een ESD-ontlading gaten door chips blazen en schade aan contacten en interfaces veroorzaken, samen met doorbranden. Schade door ESD kan ook de warmteontwikkeling in IC's verhogen en thermische schade veroorzaken aan nabijgelegen componenten op de printplaat.

De opbouw van een statische lading op een apparaat betekent ook dat er een elektrostatisch veld en krachtlijnen rond het apparaat worden gegenereerd. Andere geleidende apparaten die dit veld naderen, kunnen door inductie worden gepolariseerd. Als een ander ESD-gevoelig apparaat, terwijl het geaard is, het veld binnenkomt, kan er een ladingsoverdracht optreden.

ESD-schade aan gevoelige componenten wordt doorgaans veroorzaakt door ontlading van een materiaal of persoon naar een gevoelig apparaat, ontlading vanuit een gevoelig apparaat, of door veld-geïnduceerde ladingen. Of er wel of geen schade optreedt, wordt bepaald door het vermogen van het gevoelige apparaat om de betreffende spanning te weerstaan of door zijn vermogen om de energie van de ontlading te verspreiden. We bespreken enkele van de huidige oplossingen voor ESD-preventie en -mitigatie in een apart artikel.

Soorten door ESD veroorzaakte componentschade

De soorten componentschade die door een ESD-gebeurtenis kunnen worden veroorzaakt, zijn onder meer:

• Parametrische storingen – wanneer een ESD-gebeurtenis een of meer van de opgegeven prestatieparameters van het getroffen component wijzigt, maar het component niet onbruikbaar maakt.
• Catastrofale storing – treedt op wanneer een ESD-gebeurtenis het gevoelige component volledig beschadigt en onbruikbaar maakt.
• Latente schade – ESD-componentschade die niet wordt gedetecteerd door meting of visuele inspectie, maar die uiteindelijk kan leiden tot degradatie en uitval van het apparaat door bedrijfsbelasting op het component en een verminderde levensduur.

Meer informatie

Onze vrienden van CircuitBread hebben veel nuttige informatie over het werken met elektronische componenten, inclusief aarding en circuitbeveiliging. U kunt hun content bekijken op www.circuitbread.com. We raden ook aan om te bekijken wat CircuitBread hierover te zeggen heeft: Wat is elektrostatische ontlading?

U kunt uw kennis van ESD ook naar een hoger niveau tillen met ons artikel “Hoe voorkom ik elektrostatische ontlading”, dat op deze website beschikbaar is. 

Samenvatting

Praktisch alle materialen, samen met mensen, kunnen een statische lading opbouwen die bij plotseling vrijkomen schade aan objecten kan veroorzaken. De hoeveelheid van deze lading wordt bepaald door de samenstelling van de materialen, de snelheid van hun contact en scheiding, de luchtvochtigheid en andere factoren. 

ESD kan apparaten beschadigen, inclusief elektronische componenten. Deze schade kan op elk punt in de toeleveringsketen optreden, van productie tot testen, verwerking, verzending en tot en met inbouw in een ander systeem of dienst in het veld. Deze schade kan duur zijn, niet alleen wat betreft de beschadigde componenten zelf, maar ook wat betreft de reparatie en herbewerking van de printplaat waar ze deel van zijn. De gevoeligheid voor ESD kan sterk variëren per type component.  Procedures en systemen voor ESD-preventie en -mitigatie zijn nuttig en worden behandeld in een ander artikel op deze website.