Wenn es am Arbeitsplatz knistert


Titelthema a:lot 02 - Frühling 2012

Der ESD-Schutz wird in vielen Betrieben sehr zwiespältig betrieben. Weil die Notwendigkeit der Schutzmaßnahmen nicht zwingend und deutlich sichtbar ist, wird einerseits eine Menge Geld investiert, andererseits wird an Kleinigkeiten gespart. Die Folge ist ein oftmals Kompromiss, der tückische und teure Folgen haben kann.

Auf den ersten Blick sieht der Eingang zur Werkstatt aus wie ein Hochsicherheitsbereich: Absperrbänder, eine Schleuse mit Drehkreuz und überall warnende Schilder und Aufkleber. Während wir mit einem ableitenden Schuhband und einem Schutzkittel ausgestattet auf die Betriebsbesichtigung warten, quetscht sich ein Mitarbeiter des Unternehmens durch einen schmalen Spalt neben der ESD-Schleuse in die Werkstatt. „Bei uns hat auch seit Jahren keiner mehr die Schleuse benutzt“, kommentiert einer der Wartenden. Drinnen dasselbe Bild: Die Arbeitsplätze sind vorbildlich ausgestattet. Die Baugruppen, die die Mitarbeiter bearbeiten, werden aber auf ganz normalen Werkstattwagen transportiert.
Dieser Betrieb ist beispielhaft für den Umgang mit dem Schutz vor elektrostatischen Entladungen (engl. electrostatic discharge, kurz ESD) in der Fertigung. In der Umsetzung werden Kompromisse gemacht, die auf der Hoffnung beruhen, dass schon nichts passieren wird und der vermeintlichen Erfahrung, dass ja noch nie etwas passiert ist. Das Tückische an ESD ist aber, dass die durch sie verursachten Schäden nicht unmittelbar sichtbar werden und dass der Verursacher sie oftmals gar nicht bemerkt. Ihre Folgen können gleichwohl weitreichend sein und teuer werden, insbesondere wenn die Baugruppen in Geräten für sensible Einsatzbereiche zum Beispiel in der Medizin- oder Sicherheitstechnik verbaut werden.

Kleine Ursache, große Wirkung

Es gibt einige Gründe, warum wir Menschen grundsätzlich eher gelassen mit elektrostatischen Entladungen umgehen. Zum einen kommen sie immer und überall vor; sie sind ein selbstverständliches Ereignis unserer Erfahrung. Zum anderen spüren wir sie körperlich erst ab etwa 2.000 Volt, was ein vergleichsweise hoher Wert ist, wenn man bedenkt, dass empfindliche Bauteile bereits bei unter 40 Volt zerstört werden können. Und schließlich empfinden wir ESD bestenfalls als unangenehm, selten aber als unerträglich oder gar (lebens-)bedrohlich.
Welche fatalen Folgen ESD haben kann, zeigen jedoch einige historische Beispiele. 1937 explodierte das Luftschiff Hindenburg aufgrund eines solchen Phänomens. Ebenso erging es einer Pershing-Rakete 1985, die drei Menschen in den Tod riss. Auch der Absturz eines TWA Jumbo-Jets im Jahr 1996 wurde auf eine elektrostatische Entladung zurückgeführt, die die Explosion eines Tanks zur Folge hatte. Nicht zuletzt mussten schon zahlreiche Automodelle zurückgerufen werden, weil ESD zum Beispiel zu gefährlicher Funkenbildung beim Tanken führte oder versehentlich den Airbag ausgelöst hat.

ESD ist nicht vermeid-, aber beherrschbar

Elektrostatische Auf- und Entladungen können nicht vermieden werden, man kann sie lediglich sicher beherrschen. Die Aufladung kann auf zwei Wegen erfolgen. Immer wenn zwei Stoffe sich berühren, findet ein Ladungsaustausch statt. Ist einer der Stoffe isolierend, treten bei der Trennung hohe Spannungen auf. Dieser Effekt heißt Triboelektrizität und ist im Alltag als Reibungselektrizität bekannt, etwa wenn man über einen Teppichboden geht. Seltener tritt der Effekt der Influenz auf, der durch die Ladungstrennung innerhalb eines ungeladenen Leiters unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes entsteht.
Wie hoch die elektrostatische Aufladung eines Menschen ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab. Eine wichtige Rolle spielen die Raumtemperatur und die Luftfeuchtigkeit (s. Tabelle). In Abhängigkeit von den Umständen kann eine Aufladung von 35.000 Volt und mehr erreicht werden. In den meisten Fällen ist das unkritisch und wird bei der Entladung lediglich als unangenehm empfunden, sodass die Schreckreaktion das höchste Gefahrenpotenzial darstellt. Ein Funkenschlag kann bereits ab einer Aufladung von etwa 10.000 Volt entstehen und in sensiblen Bereichen zu Explosionen führen, zum Beispiel beim Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Gasen oder extrem trockenen Materialien wie Papierschnipseln.

Abhängigkeit der Aufladung von der Luftfeuchtigkeit

Nahezu alle elektrischen, elektronischen und optoelektronischen Bauelemente gehören zu den elektrostatisch gefährdeten Bauelementen (engl. electrostatic sensitive devices, kurz ESDS). Durch die Miniaturisierung nimmt ihre Empfindlichkeit weiter zu, sodass der ESD-Schutz eine wachsende Bedeutung bekommt. Um Schäden so früh und konsequent wie möglich zu vermeiden, enthalten viele Bauelemente entsprechende Schutzstrukturen. Baugruppen können im Eingangsbereich mit Schutzbauelementen ausgestattet werden. Allerdings greifen diese Maßnahmen oft nur ein einziges Mal, zudem nimmt ihre Wirksamkeit durch die zunehmende Verkleinerung der Strukturen ab.

Zweigleisige Schutzmaßnahmen

Die weitreichende Bedeutung des ESD-Schutzes wurde erst Ende der 70er Jahre des vergangenen Jahrhunderts erkannt. Inzwischen gibt es eine ganze Reihe nationaler und internationaler Normen von denen die wichtigsten hier aufgeführt sind. Die für die Elektronik wichtigste Norm ist die DIN EN 61340-5-1. Darüber hinaus gibt es mittlerweile ein umfangreiches Angebot von Produkten zum ESD-Schutz in der Elektronikfertigung, von dem eine große Auswahl ebenfalls auf der angegebenen Internetseite zu finden ist.
Alle ESD-Schutzmaßnahmen arbeiten zweigleisig. In erster Linie wird versucht, die Aufladung zu vermeiden beziehungsweise durch die Erdung der Körper so niedrig wie möglich zu halten. Da das nie vollständig gelingen kann, ist die zweite Maßnahme, die entstehenden Aufladungen langsam abfließen zu lassen. Denn bei der plötzlichen Entladung auch kleiner Spannungen in einen Halbleiter verhält sich die Energie im Verhältnis zur Masse wie die Energie eines Blitzschlags in einen Baum. Es wird deshalb angestrebt, die Aufladungen so zu beherrschen, dass sie keinen Schaden anrichten können.

Nur konsequente Umsetzung führt zum gewünschten Ergebnis

Um die beiden Ziele des ESD-Schutzes zu erreichen, ist es in der Elektronikfertigung mittlerweile üblich, ESD-Schutzzonen (engl. electrostatic protected area, kurz EPA) einzurichten. Dies erfordert einiges an Fachwissen und Kontrollmaßnahmen (s. Buchtipp) und führt nur bei konsequenter Umsetzung zum Erfolg. Die eingangs beschriebenen Kompromisse sind unbedingt zu vermeiden, weil sie folgenschwere und teure Konsequenzen haben können. Grundsätzlich soll in einer EPA der Grenzwert von 100 Volt nicht überschritten werden – das gilt ausnahmslos für alle Gegenstände, die sich in dieser Zone befinden. Mitarbeiter, Maschinen, Arbeitsplätze und die verwendeten Materialien müssen deshalb ESD-gerecht ausgestattet sein beziehungsweise werden.
Dafür gibt es mittlerweile ein breites Angebot. Die Auswahl und Zusammenstellung der geeigneten und notwendigen Komponenten sollten nicht dem Zufall oder der Intuition überlassen werden. Um einen konsequenten ESD-Schutz zu erreichen, ist eine fachmännische Beratung und Betreuung notwendig, die zumindest zum Teil der qualifizierte Fachhandel übernehmen kann. Darüber hinaus sollte das Personal regelmäßig geschult und für dieses Thema ausreichend sensibilisiert werden, um zu erreichen, dass die durchgeführten Maßnahmen ernst genommen und umgesetzt werden (s. Information Fachforum).
Damit nicht alle Werkstoffe, die in einer Elektronikfertigung eingesetzt werden, individuell vermessen und beurteilt werden müssen, gibt es ein Klassifizierungssystem. Dieses unterscheidet vier Stufen, die jeweils mit einem Buchstaben gekennzeichnet sind und gemeinsam mit dem ESD-Symbol dem geübten Anwender sofort deutlich machen, welchen Schutz das jeweilige Werkstück bietet beziehungsweise welches Gefahrenpotenzial es hat:
L = low charging (gering aufladbar); Verpackungen und Materialien mit der Eigenschaft, die Ladungsgenerierung zu minimieren
C = conductive (elektrostatisch leitfähig); Verpackungen und Materialien mit einem Oberflächenwiderstand von E02 bis E05 Ohm
D = dissipative (elektrostatisch leitfähig); Verpackungen und Materialien mit einem Oberflächenwiderstand von E05 bis E11 Ohm
S = shielding (elektrostatisch ableitend); Schirmwirkung gegen elektrostatische Entladung

Was nicht vorhanden ist, kann sich nicht aufladen

Zu einer wirkungsvollen Gestaltung einer EPA gehören aber vor allem die baulichen Voraussetzungen und eine geeignete Ausstattung. Die Basis bildet ein ESD-gerechter Fußboden, der eine ausreichende Leitfähigkeit besitzt. Auch sämtliche Betriebsmittel und Einrichtungen müssen ESD-gerecht sein. Um das Risiko und die Kosten zu senken, gilt die Regel, dass nur diejenigen Gegenstände in eine EPA kommen, die dort unbedingt notwendig sind. Diese müssen ausreichend ableitend sein und zwar ohne Ausnahme: Tische, Regale, Transportwagen, Stühle, Werkzeuge, Arbeitsplatten usw.
Eine besondere Bedeutung hat die ESD-gerechte Ausstattung der Mitarbeiter. Solche, die sich regelmäßig in einer EPA aufhalten, sollten ableitfähige Schuhe tragen. Für Besucher gibt es Bänder, die schnell und einfach angebracht werden können und für die nötige Ableitung sorgen. Ob diese ausreichend ist, kann an Messgeräten und Schleusen festgestellt werden. Auch die Oberbekleidung sollte ESD-gerecht sein. Dafür gibt es inzwischen ein breites Angebot, sodass es für dauerhaft in einer EPA beschäftigte Menschen Alternativen zum klassischen Arbeitskittel gibt. Mitarbeiter, die im Sitzen arbeiten, entwickeln keinen ausreichenden Anpressdruck mehr, um die elektrische Ladung über die Schuhe und den Boden abzuleiten. Sie sollten deshalb ein Handgelenkerdungsband tragen, das über ein Spiralkabel mit einem Erdungskontaktpunkt verbunden ist.

ESD-Schutz umfasst die gesamte Fertigung

Wie bereits erwähnt, haben auch die klimatischen Bedingungen einen erheblichen Einfluss auf die Aufladung von Menschen. Es ist deshalb ratsam, in einer EPA eine günstige Temperatur und Luftfeuchtigkeit zu erzeugen. Zusätzlich kann ionisierte Luft dafür sorgen, dass sich elektrostatische Ladungen beschleunigt abbauen. Um dies zu erreichen, kann ein Ionisator eingesetzt werden, der allerdings nicht dazu geeignet ist, unzureichende ESD-Maßnahmen zu verbessern. Da die vielen Möglichkeiten einer ESD-gerechten Arbeitsplatzausstattung hier nicht detailliert dargestellt werden können, finden sich ausführlichere Informationen dazu auf der Internetseite www.alot-magazin.de.
ESD-Schutz hört nicht in einer EPA auf. Beispielsweise kann er bei Montage- und Reparaturarbeiten beim Endkunden von Bedeutung sein, aber auch während des Transports und der Lagerung von elektrostatisch gefährdeten Bauteilen. Alle ESD-Schutzmaßnahmen sind deshalb nur dann erfolgreich, wenn sie in der gesamten Fertigungskette konsequent umgesetzt und regelmäßig kontrolliert werden.

Text: Volker Neumann


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