Eine Anleitung in Einzelschritten zur Auswahl der richtigen ESD-Elemente

Eine Anleitung in Einzelschritten zur Auswahl der richtigen ESD-Elemente

Elektrostatische Entladung (ESD) ist ein plötzlicher Stromfluss zwischen zwei unterschiedlich aufgeladenen Objekten. Dazu kommt es, wenn sich durch den Austausch von Elektronen ein großes elektrostatisches Feld ergibt, und es ist enorm problematisch in Hightech-Produktionsumgebungen.

Statische Elektrizität und Influenz sind die häufigsten Ursachen einer ESD. Um dies zu vermeiden, müssen bestimmte Verfahren eingehalten und geeignete Schutzmaterialien zur Reduktion oder Verhinderung eingesetzt werden.

Es gibt zwei Arten von Gefahren für elektronische Geräte:

1. Bei einem Vollausfall kommt es zu einer dauerhaften Schädigung wie einer Metallschmelze, einer Beschädigung von Anschlüssen oder einem Oxid-Ausfall, was in der Regel bei einer Sichtprüfung einfach zu erkennen ist.                                                                                                    
2. Ein latenter Mangel hingegen besteht aus einer partiellen Schädigung, wobei das Gerät in der Regel weiterhin funktioniert und der Fehler schwieriger festzustellen ist. Auch eine partielle Schädigung führt jedoch zu intermittierenden Ausfällen oder mit der Zeit zu einem permanenten Ausfall.

Wie kann ESD-Schutz gewährleistet werden?

ESD-Schutz ist wichtig bei Produktion, Versand und betrieblichen Abläufen.

Da die Auswahl an ESD-Schutzvorrichtungen so umfangreich ist, ist es wichtig, die richtige Wahl für die jeweilige Anwendung zu treffen. Eine unpassende Vorrichtung dürfte nicht nur unwirksam sein, sondern auch den normalen Betrieb des Schaltkreises stören. Eine optimale ESD-Schutzvorrichtung muss Folgendes erfüllen:

• rasch reagieren, um gefährliche Stromflüsse und Spannungsspitzen während ESD-Ereignissen zu verhindern.
• selbst von wiederholten Entladungen unbeeinträchtigt bleiben.
• die Funktionsfähigkeit des zu schützenden Systems nicht stören.

ESD-Schutzvorrichtungen schützen empfindliche elektronische Produkte und Anlagen vor elektrostatischen Entladungen bei Lagerung und Transport und verhindern elektrostatische Aufladung und Verunreinigung durch Staub oder Feuchtigkeit. Es gibt verschiedene Arten von ESD-Schutz:

1. Verpackung und Aufbewahrung

• Taschen zur Abschirmung von elektrostatischen Ladungen
• Rosafarbene antistatische Taschen
• Antistatische Luftpolstertaschen
• Behälter
• Folien und Bänder

2. ESD-Zubehör

Diese Kategorie umfasst verschiedenartige ESD-Vorrichtungen, die zusätzlichen Schutz bieten können. Dazu gehört u. a. Folgendes:

• ESD-Pinzetten
• ESD-Zangen
• ESD-Warnschilder oder -Warnhinweise

3.  Erdungssysteme

Erdungssysteme werden benutzt, um Menschen, die mit empfindlichen elektronischen Geräten arbeiten, sicher zu erden. Durch den Einsatz von Erdungsprodukten kann die elektrostatische Aufladung verhindert werden. Schädigende Hochspannungs-Entladungen treten nicht mehr auf. Folgende ESD-Erdungsprodukte sind gängig:

• Erdleitungen
• Erdungsmesser
• Erdungsmatten
• Erdungsmodule
• Ionisatoren
• Armbänder

Überlegungen bei der Auswahl der richtigen ESD-Elemente

1. Machen Sie sich damit vertraut, wo eine Entladung am wahrscheinlichsten ist, damit Sie bestimmen können, welchen Schutzgrad Ihr Gerät benötigt.Bei Überlegungen zum benötigten Schutzgrad können drei Normen verwendet werden, um die Störfestigkeit von integrierten Schaltkreisen (integrated circuits, IC) gegenüber ESD zu bestimmen.

• Menschlicher Kontakt – Human Body Model – Dieses Modell bildet die ESD eines Menschen beim Kontakt mit einem elektrischen Bauteil nach. Menschen können sich beim Gehen oder bei Bewegung mit statischer Elektrizität aufladen, die dann durch den IC entladen wird.
• Normaler Einsatz des Geräts – Charged Device Model – Der CDM-Test bildet nach, wie sich ein Gerät verhält, wenn es selbst elektrostatisch aufgeladen ist und mit einer Oberfläche aus Metall in Berührung kommt. Dies ist die häufigste Art von ESD. Eine CDM-Entladung hängt größtenteils von der Größe und der Art des Gehäuses ab, welches das Bauteil umgibt.
• Andere Ausrüstungen – Machine Model –  Dieses Modell bildet die Entladung von statischer Elektrizität nach, mit der sich Maschinen und andere Elemente aufgeladen haben.

Modell	HBM	MM	CDM
Testebenen	2,4,8 and 15kV	100,150 and 200V	250, 500, 750 and 1000V
Spitzenstrom (A)	1.5	3	5 to 6
Impulsbreite (ns)	Ca. 150	Ca. 80	Approximately 1
Anstiegszeit	2 bis 10 ns	Ca. 1 ns	Less than 400 psec
Typische ESD-Ausfälle	Abzweigschäden, Durchdringung von Metall, Metallschmelze, Kontaktspikes und Gate-Oxide-Schäden	Abzweigschäden, Metallschmelze und Gate-Oxide-Schäden	Gate-Oxide-Schäden, Charge Trapping und Abzweigschäden

2. Legen Sie fest, was/wen Sie schützen wollen.

Was schützen Sie?

Für einen wirkungsvollen ESD-Schutz müssen alle Objekte identifiziert werden, die für ESD anfällig sind und geschützt werden müssen. Externe ESD-Schutzvorrichtungen sind beispielsweise ideal für Schnittstellen, die besonders anfällig für ESD-Schäden sind, könnten jedoch für hochentwickelte Systems-on-a-Chip (SoC) nicht geeignet sein.

Die Größe des Arbeitsbereichs und die Art der ausgeführten Arbeiten bestimmen zudem die ESD-Erdungsanforderungen eines Unternehmens. Normalerweise werden in kleineren Arbeitsumgebungen eher elementare ESD-Anforderungen eingehalten, während größere Einrichtungen strengere Erdungsanforderungen befolgen müssen.

In einer großen Arbeitsumgebung muss eventuell ein elektrostatisch geschützter Bereich (EPA) eingerichtet werden, wo alle Oberflächen, Objekte, Personen und ESD-Vorrichtungen dasselbe elektrische Potenzial aufweisen. Dies wird wie folgt erreicht:

• Erdung aller Stromleiter (einschließlich Personen)
• Entfernung aller Nichtleiter – entweder direkt oder durch Ersatz mit einer ESD-Alternative
• Einsatz eines Ionisators zur Neutralisierung unerlässlicher Nichtleiter

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Wen schützen Sie?

Das Erden ist ein grundlegender Schutz, denn es gewährleistet den sicheren Betrieb von Geräten und schützt Benutzer vor elektrostatischen Entladungen. Alle Bestandteile des Arbeitsbereichs sollten geerdet sein, einschließlich Arbeitsflächen, Personal und Ausrüstung. Das zu verwendende Erdungssystem wird von dem Arbeiter bestimmt, der es benötigt. Wer zum Beispiel bei der Arbeit sitzt, sollte einen Riemen am Handgelenk tragen, während andere, die beim Arbeiten stehen, ein Erdungssystem an den Füßen verwenden sollten. In einigen Situationen kann auch eine Kombination dieser beiden Vorrichtungen eingesetzt werden.

Zudem unterscheidet sich der ESD-Schutz in einer Produktionsumgebung von den Schutzanforderungen für externe Mitarbeiter. Ingenieure im Außendienst beispielsweise benötigen eine ortsveränderliche Ausrüstung, die ihnen als Ausgleich für den fehlenden EPA ausreichend Schutz bietet.  

3. Berechnen Sie die erforderlichen ESD-Schutzvorgaben.

Sobald festgelegt wurde, wer oder was geschützt werden muss, wird es notwendig, sicherzustellen, dass ESD-Elemente mit den entsprechenden Vorgaben ausgewählt werden. Dabei sind u. a. die folgenden Faktoren zu berücksichtigen:

Kapazität

Die Kapazität bezeichnet die Fähigkeit eines Bauelements oder Schaltkreises, Energie in Form einer elektrischen Ladung aufzunehmen und zu speichern. Mit zunehmender Signalfrequenz verändert sich der Kapazitätseffekt. Eine Diskrepanz zwischen der Kapazität eines Überspannungsschutzes und der Signalgeschwindigkeit eines Schaltkreises kann zu einer Verschlechterung des Signals führen. Im Idealfall sollte die Maximalkapazität der Diode bestimmt werden, bei der das Schnittstellensignal nicht gestört wird.

Um die Kapazität zu steigern, können die Leitungsdrähte näher beieinander angebracht und größere Platinen mit größerer Fläche eingesetzt werden. Des Weiteren können Kondensatoren als ESD-Schutz zur Umlenkung oder Speicherung von Ladungen hinzugefügt werden.

ESD-Klemmspannung

Dies bestimmt den Schutzgrad, der durch eine Schutzdiode garantiert werden kann. Die Reduktion der Spannung, der ein IC im Falle einer elektrostatischen Entladung ausgesetzt ist, ist für den Schutz der empfindlicheren Bauteile innerhalb des IC ganz entscheidend. Vorrichtungen mit geringer Klemmspannung sind daher im Allgemeinen wirkungsvoller.

Leckstrom

Leckstrom bezeichnet die Strommenge, die durch den ESD-Überspannungsschutz fließt, während sich der Schaltkreis im Normalbetrieb befindet. Dieser Punkt ist besonders wichtig für batteriebetriebene Anwendungen. Hier sind Elemente erwünscht, die möglichst wenig Leckstrom dulden, damit die Batterie nicht länger als nötig entladen wird.

Systemspannung

Der Überspannungsschutz hat je nach Bauform unterschiedliche Systemspannungsvorgaben. Diese Vorgaben bestimmen die Eignung der Teile für bestimmte Schaltungsparameter und werden herangezogen, um sicherzustellen, dass geeignete Teile eingesetzt werden. So wäre ein Teil mit einer Nennspannung von 5 V DC für den Einsatz in einem Bus mit einer Nennspannung von 9 V DC nicht geeignet, da die Überspannung das Teil beschädigen könnte.

Lage des ESD-Überspannungsschutzes

Am wirksamsten ist der Überspannungsschutz, wenn er sich in der Nähe des Ausgangspunktes der ESD befindet und so nahe wie möglich bei der zu schützenden Leitung. Je weiter entfernt er von diesen ist, desto größer ist die Wirkung der Überspannung auf den IC.

ESD-Schutz ist von enormer Bedeutung in Hightech-Branchen zur Sicherstellung der Zuverlässigkeit von Produkten, zur Senkung von Kosten, wo es sonst zu Schäden kommen könnte, und als Vorsichtsmaßnahme im Hinblick auf Arbeitsschutz. Mit zunehmendem technischen Fortschritt erhöht sich auch die Wahrscheinlichkeit einer elektrostatischen Entladung. Dies hat einen erhöhten Bedarf an ESD-Schutz zur Folge. Integrierte Schaltkreise sind das „Gehirn“ aller elektronischen Produkte, und daher ist es entscheidend, diese Bauteile zu schützen. Da es in diesem Bereich sehr rasch zu Weiterentwicklungen und Fortschritten kommt, wird der Bedarf an ESD-Schutz weiterhin zunehmen und ein größeres, weiterentwickeltes Angebot an ESD-Schutzvorrichtungen mit sich bringen.

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