Das Prinzip der Aufladung und Schutz vor Entladung
Die Lösung des Problems der Aufladung wird insoweit vereinfacht, als das die Beschädigungen durch eine bekannte Ursache ausgelöst werden: ein Spannungsunterschied zwischen zwei verschiedenen Stellen des Bauteils. Ist kein Spannungsunterschied vorhanden, kann keine Entladung auftreten und somit wird kein Bauteil beschädigt. Es gibt zwei einfache Regeln, wie man diese Spannungsunterschiede und damit auch elektrostatische Beschädigungen vermeiden kann:

Alle elektrostatisch empfindlichen Bauteile werden nur an einem gegen Elektrostatik gesicherten Arbeitsplatz bearbeitet.
Alle elektrostatischen empfindlichen Bauteile werden nur in einem Sicherheitsbehälter gegen Elektrostatik transportiert.
Daraus leitet sich ein wichtiger Grundsatz ab:
Bearbeite alle elektrostatisch empfindlichen Bauteile nur an einem gegen Elektrostatik gesicherten Arbeitsplatz.
Das grundsätzliche Konzept zur Sicherung eines Arbeitsplatzes gegen Elektrostatik besteht darin, die Entstehung elektrischer Ladungen zu verhindern sowie bereits bestehende Ladungen schnell, vor allem aber zuverlässig abzubauen. Die dabei eingesetzten Hilfsmittel hängen davon ab, ob der geladene Gegenstand ein elektrischer Leiter oder ein Nichtleiter, ein Isolator, ist.
Die betroffenen Materialien unterscheiden sich wie folgt:

Antistatisch Material, dass sich durch Reibung und Oberflächentrennung nur minimal auflädt.
Elektrostatisch abschirmend Material, das als offene Trennschicht oder geschlossene Kapselung das zu schützende Teil gegen elektrostatische Felder oder Entladungen schützt. Es hat einen Oberflächenwiderstand < 10 kOhm und/oder einen spezifischen Durchgangswiderstand von < 10 Ohm
Elektrostatisch leitfähig Metalle oder Materialien, die durch Zusätze von Kohlenstoff- oder Metallpartikel oder chemische Prozesse einen Oberflächenwiderstand zwischen 1 kOhm und 1 MOhm bzw. einen Durchgangswiderstand von 1 Ohm bis 1 kOhm haben.
Elektrostatisch ableitfähig Materialien, die Potentialdifferenzen, d.h. elektrostatische Ladungen in einer definiert kurzen Zeit weitgehend abbauen und ausgleichen. Der Oberflächenwiderstand liegt zwischen 1 MOhm und 1 TeraOhm, der Durchgangswiderstand zwischen 1 kOhm und 1 GOhm.
Isolierend Materialien, deren spezifischer Oberflächenwiderstand größer als 1 TeraOhm und/oder deren Durchgangswiderstand größer als 1 GOhm ist.

Die folgende Tabelle listet die Materialeigenschaften noch einmal auf:

Elektrostatische Materialeigenschaften
Eigenschaft Gekennzeichnet durch
Antistatisch minimale Aufladung durch Reibung
elektrostatisch abschirmend Abschirmend gegen äußere elektrische Felder und Entladungen

Elektrostatische Materialeigenschaften in Zahlen



spezifischer Oberflächenwiderstand spezifischer Durchgangswiderstand
elektrostatisch leitfähig 1 kOhm bis 1 MOhm 1Ohm bis 1 kOhm
elektrostatisch ableitfähig 1 MOhm bis 1 TeraOhm 1 kOhm bis 1 GOhm
isolierend 1 TeraOhm und größer 1 GOhm und größer

Elektrische Leiter wie z.B. Metallbehälter, leitfähige Beutel oder Personen können durch Ableitung der Ladungen mit geeigneten Erdungstechniken ‘entschärft’ werden.
Hierzu stehen einige wichtige Hilfsmittel zur Verfügung:
Leitfähige Bodenbeläge, leitfähige Tischbeläge, Handgelenkbänder, ableitfähiges Schuhwerk, ableitfähige Transportbehälter und ableitfähige Verpackungen.


  Das Prinzip der Aufladung und Schutz vor Entladung
Man kann sich die elektrostatische Entladung eines Leiters vereinfacht so vorstellen, dass man den Inhalt eines Wasserbehälters durch einen Trichter in einen Ausguss gießt. Die Durchflussgeschwindigkeit des Wassers hängt von der Größe der Trichteröffnung ab. Je kleiner die Trichteröffnung, desto größer ist der Durchflusswiderstand und um so länger dauert es, bis das Wasser abgeflossen ist. Die Menge des Wassers im Wasserbehälter steht für Größe der elektrostatischen Ladung, der Durchmesser der Trichteröffnung soll den Widerstand des Leiters darstellen. Der Wasserdruck beim Eintritt in den Trichter stellt die Spannung eines aufgeladenen Leiters dar.
Die Dauer des Entladevorgangs hängt von der Größe der ursprünglichen Ladung, von dem vorhandenen Druck (d.h. Spannung) sowie von dem Widerstand ab, den die Ladung auf dem Weg zur Erde überwinden muss.
Die einzige Ursache, welche die Wirksamkeit der Ableitung von Elektrostatik beeinflussen kann, ist bei dem hier verwendeten Wasservergleich die Größe der Trichteröffnung und des Abflusses, bzw. der Widerstand des Erdkontaktes. Bei der Wahl der Boden- und Tischbeläge, der Handgelenksbänder und den Schuhen muss der Gesamtwiderstand so gering sein, dass die Ladung gegen Erde abgeführt wird, ohne die Bauteile oder Leiterplatten zu beschädigen.


  Der Sinn von Boden- und Tischbelägen
Die Hauptaufgabe eines leitfähigen Bodenbelages besteht darin, elektrostatische Ladungen von Personen zu entfernen, die sich einem Arbeitsplatz nähern. Solche Bodenbeläge sind beispielsweise dann notwendig, wenn sich Personen ohne Handgelenksbänder häufig in Bereichen bewegen, in denen mit EGBs gearbeitet wird. Um wirksam zu sein, muss der Bodenbelag in der Lage sein, die Ladungen eines Menschen durch den Übergangs- und Ableitwiderstand abzuleiten, bevor er eine Baugruppe berühren und vielleicht beschädigen kann.
Der Boden in den Produktionsbereichen der Betriebe, die ESD-Baugruppen verarbeiten, müssen elektrostatisch ableitfähig sein. Ein Boden, dem Magnesit beigemischt ist, weist einen elektrischen Widerstand von im Mittelwert ca. 5 kOhm auf.
Der Tischbelag muss sich ähnlich wie der Bodenbelag verhalten. Als Arbeitsfläche kommt er häufig in direkten Kontakt mit elektrostatisch empfindlichen Bauteilen. Dem Tischbelag kommt eine größere Bedeutung zu als dem Bodenbelag, da er so beschaffen sein muss, dass er selbst von elektrostatischen Ladungen frei bleibt. Außerdem muss er in der Lage sein, eventuell vorhandene Ladungen zuverlässig und in ausreichend kurzer Zeit zu verteilen und abzuleiten.
Wird beispielsweise ein leitfähiger Transportbehälter voller elektronischer Teile auf den Tisch gestellt, sind unter Umständen sowohl die Person als auch die Kiste selbst stark aufgeladen. Ist kein ableitfähiger Bodenbelag vorhanden, muss der Tischbelag diese Funktion übernehmen. Während die Person den Behälter abstellt, muss die Aufladung abgeflossen sein, bevor die Person sich erdet, in den Behälter greift und ein Bauteil anfassen kann. Sowohl beim Bodenbelag als auch ebim Tischbelag muss dieser Vorgang innerhalb einer Sekunde abgeschlossen bzw. die elektrostatische Ladung soweit reduziert sein, dass sie keinen Schaden mehr verursachen kann.
Um die geforderten Ansprüche der Boden- und Tischbeläge zu gewährleisten, ist ein maximaler Widerstand von < 1MOhm, d.h. < 106 Ohm, erforderlich.
Aus Sicherheitsgründen wird zusätzlich ein Ableitwiderstand von 1 MOhm in die Tisch- und Bodenbeläge eingebaut, um Mitarbeiter vor gefährlich hohem Erdstrom zu schützen, falls sie versehentlich einen elektrischen Stromkreis berühren sollten.


  Der Sinn der Handgelenk-Erdung
Dritter Bestandteil des elektrostatisch abgeschirmten MOS-Arbeitsplatzes ist das Handgelenkband. Dieses Band soll einen ständigen Erdkontakt des Mitarbeiters gewährleisten.
Eine sich bewegende Person, ob sie sitzt, steht oder geht, erzeugt eine elektrische Ladung. Diese wird als triboelektrische oder durch Reibung erzeugte Ladung bezeichnet. Diese Ladung kann ohne Weiteres eine Höhe bis 10000 Volt erreichen.
Ein zweiter Grund ist die Veränderung der Körperkapazität in der Nähe von anderen Gegenständen, z.B. der Werkbank, Lagerregalen oder ähnlichem. Der menschliche Körper verhält sich wie ein Kondensator. Einfache Körperbewegungen verändern die Kapazität des Körpers, indem die Person z.B. die Füße hebt, sich im Sitzen nach vorne beugt usw. Die folgende Tabelle soll dies verdeutlichen:

Kapazitätsveränderung bei Mitarbeitern im Arbeitsbereich
Bewegung Veränderung der Körperkapazität
Heben eines Fußes (sitzend)/td> 15 % Änderung
Heben beider Füße (sitzend) 33 % Änderung
Vorbeugen auf dem Stuhl (sitzend) 4 % Änderung
Heben eines Fußes (stehend) 16 % Änderung
Aufstehen (stehend) 13 % Änderung
Die Spannungsunterschiede, die sich aus der Summe von Reibungsaufladung und der unvermeidlichen Körperkapazität ergeben, sind beträchtlich. Es existiert eine induzierte Ladung, die sich auf der Kleidung, den Fußbodenbelägen, den Tischen usw. befindet, selbst wenn die gemessene Spannung nahezu Null beträgt. Wenn der Körper nicht geerdet ist, so dass die Aufladung auf dem Körper erhalten bleibt, werden Änderungen der Kapazität des Körpers meßbare Veränderungen des Potentials zur Folge haben.
Es gibt genügend Belege dafür, dass dieses Problem in der Industrie existiert. So wurden in einer amerikanischen Firma Spitzenspannungen von mehr als 1000 Volt aufgezeichnet, als sich ein Arbeiter setzte und dann beide Füße vom Boden hob. In einem englischen Labor wurden elektrostatische Spannungsniveaus, die bipolare Bauteile beschädigten, dadurch erzeugt, dass das Personal vom Sitzplatz aufstand und die Oberfläche eines ICs berührte.
Die Spannungen treten unter Umständen erst dann auf, wenn der Mitarbeiter den Kontakt zu einem IC hergestellt hat.
Wie bei Boden - und Tischbelägen sollte auch in das Handgelenkband zum Schutz der Mitarbeitern vor elektrischen Schlägen ein Widerstand von mindestens einem MOhm eingebaut sein. Für ein Höchstmaß an Sicherheit sollte der Gesamtwiderstand durch das Handgelenkband zur Erde zwischen 1 M? und 10 M? liegen.
Widerstandswerte leitfähiger geerdeter Materialien am Arbeitsplatz
über zur Erde
Bodenbelag zur Erde Handgelenkband zur Erde
Tischbelag zur Erde 1 MOhm
Handgelenkband zur Erde 1 MOhm
Der minimale Widerstand beträgt für alle 1 MOhm



  Der Sinn von ableitfähigen Schuhen und Fußerdungsbänder
Ableitfähige Schuhe müssen von Personen getragen werden, die vorwiegend stehend oder sitzend arbeiten - besonders dann, wenn das Handgelenkband nicht benutzt werden kann. Dieses Schuhwerk besitzt im allgemeinen einen Widerstand kleiner 10 MOhm. Ein unterer Grenzwert von mindestens 100 kOhm muss wegen der Gefahr der Berührungsspannung eingehalten werden. Durch die ableitfähigen Schuhe ist eine grundsätzliche Sicherheit für die Bauteile gewährleistet.
Der Aufbau der elektrostatischen Ladung durch normales Gehen ist identisch mit der Aufladung durch das sich Bewegen auf einem Stuhl. Beidemal erfolgt die Aufladung durch Reibung. Durch die Schuhe wird diese Ladung beim Entstehen sofort wieder abgebaut, so dass erst gar keine elektrostatischen Ladungen entstehen können. Im Versuch wurde festgestellt, dass sich die aufgenommene Ladung schnell wieder abbaut. Eine Person, die auf einem gegen den Boden isolierten rollbaren Schreibtischstuhl saß, lud sich statisch-elektrisch auf, in dem sie mit dem Stuhl hin und her rollte und sich dabei zwangsläufig bewegte. Durch die Reibung wurde eine Spannung von ca. 5000 Volt erzeugt. Bei der niederohmigen Berührung gegen ein geerdetes Regal konnte ein Funke von mehreren Millimetern gezogen werden. Dieser Versuch ließ sich beliebig oft mit dem gleichen Ergebnis wiederholen.
Als die Person ableitfähige Schuhe anzog und die Füße auf dem ebenfalls ableitfähigen Boden stellte, war keine Aufladung mehr messbar.


  Die Luftfeuchtigkeit
Die Luftfeuchtigkeit hat einen wesentlichen Einfluss auf die Höhe der Aufladung. Die relative Luftfeuchte muss deshalb überwacht werden. Mit einem Hygrometer wird die Luftfeuchte gemessen.
Die folgende Tabelle stellt die unterschiedlichen elektrostatischen Spannungen bei niedriger und hoher Luftfeuchtigkeit gegenüber:
Aufladungsspannungen bei unterschiedlicher Luftfeuchtigkeit
Quelle Erzeugte Ladung bei Luftfeuchtigkeit

10 - 20 % 65 - 90 %
Gehen über den Teppich 35000 Volt 1500 Volt
Gehen über Linoleum 12000 Volt 250 Volt
Arbeiten an einer Werkbank 6000 Volt 100 Volt
Papiere in Kunststoffhülle 7000 Volt 600 Volt
Kunststoffbeutel aufnehmen 20000 Volt 1200 Volt
Gepolsterter Stuhl 18000 Volt 1500 Volt