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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:
Die betroffenen Materialien unterscheiden sich wie folgt:
Die folgende Tabelle listet die Materialeigenschaften noch einmal auf:
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:
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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. |
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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 groß sein, dass die Ladung gegen Erde abgeführt wird, ohne die Bauteile oder Leiterplatten zu beschädigen. Er darf aber auch nicht so gering sein, dass die betreffende Person bei einem eventuellen Stromunfall gefährdet wird. Hier ist wieder auf die Arbeitssicherheit zu achten. |
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Der Sinn von Boden- und Tischbelägen |
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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 beim 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. Auch hier ist wieder darauf zu achten, dass aus Arbeitsschutzgründen der Widerstand nicht zu klein wird. Daher muss ein zusätzlich ein Ableitwiderstand von 1 MOhm in den Tisch- und Bodenbeläge vorhanden sein, um Mitarbeiter vor gefährlich hohem Erdstrom zu schützen, falls sie versehentlich einen elektrischen Stromkreis berühren sollten. |
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Der Sinn der Handgelenk-Erdung |
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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: |
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| 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 |
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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. |
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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 MOhm und 10 MOhm liegen. |
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| 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 | |
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Der Sinn von ableitfähigen Schuhen und Fußerdungsbänder |
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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. |
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Die Luftfeuchtigkeit |
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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 und nötigenfalls protokolliert. 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 |