ESD - Risiken bei elektrostatischer Entladungen
Was ist statische Elektrizität?
Statische Elektrizität ist eigentlich ein Ungleichgewicht der elektrischen Ladungen in einem Material. Das Ungleichgewicht – d. h. fehlende oder überschüssige Elektronen die entstehen, wenn zwei Oberflächen sich berühren und dabei Elektronen austauschen.
Eine der Hauptursachen für statische Aufladung ist die Reibungselektrizität, wobei sich bestimmte Materialien durch Berührung elektrisch aufladen. Ein Gewitter entsteht im Wesentlichen durch elektrostatische Ladungen, die sich zwischen Wolken und Erde aufbauen.
Statische Elektrizität baut sich während der Berührung verschiedener Materialien auf, indem diese Valenzelektronen austauschen. Die Luftfeuchtigkeit macht die Luft jedoch leitfähiger, sodass sie überschüssige Ladungen aufnehmen und gleichmäßiger verteilen kann.
Statische Aufladung: Valenzelektronen wechseln über und erzeugen ein Ungleichgewicht
In einer Umgebung mit hoher Luftfeuchtigkeit können Körper ihre statische Aufladung daher weniger gut aufrechterhalten.
| Spannungsaufbau bei alltäglichen Ereignissen | (kV) |
|---|---|
| ber einen Teppich laufen | 30 |
| Polyethylenbeutel abreißen | 20 |
| Gehen auf einem PVC-Boden | 15 |
| Arbeiten an einer Werkbank | 5 |
Diese Tabelle zeigt den Spannungsaufbau im Alltag und welchen Unterschied die relative Luftfeuchtigkeit macht. Eine relative Luftfeuchtigkeit von über 40 % beseitigt keine statische Elektrizität, sondern lässt sie nur gefahrlos abfließen. Quelle: electronics-notes.com
Warum es auf die Feuchtigkeit ankommt
Wasser ist ein guter elektrischer Leiter. Ein elektrisch geladener Körper wird daher seine elektrische Ladung in feuchter Luft abbauen, wodurch das Risiko einer plötzlichen elektrostatischen Entladung sinkt.
Verglichen mit Metallen ist die elektrische Leitfähigkeit von reinem Wasser jedoch überraschend niedrig:
| Leitfähigkeitstabelle | (S/m) |
|---|---|
| Reines Wasser (Umkehrosmose) | 5.5 × 10(-6) |
| Aluminum | 3.5 × 10(7) |
| Stahl | 6.21 × 10(6) |
Die elektrische Leitfähigkeit wird in Siemens (S) oder A/V = 1/Ω gemessen. Insgesamt bedeutet die ableitende Wirkung von Wasserdampf, dass die elektrostatische Entladung sich in feuchter Luft schnell verbraucht.
Feuchtigkeit verhindert die elektrostatische Entladung nicht, sie nimmt sie nur besser auf
In Luft mit niedriger relativer Luftfeuchtigkeit gleichen die unausgeglichenen Ladungen ihre Ladungsdifferenz nur aus, wenn sie mit einem anderen Leiter in Berührung kommen. In Luft mit höherer Luftfeuchtigkeit bietet die Feuchtigkeit ein Medium, durch das die Ladung auf harmlosere Weise freigesetzt werden kann.
Das liegt daran, dass die einzelnen Wassermoleküle eine viel höhere Leitfähigkeit besitzen als die umgebende Luft, sodass die Ladung an das Wasser in der Luft abgegeben wird. Die elektrostatische Entladung findet also nach wie vor statt, verteilt sich aber auf unzählige Wassermoleküle oder Tröpfchen.
Es entstehen also keine hohen Ladungen, wenn die relative Luftfeuchtigkeit über einem bestimmten Wert liegt.
Elektrostatische Entladungen als echte Gefahr
In Produktionsumgebungen baut sich immer irgendwo statische Elektrizität auf; keine Technologie kann dies verhindern. Es ist der Ort der elektrostatischen Entladung, der Probleme verursacht.
In der Elektronikproduktion kann selbst die kleinste elektrostatische Entladung Halbleiter beschädigen und das Produkt wertlos machen.
"Selbst geringe elektrostatische Entladungen können enorme Auswirkungen auf empfindliche elektrische Geräte haben, was sich auf Ertrag, Qualität und Zuverlässigkeit auswirkt und den Herstellern enorme Kosten verursacht."
Quelle - SEMI.org
Auch ohne Schlag : Statische Elektrizität als Problemursache
Die Gefahr elektrischer Schläge durch elektrostatische Entladung ist nicht das einzige Problem im Zusammenhang mit statischer Elektrizität – oder, um genau zu sein, mit der Entstehung eines Ungleichgewichts der elektrostatischen Ladungen auf den Oberflächen von Körpern.
Bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von unter 40 % steigt das Risiko einer statischen Aufladung deutlich an.
Damit sich eine elektrostatische Ladung aufbauen kann, ist Reibung notwendig: Zwei Materialien müssen sich sozusagen aneinander reiben und dabei Valenzelektronen austauschen. Die meisten Produktionsumgebungen verfügen über alle Voraussetzungen für die Bildung statischer Elektrizität: Eine Umgebung mit starken lokalen Wärmequellen führt zur Abnahme der Luftfeuchtigkeit.
Die Lösung besteht darin, eine relative Luftfeuchtigkeit von mindestens 40 % zu gewährleisten – in den meisten Fällen sind sogar etwa 60 % ideal. Dies geschieht, indem die Luft jederzeit mit ausreichend Feuchtigkeit versorgt wird.
Wie kann elektrostatischen Entladungen entgegengewirkt werden?
In der Produktionstechnik ist die Vermeidung elektrostatischer Entladungen eine Standarddisziplin, die sehr ernst genommen wird. Der Schutz vor elektrostatischen Entladungen wird üblicherweise in passive und aktive Maßnahmen unterteilt – passive Maßnahmen sind beispielsweise isolierende Fußmatten, Erdung von Personal und Werkzeugen und dergleichen.
Die Regelung der Luftfeuchtigkeit ist eine aktive Maßnahme gegen elektrostatische Entladung. Sobald der optimale Feuchtigkeitsgrad erreicht ist – typischerweise zwischen 40 und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit – reicht er aus, um elektrostatische Ladungen gefahrlos an die Luft abzugeben. Gleichzeitig schlägt sich bei einem solchen Feuchtigkeitswert auch Feuchtigkeit auf den Oberflächen nieder und bildet eine leitende Schicht, die weiteren Schutz bietet.
Die Installation eines Hochdruck-Luftbefeuchtungssystems ist eine der kostengünstigsten Methoden zur Verbesserung der Produktivität und zur Verringerung des Risikos elektrostatischer Entladungen.
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