ESD-Schutz: elektrostatische Entladung, ESD-Schutzzone (EPA) und Schutzmaßnahmen am Arbeitsplatz
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ESD, elektrostatische Entladung, EGB, EPA, ESD-Warnsymbol, Handgelenkband, Erdungspunkt, Tischmatte, Schirmbeutel, Suppressordiode, Varistor, DIN EN IEC 61340-5-1
tl/dr; (ca. 22 min Lesezeit): Ein Funke, den Du nicht einmal spürst, kann einen Mikrocontroller zerstören. Dieser Artikel erklärt Schritt für Schritt, wie elektrostatische Ladung entsteht, warum MOS-Bauelemente so empfindlich sind, was ESD-Warnsymbol und ESD-Schutzsymbol bedeuten, wie Du einen ESD-geschützten Arbeitsplatz (EPA) mit Tischmatte, Handgelenkband und Erdungspunkt einrichtest, wie ESD-gefährdete Bauelemente gelagert, verpackt, transportiert und bestückt werden, was die Unfallverhütungsvorschriften dabei verlangen und wie Suppressordioden, Varistoren und ableitfähige Gehäuse die Schnittstellen eines fertigen Geräts schützen [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 12.11.2026)
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Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…
… erklären, wie elektrostatische Ladung entsteht und warum ESD-gefährdete Bauelemente (EGB) wie MOS-Bauelemente schon durch eine Entladung beschädigt werden, die ich nicht spüre.
… die Bedeutung des ESD-Warnsymbols erklären und es vom ESD-Schutzsymbol unterscheiden.
… ESD-Schutzmaßnahmen nennen und begründen.
… die Elemente eines ESD-geschützten Arbeits- oder Reparaturplatzes (leitfähige bzw. ableitfähige Tischmatte, Handgelenkband, Erdungspunkt) nennen und einen solchen Arbeitsplatz einrichten.
… Maßnahmen zum Schutz elektrostatisch gefährdeter Bauelemente beim Bestücken nennen.
… ESD-gefährdete Bauelemente und Baugruppen sachgerecht lagern, verpacken und transportieren.
… die Unfallverhütungsvorschriften (DGUV Vorschrift 1 und 3) beim Arbeiten am ESD-Arbeitsplatz und beim Testen einhalten.
… Maßnahmen gegen elektrostatische Entladungen und Überspannungen an Geräteschnittstellen (Varistor, Suppressordiode, ableitfähige Gehäusewerkstoffe) beschreiben.
Du gehst über einen Teppichboden, greifst nach einer Türklinke und spürst einen kleinen Schlag. Für Dich ist das harmlos, für einen Mikrocontroller auf dem Tisch wäre es das Ende. Die meisten Entladungen, die Bauelemente beschädigen, sind sogar so schwach, dass Du sie überhaupt nicht bemerkst. ESD (englisch electrostatic discharge, elektrostatische Entladung) ist deshalb in jeder Elektronikfertigung und jeder Reparaturwerkstatt ein Thema. Der Schutz dagegen hat einen festen Ort, die ESD-Schutzzone (EPA, ESD protected area):
Warum der Schutzleiter für die Sicherheit von Menschen so wichtig ist, steht im Artikel Gefahren des elektrischen Stroms und Sicherheitsregeln. Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zum ESD-Schutz.
Schritt 1: Wie entsteht elektrostatische Ladung?
Berühren sich zwei Stoffe und werden wieder getrennt, gehen an der Grenzfläche Elektronen von einem Stoff auf den anderen über. Nach dem Trennen ist der eine Stoff negativ, der andere positiv geladen. Diese Reibungs- oder Trennungselektrizität (triboelektrischer Effekt) entsteht beim Gehen (Schuhsohle und Boden), beim Aufstehen vom Stuhl (Kleidung und Polster), beim Abziehen von Klebeband oder beim Herausziehen einer Platine aus einer Kunststofftüte.
Auf einem Leiter (Metall, Mensch) verteilt sich die Ladung über die ganze Oberfläche und fließt bei Berührung eines anderen Leiters schlagartig ab. Auf einem Isolator (Kunststoff, Styropor, Folie) bleibt sie dort sitzen, wo sie entstanden ist. Isolatoren kann man deshalb nicht erden; ihr elektrisches Feld wirkt aber auf Gegenstände in der Nähe. Bringst Du eine Platine nahe an eine geladene Kunststoffhülle, verschieben sich in der Platine die Ladungen (Influenz). Berührt die Platine dann einen geerdeten Gegenstand, entlädt sie sich, obwohl sie selbst nie gerieben wurde.
Wie hoch die Spannung wird, hängt von den Stoffen und vor allem von der Luftfeuchte ab: Feuchte Luft macht Oberflächen leicht leitfähig, sodass Ladung abfließt.
| Vorgang | trockene Luft (10 % bis 20 % rel. Feuchte) | feuchte Luft (65 % bis 90 % rel. Feuchte) |
|---|---|---|
| über einen Teppichboden gehen | bis 35 kV | etwa 1,5 kV |
| über einen Kunststoffboden gehen | bis 12 kV | etwa 0,25 kV |
| am Arbeitstisch sitzen und sich bewegen | bis 6 kV | etwa 0,1 kV |
| eine Kunststofftüte vom Tisch nehmen | bis 20 kV | etwa 1,2 kV |
Eine Entladung spürst Du erst ab etwa 3 kV, einen Funken siehst Du ab etwa 8 kV bis 10 kV. Alles darunter läuft unbemerkt ab.
Schritt 2: Warum sind Bauelemente gefährdet?
Ein Mensch wirkt elektrisch wie ein Kondensator mit etwa 100 pF bis 200 pF gegen Erde. Die gespeicherte Energie ist klein, aber sie fließt in sehr kurzer Zeit ab. Das Prüfmodell für diese Entladung (Human Body Model, HBM) rechnet mit 100 pF und einem Entladewiderstand von 1,5 kΩ für Haut und Körper. Bei 2 kV ergibt sich:
W = \frac{1}{2} \cdot C \cdot U^2 = \frac{1}{2} \cdot 100\ \mathrm{pF} \cdot (2\ \mathrm{kV})^2 = 0{,}2\ \mathrm{mJ}
\hat{\imath} = \frac{U}{R} = \frac{2\ \mathrm{kV}}{1{,}5\ \mathrm{k\Omega}} \approx 1{,}33\ \mathrm{A} \qquad \tau = R \cdot C = 1{,}5\ \mathrm{k\Omega} \cdot 100\ \mathrm{pF} = 150\ \mathrm{ns}
Ein Strom von über einem Ampere fließt also für einige hundert Nanosekunden durch eine Struktur, die nur wenige Mikrometer groß ist. Das Diagramm zeigt den Unterschied zur Entladung über einen Widerstand von 1 MΩ, wie er im Handgelenkband steckt (Schritt 5):
Über den großen Widerstand ist die Ladung nach etwa 5\tau = 500\ \mathrm{µs} ebenfalls abgeflossen, aber mit einem Spitzenstrom von nur 2 mA. Genau das ist das Prinzip des ESD-Schutzes: Ladung ableiten, aber langsam.
Besonders gefährdet sind Bauelemente mit sehr dünnen Isolierschichten oder sehr kleinen Strukturen:
MOS-Bauelemente (MOSFET, CMOS-Logik, Mikrocontroller, Speicher): Das Gate ist durch eine Oxidschicht von wenigen Nanometern vom Kanal isoliert. Schon einige zehn Volt können sie durchschlagen; das Gate ist danach dauerhaft beschädigt.
Hochfrequenz-Transistoren, Schottky-Dioden, Laserdioden, LEDs mit kleinem Chip und Präzisions-Widerstandsnetzwerke.
Ganze Baugruppen mit solchen Bauteilen, denn die Leiterbahnen führen die Entladung von einer Steckerkontaktfläche direkt zum Bauteil.
Solche Bauelemente heißen elektrostatisch gefährdete Bauelemente (EGB), englisch ESDS (ESD sensitive device). Hersteller geben im Datenblatt an, welche Spannung ein Bauteil im HBM-Test noch verträgt. Werte unter 100 V sind bei modernen ICs und HF-Bauteilen keine Seltenheit; die Norm für ESD-Schutzzonen ist für Bauteile ausgelegt, die mindestens 100 V im HBM vertragen.
Zwei weitere Entladungswege kommen hinzu: Ein Bauteil kann selbst geladen sein, z. B. nachdem es durch ein Kunststoffrohr gerutscht ist, und sich beim Aufsetzen auf eine Metallfläche entladen (Charged Device Model, CDM). Und eine geladene Platine kann sich über ein Werkzeug entladen.
Totalausfall oder latenter Schaden? Nur ein Teil der ESD-Schäden zeigt sich sofort als defektes Bauteil. Häufiger wird eine Struktur nur angeschmolzen: Das Bauteil besteht die Endprüfung, hat aber einen erhöhten Leckstrom und fällt Wochen später beim Kunden aus. Solche latenten Schäden sind teuer, weil sie erst im Feld auffallen und sich kaum einer Ursache zuordnen lassen.
Schritt 3: ESD-Warnsymbol und ESD-Schutzsymbol
Zwei Symbole begegnen Dir auf Verpackungen, Bauteilrollen, Baugruppen und Geräten. Beide zeigen eine Hand in einem gelben Dreieck, haben aber unterschiedliche Bedeutungen:
Das ESD-Warnsymbol (Hand durchgestrichen) sagt: Der Inhalt bzw. die Baugruppe ist ESD-gefährdet. Nur in einer ESD-Schutzzone und nur geerdet auspacken und anfassen; die Hand soll nicht ungeschützt zugreifen. Es steht auf Verpackungen mit EGB, auf Leiterplatten und an Steckverbindern von Geräten, deren Kontakte nicht berührt werden sollen.
Das ESD-Schutzsymbol (Hand mit Bogen, ohne Strich) sagt: Dieses Material bzw. diese Ausrüstung schützt vor ESD, z. B. ein Schirmbeutel, ein ableitfähiger Behälter, eine Tischmatte oder ein ESD-Stuhl. Es steht auch auf Schildern an der Grenze einer EPA.
Die Symbole sind in der Normenreihe DIN EN IEC 61340 und in der Norm der ESD Association (ANSI/ESD S8.1) festgelegt. Ein Gegenstand mit dem Warnsymbol ist also gefährdet, einer mit dem Schutzsymbol schützt.
Schritt 4: Die Grundregeln des ESD-Schutzes
Wie eine ESD-Schutzzone eingerichtet und betrieben wird, regelt die Norm DIN EN IEC 61340-5-1 (VDE 0300-5-1) „Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene“. Alle Maßnahmen folgen aus wenigen Grundregeln:
Alle Leiter auf ein gemeinsames Potenzial bringen: Mensch, Arbeitsfläche, Werkzeuge und Baugruppe werden mit einem gemeinsamen Erdungspunkt verbunden. Zwischen Gegenständen auf gleichem Potenzial gibt es keine Entladung.
Langsam ableiten: Die Verbindung zur Erde läuft über hohe Widerstände (Megaohm-Bereich), damit sich Ladungen ohne Stromspitze abbauen.
Aufladung vermeiden: ableitfähige statt isolierender Materialien für Boden, Stuhl, Kleidung, Behälter und Verpackung; Luftfeuchte möglichst zwischen 40 % und 60 %.
Isolatoren fernhalten oder neutralisieren: Kunststoffbecher, Styropor, normale Klarsichthüllen, Klebeband und Plastikgehäuse von Handys haben in der Nähe von EGB nichts zu suchen (mindestens etwa 30 cm Abstand). Lässt sich ein Isolator nicht vermeiden (z. B. ein Kunststoffgehäuse, in das die Baugruppe eingebaut wird), neutralisiert ein Ionisator seine Ladung mit einem Strom ionisierter Luft.
Schützen außerhalb der EPA: EGB verlassen die Schutzzone nur in geschlossener Schirmverpackung.
Schulen, kennzeichnen, prüfen: Wer in der EPA arbeitet, ist unterwiesen; die EPA ist gekennzeichnet; die ESD-Ausrüstung wird regelmäßig geprüft und das Ergebnis dokumentiert.
Für die Materialien unterscheidet man nach dem Oberflächenwiderstand drei Klassen:
| Klasse | Oberflächenwiderstand | Verhalten | Beispiele |
|---|---|---|---|
| leitfähig | unter 10^5\ \Omega | Ladung fließt sehr schnell ab | schwarzer Leitschaum für IC-Beinchen, leitfähige Kästen, Metallisierung von Schirmbeuteln |
| ableitfähig (dissipativ) | 10^5\ \Omega bis 10^{11}\ \Omega | Ladung fließt kontrolliert langsam ab | Tischmatten, Bodenbeläge, ESD-Kleidung, rosa „antistatische“ Beutel |
| isolierend | über 10^{11}\ \Omega | Ladung bleibt sitzen | normale Kunststoffe, Styropor, Klebeband |
Schritt 5: Einen ESD-geschützten Arbeitsplatz einrichten
Ein ESD-Arbeits- oder Reparaturplatz besteht mindestens aus ableitfähiger Tischmatte, Handgelenkband und gemeinsamem Erdungspunkt. Je nach Umfang der Arbeit kommen weitere Elemente hinzu (Bild am Anfang des Artikels):
| Element | Aufgabe | Ausführung |
|---|---|---|
| ableitfähige Tischmatte | Ablagefläche für Baugruppen; leitet Ladung von abgelegten Teilen ab | Gummi- oder Vinylmatte, mit Druckknopf und Kabel am Erdungspunkt; Widerstand zur Erde unter 10^9\ \Omega |
| Handgelenkband | hält die Person dauerhaft auf Erdpotenzial | leitfähiges Band mit Hautkontakt, Spiralkabel mit eingebautem Schutzwiderstand 1 MΩ; Gesamtwiderstand Person – Erde höchstens 3{,}5 \cdot 10^7\ \Omega (35 MΩ) |
| gemeinsamer Erdungspunkt (EBP) | verbindet alle ESD-Elemente miteinander und mit der Erde | Klemmleiste oder Erdungsstecker mit Druckknöpfen, mit dem Schutzleiter der Steckdose verbunden |
| ableitfähiger Boden und ESD-Schuhe | erden Personen, die sich bewegen (Ergänzung oder Ersatz für das Band bei stehenden Tätigkeiten) | ESD-Bodenbelag oder Bodenmatte; Schuhe bzw. Fersenbänder mit leitfähiger Sohle |
| ESD-Stuhl, ESD-Kleidung | verhindern Aufladung durch Polster und Kleidung | ableitfähige Bezüge und Rollen; Kittel mit eingewebten Leitfasern, geschlossen getragen |
| geerdete Lötstation und ESD-Werkzeug | keine Entladung über Lötspitze, Pinzette, Entlötpumpe | Lötspitze über die Station geerdet; Werkzeug mit ableitfähigen Griffen |
| Ionisator | neutralisiert Ladung auf unvermeidbaren Isolatoren | Tischgerät oder Gebläse über dem Arbeitsplatz |
| Kennzeichnung | macht die Grenze der EPA sichtbar | Schild mit ESD-Schutzsymbol am Zugang, farbige Bodenmarkierung |
Einrichten in dieser Reihenfolge:
Platz festlegen und die EPA-Grenze kennzeichnen; Isolatoren aus dem Bereich entfernen.
Erdungspunkt mit dem Schutzleiter verbinden (fertiger Erdungsstecker in eine Schutzkontaktsteckdose oder fest angeschlossene Erdungsschiene). Vorher sicherstellen, dass die Steckdose einen wirksamen Schutzleiter hat.
Tischmatte auslegen und mit ihrem Erdungskabel am Erdungspunkt anschließen; ggf. Bodenmatte und Stuhl ebenso.
Lötstation, Ionisator und weitere Geräte aufstellen; die Lötspitze muss über die Station mit dem Schutzleiter verbunden sein.
Handgelenkband anlegen (eng auf der Haut, nicht über dem Ärmel) und das Spiralkabel am Erdungspunkt einstecken.
Funktion prüfen: Handgelenkband täglich vor Arbeitsbeginn mit einem Handgelenkband-Tester (Anzeige „Pass“, typisch zwischen etwa 0,75 MΩ und 35 MΩ), Widerstand von Matte und Boden zur Erde regelmäßig mit einem Widerstandsmessgerät für hohe Widerstände.
Liegt der Wert des Handgelenkband-Testers zu hoch, ist meist das Kabel unterbrochen oder das Band sitzt zu locker; liegt er zu niedrig, ist der Schutzwiderstand überbrückt. In beiden Fällen wird nicht weitergearbeitet, bis das Band getauscht ist.
Schritt 6: Lagern, verpacken und transportieren
Außerhalb der EPA sind EGB nur in geschlossener Schirmverpackung sicher. Der Unterschied der Verpackungsarten:
| Verpackung | Wirkung | Einsatz |
|---|---|---|
| Schirmbeutel (metallisiert, silbrig-transparent) | Metallschicht wirkt wie ein Faraday-Käfig: Felder und Entladungen von außen erreichen den Inhalt nicht | Lagerung und Transport außerhalb der EPA, Versand; nur geschlossen wirksam |
| leitfähige Behälter und Leitschaum (schwarz) | schließen die Anschlüsse eines Bauteils kurz und halten alle Teile auf gleichem Potenzial | Kästen, Stangenmagazine, Gurte und Schaumstoff für Bauteile; Transport innerhalb des Betriebs |
| ableitfähige, aufladungsarme Beutel (meist rosa, „antistatisch“) | laden sich kaum auf, schirmen aber nicht ab | nur innerhalb der EPA oder als Umverpackung, nicht als alleiniger Schutz |
| normale Kunststofftüte, Luftpolsterfolie, Styropor | laden sich stark auf | nie für EGB |
Beim Lagern und Transportieren gilt außerdem:
Verpackungen erst in der EPA und geerdet öffnen, und erst dann, wenn der Inhalt gebraucht wird.
Verpackungen mit dem ESD-Warnsymbol kennzeichnen, damit niemand sie außerhalb der EPA öffnet.
Baugruppen nicht stapeln und nicht ungeschützt in Fächer schieben; Transportwagen und Regale der EPA sind ebenfalls ableitfähig und geerdet.
Begleitpapiere nicht in denselben Beutel wie die Baugruppe stecken; normales Papier und Klarsichthüllen laden sich auf. Dafür gibt es ableitfähige Dokumententaschen außen am Beutel.
Schirmbeutel nach dem Öffnen nicht knicken oder mit Klammern verschließen, die die Metallschicht durchstechen; beschädigte Beutel aussortieren.
Schritt 7: ESD-gerecht bestücken und reparieren
Beim Bestücken von Leiterplatten mit MOS-Bauelementen kommen die Grundregeln zusammen:
Vor dem Auspacken erden: Handgelenkband anlegen und prüfen, Verpackung erst auf der geerdeten Tischmatte öffnen.
Baugruppe auf die Matte legen, nie auf eine isolierende Unterlage; die Platine zuerst mit der Masse-Kontaktfläche oder dem Rand berühren, damit sie das Potenzial der Matte annimmt.
Bauteile am Gehäuse anfassen, nicht an den Anschlüssen; Leiterplatten nur am Rand, nicht an Steckkontakten.
Empfindliche Bauteile zuletzt bestücken: Zuerst Widerstände, Kondensatoren und Steckverbinder, dann Halbleiter. Bis zum Einlöten bleiben MOS-Bauteile im Leitschaum oder in ihrer Stange.
Geerdete Lötspitze verwenden; keine billige Entlötpumpe aus Kunststoff (sie lädt sich beim Auslösen auf), sondern eine ESD-Entlötpumpe oder Entlötlitze.
Kein Isolator in der Nähe: Kein Plastikbecher, keine Folie und kein Handy auf der Matte; Kunststoffteile, die unvermeidbar sind, mit dem Ionisator neutralisieren.
Nicht unter Spannung bestücken und Baugruppen erst nach dem Abschalten der Versorgung ziehen oder stecken.
Fertige Baugruppe sofort wieder in einen Schirmbeutel; offene Steckverbinder mit leitfähigen Kappen verschließen.
Wie Du Bauteile selbst einlötest und Lötstellen beurteilst, zeigt der Artikel Löten und Bestücken von Leiterplatten.
Schritt 8: Sicher arbeiten: Unfallverhütung am ESD-Arbeitsplatz
ESD-Schutz schützt die Bauteile. Die Person schützen die Unfallverhütungsvorschriften der Deutschen Gesetzlichen Unfallversicherung, und die gelten auch in der EPA:
DGUV Vorschrift 1 „Grundsätze der Prävention“: Der Arbeitgeber beurteilt die Gefährdungen, unterweist die Beschäftigten und stellt geeignete Arbeitsmittel bereit; die Beschäftigten befolgen die Weisungen, benutzen die Schutzausrüstung bestimmungsgemäß und melden Mängel.
DGUV Vorschrift 3 „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“: Elektrische Arbeiten macht eine Elektrofachkraft oder eine elektrotechnisch unterwiesene Person unter deren Leitung; Lötstation, Ionisator, Handgelenkband-Tester, Netzteile und Messgeräte am Arbeitsplatz sind elektrische Betriebsmittel und werden wiederkehrend geprüft (siehe Geräteprüfung).
Für den ESD-Arbeitsplatz heißt das konkret:
Der Schutzwiderstand im Handgelenkband ist auch ein Personenschutz. Berührt die geerdete Person versehentlich einen Leiter mit 230 V, begrenzt er den Strom auf I = 230\ \mathrm{V} / 1\ \mathrm{M\Omega} = 0{,}23\ \mathrm{mA}, also unter die Wahrnehmungsschwelle. Ein Handgelenkband ohne Widerstand oder ein Draht direkt zum Schutzleiter macht die Person dagegen zu einer gut geerdeten Stelle: Bei Berührung eines aktiven Leiters fließt der volle Körperstrom.
Keine metallisch geerdeten Arbeitsflächen in der EPA: Tischmatte und Boden sind ableitfähig, nicht leitfähig, damit eine Person auch über sie nicht zu gut geerdet ist.
Beim Testen unter Spannung (Inbetriebnahme, Fehlersuche mit Netzspannung) gelten zusätzlich die fünf Sicherheitsregeln bzw. die Regeln für Arbeiten in der Nähe aktiver Teile: Netzteile mit Trenntransformator oder Prüfplatz mit Fehlerstrom-Schutzeinrichtung, offene Netzteile nur von unterwiesenen Personen, keine Arbeiten an Netzspannung mit beiden Händen gleichzeitig.
Der Erdungspunkt hängt am Schutzleiter: Die Steckdose muss geprüft und in Ordnung sein, sonst fehlt der ESD-Schutz und der Personenschutz gleichermaßen.
Arbeitsschutz beim Löten: Lötrauch absaugen, Lötkolben in die Ablage, Schutzbrille beim Abschneiden von Anschlussdrähten.
Die Grundlagen zu Körperstrom, Schutzmaßnahmen und Sicherheitsregeln stehen in den Artikeln Gefahren des elektrischen Stroms und Sicherheitsregeln und Schutz gegen elektrischen Schlag.
Schritt 9: ESD-Schutz im Gerät: Schnittstellen schützen
Ist ein Gerät fertig, hilft keine EPA mehr: Der Kunde steckt einen USB-Stick ein, berührt eine Taste oder schließt eine Sensorleitung an, und die Entladung landet direkt auf einer Leiterbahn. Deshalb muss jedes Gerät eine Mindestfestigkeit gegen ESD haben. Die Prüfung beschreibt die Norm DIN EN 61000-4-2 (VDE 0847-4-2): Ein Prüfgenerator (150 pF, 330 Ω) entlädt sich auf berührbare Stellen, als Kontaktentladung mit 2 kV, 4 kV, 6 kV oder 8 kV bzw. als Luftentladung mit 2 kV, 4 kV, 8 kV oder 15 kV (Prüfschärfegrade 1 bis 4).
Damit das Gerät diese Entladungen übersteht, werden mehrere Maßnahmen kombiniert:
| Maßnahme | Wirkung | Eigenschaften |
|---|---|---|
| Suppressordiode (TVS-Diode) zwischen Signalleitung und Masse, direkt hinter der Buchse | leitet ab einer Durchbruchspannung schlagartig und begrenzt die Spannung auf der Leitung; die Energie fließt zur Masse ab | sehr schnell (Pikosekunden), Klemmspannung genau festgelegt; als Dioden-Array mit Kapazitäten unter 1 pF auch für schnelle Datenleitungen (USB, HDMI, Ethernet) |
| Varistor (spannungsabhängiger Widerstand, meist Metalloxid) parallel zur Versorgung oder Leitung | Widerstand sinkt oberhalb der Varistorspannung stark und leitet die Überspannung ab | verträgt hohe Energien (Surge, Schaltüberspannungen), langsamer als eine TVS-Diode, große Eigenkapazität, altert bei häufiger Belastung |
| ableitfähige oder leitfähig beschichtete Gehäuse, Metallgehäuse mit Erdung | Entladung trifft die Gehäusehülle und fließt über die Gehäusemasse ab, statt über die Elektronik | Kunststoff mit Leitruß bzw. leitfähiger Innenlack, Gehäusemasse großflächig mit Schirm und Schutzleiter verbunden |
| isolierende Gehäuse mit ausreichenden Luftstrecken | Entladung erreicht die Elektronik gar nicht | Tasten, Spalte und Schraubdome so gestalten, dass keine Funkenstrecke zur Platine entsteht |
| Layout | ESD-Strom auf kurzem Weg zur Masse führen | Schutzbauteil direkt an der Buchse, kurze breite Masseverbindung, Schirm der Buchse an Gehäusemasse, Serienwiderstände oder Ferrite vor dem IC |
Suppressordiode oder Varistor? Für Datenleitungen sind kapazitätsarme Suppressordioden die erste Wahl, weil sie schnell genug für die steile Flanke einer Entladung sind und das Signal kaum verzerren. Ein Varistor mit einigen hundert Pikofarad würde ein schnelles Signal verschleifen. Für Versorgungseingänge und Leitungen, die lange Kabel nach außen führen und neben ESD auch energiereiche Überspannungen (Surge, Schalthandlungen, Blitzeinkopplung) abbekommen, eignen sich Varistoren oder große TVS-Dioden; oft kombiniert man beide. Wie eine Diode im Durchbruch Spannungen begrenzt, zeigt der Artikel Z-Dioden.
Die Suppressordiode wählst Du so, dass ihre Sperrspannung (stand-off voltage) mindestens so groß ist wie die höchste Betriebsspannung der Leitung (z. B. 5 V für eine 5-V-Leitung) und ihre Klemmspannung unter der Spannung, die der geschützte Eingang höchstens verträgt.
Wie geht es weiter?
Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zum ESD-Schutz
Bauteile einlöten und Baugruppen bestücken: Löten und Bestücken von Leiterplatten
Netzbetriebene Werkzeuge und Prüfgeräte prüfen: Geräteprüfung
Leitfragen
- Wie entsteht elektrostatische Ladung, und warum ist trockene Luft ungünstig?
Beim Berühren und Trennen zweier Stoffe gehen Elektronen über (triboelektrischer Effekt); auf Isolatoren bleibt die Ladung sitzen, Leiter in ihrer Nähe werden durch Influenz aufgeladen. Trockene Luft lässt die Ladung nicht über die Oberfläche abfließen, deshalb entstehen viel höhere Spannungen. siehe Abschnitt „Schritt 1: Wie entsteht elektrostatische Ladung?“
- Warum kann ein MOS-Bauelement durch eine Entladung beschädigt werden, die Du nicht spürst?
Du spürst eine Entladung erst ab etwa 3 kV; das dünne Gate-Oxid eines MOS-Bauelements kann aber schon bei einigen zehn bis hundert Volt durchschlagen. Oft entsteht ein latenter Schaden, der erst später zum Ausfall führt. siehe Abschnitt „Schritt 2: Warum sind Bauelemente gefährdet?“
- Was bedeutet das ESD-Warnsymbol, und wie unterscheidet es sich vom ESD-Schutzsymbol?
Das Warnsymbol (Hand im gelben Dreieck, durchgestrichen) kennzeichnet ESD-gefährdete Bauteile und Baugruppen: nur geerdet in der EPA anfassen. Das Schutzsymbol (Hand mit Bogen, ohne Strich) kennzeichnet Material und Ausrüstung, die vor ESD schützen. siehe Abschnitt „Schritt 3: ESD-Warnsymbol und ESD-Schutzsymbol“
- Nach welchen Grundregeln funktioniert der ESD-Schutz?
Alle Leiter auf gemeinsames Potenzial bringen, Ladung über hohe Widerstände langsam ableiten, Aufladung durch ableitfähige Materialien und ausreichende Luftfeuchte vermeiden, Isolatoren fernhalten oder ionisieren, EGB außerhalb der EPA nur geschirmt, Personal schulen und Ausrüstung prüfen. siehe Abschnitt „Schritt 4: Die Grundregeln des ESD-Schutzes“
- Aus welchen Elementen besteht ein ESD-geschützter Arbeitsplatz, und wie richtest Du ihn ein?
Mindestens ableitfähige Tischmatte, Handgelenkband mit 1-MΩ-Schutzwiderstand und gemeinsamer Erdungspunkt am Schutzleiter, ergänzt durch ableitfähigen Boden mit ESD-Schuhen, ESD-Stuhl und -Kleidung, geerdete Lötstation, Ionisator und Kennzeichnung. Handgelenkband täglich mit dem Tester prüfen. siehe Abschnitt „Schritt 5: Einen ESD-geschützten Arbeitsplatz einrichten“
- Wie lagerst, verpackst und transportierst Du ESD-gefährdete Baugruppen?
Außerhalb der EPA nur im geschlossenen Schirmbeutel, Bauteile in leitfähigen Behältern oder Leitschaum, rosa ableitfähige Beutel nur innerhalb der EPA; Verpackung mit dem Warnsymbol kennzeichnen und erst geerdet in der EPA öffnen. siehe Abschnitt „Schritt 6: Lagern, verpacken und transportieren“
- Welche Maßnahmen schützen MOS-Bauelemente beim Bestücken?
Geerdet arbeiten, Verpackung erst auf der Matte öffnen, Bauteile am Gehäuse anfassen, empfindliche Bauteile zuletzt bestücken, geerdete Lötspitze und ESD-Werkzeug, keine Isolatoren in der Nähe, nicht unter Spannung bestücken, fertige Baugruppe gleich wieder verpacken. siehe Abschnitt „Schritt 7: ESD-gerecht bestücken und reparieren“
- Warum hat das Handgelenkband einen Schutzwiderstand von 1 MΩ, und welche Unfallverhütungsvorschriften gelten am ESD-Arbeitsplatz?
Der Widerstand leitet Ladung langsam ab und begrenzt bei Berührung von 230 V den Körperstrom auf 0,23 mA. DGUV Vorschrift 1 regelt Gefährdungsbeurteilung, Unterweisung und Pflichten, DGUV Vorschrift 3 die Arbeit an elektrischen Betriebsmitteln und deren Prüfung. siehe Abschnitt „Schritt 8: Sicher arbeiten: Unfallverhütung am ESD-Arbeitsplatz“
- Wie schützen Suppressordiode, Varistor und Gehäuse die Schnittstellen eines Geräts?
Suppressordioden begrenzen schnell und kapazitätsarm die Spannung auf Datenleitungen, Varistoren nehmen energiereiche Überspannungen an Versorgungseingängen auf, ableitfähige oder geerdete Gehäuse leiten die Entladung an der Elektronik vorbei; dazu kommt ein Layout mit kurzen Wegen zur Masse. siehe Abschnitt „Schritt 9: ESD-Schutz im Gerät: Schnittstellen schützen“
Links und weitere Informationen
Lehrartikel davor: Gefahren des elektrischen Stroms und Sicherheitsregeln, Geräteprüfung
zur Unfallverhütung: DGUV Vorschrift 1 „Grundsätze der Prävention“ (Publikationsdatenbank der DGUV), DGUV Vorschrift 3 „Elektrische Anlagen und Betriebsmittel“
zur elektrostatischen Entladung: Wikipedia: Elektrostatische Entladung
Normen: DIN EN IEC 61340-5-1 (VDE 0300-5-1), DIN EN IEC 61340-5-3 (Verpackung), DIN EN 61000-4-2 (VDE 0847-4-2)
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