mini|Elektrostatische Entladung in Form eines Blitzes mini|hochkant|Symbol für eine ESD-Schutzkomponente mini|hochkant|Symbol Gefahrenzeichen für ESD-gefährdete Bauteile mini|hochkant|Symbol eines ESD-Erdungs­punkts für alle Komponenten

Elektrostatische Entladungen (, kurz ESD) sind durch große Potentialdifferenzen entstehende Spannungsdurchschläge. Diese Durchschläge (eventuell als Funken sichtbar) bewirken einen kurzen, hohen elektrischen Strom und können zur Zündung von entzündlichen Stoffen führen. Unter ungünstigen Umständen entstehen Brand- und Explosionsgefährdungen sowie Gefährdungen von Personen durch elektrischen Schlag. Andere unerwünschte Folgen elektrostatischer Entladungen sind Schädigungen von elektrischen Komponenten in Geräten. Davon sind besonders Feldeffekttransistoren betroffen.

Ursache der Potentialdifferenz ist meist eine Aufladung durch Reibungselektrizität (triboelektrischer Effekt) oder Influenz. Reibungselektrizität tritt zum Beispiel beim Gehen auf einem Teppichboden auf. Liegt die Luftfeuchtigkeit unter 20 %, kann ein Mensch auf bis zu 35.000 V aufgeladen werden. Liegt die Luftfeuchtigkeit über 65 %, sinkt die mögliche Aufladung unter 1.500 V.Philip Havens: Wenn Smartphone oder Tablet "eine gewischt" bekommen

Elektrostatische Auf- und Entladung im Alltag mini|Papierschnipsel werden durch elektrostatische Aufladung angezogen

Elektrostatische Aufladungen sind Teil der Elektrostatik und treten nahezu überall in unserem Alltag auf. Erst ab einer bestimmten Stärke der elektrostatischen Entladung (Faustformel: ca. 2.000 V) ist diese für den Menschen wahrnehmbar.

Wahrgenommen wird die elektrostatische Aufladung, wenn man etwa beim Berühren eines geerdeten metallischen Gegenstands einen elektrischen Schlag spürt. Die vorausgegangene statische Aufladung geschieht häufig durch das Laufen auf einem Kunstfaserteppich oder das Entlangfahren mit der Hand an einem Treppengeländer aus Kunststoff. Schwache Lichtblitze einer Entladung können in dunkler Umgebung mit dem Auge wahrgenommen werden. Dies kann etwa beim Ausziehen eines Kunstfaser-Pullovers in einem komplett dunklen Raum auftreten. Elektrostatische Aufladungen werden auch anhand der unwillkürlichen Bewegung leichter und isolierender Objekte wie Papierschnipsel oder Haare sichtbar, die sich zuvor aufgeladen haben.

Viele elektrostatische Entladungen liegen unter der Wahrnehmbarkeitsschwelle des Menschen, können aber z. B. für elektronische Bauelemente schädlich sein.

Fahrzeuge laden sich durch die Reibung der Gummireifen auf der Straße auf. Dieser Effekt wird jedoch oft überschätzt – der Reifengummi weist in der Regel eine ausreichende Leitfähigkeit auf, um die Ladungen abzuleiten. Beim Aussteigen beobachtete Entladungen rühren meist von der Reibung der Kleidung auf dem Polstermaterial der Autositze her und führen zu einer Aufladung des Fahrers gegenüber der Karosserie. Sie sind daher nicht durch die Installation eines sogenannten Antistatikbands am Fahrzeugboden zu verhindern.

Bei vertikal ausgedehnten, gegen Erde isolierten metallischen Objekten kann die elektrostatische Aufladung durch das natürliche elektrische Feld der Erde beachtliche Werte annehmen. So kann der Kontakt einer geerdeten Person mit einem gegen Erde isolierten Sendemast auch dann einen (unter Umständen sogar lebensgefährlichen) elektrischen Schlag verursachen, wenn der Sender außer Betrieb ist und kein Gewitter naht.

Gefahren

Je nach Stärke der Entladung kann es zu Personenschäden und zu Bränden kommen. Während elektrostatische Entladungen an Körperteilen meist nur aufgrund der Schreckreaktion Gefährdungen verursachen, können sie in explosionsgeschützten Bereichen unter Umständen schwerwiegende Folgen haben. Das trifft auf den Umgang mit brennbaren Flüssigkeiten und Gasen zu (z. B. Tankstellen, Gasanlagen), als auch bei staubtrockenem Schüttgut (Staubexplosionen von Mehl, Getreide, Kohlebergwerke).

Die Technische Regel für Gefahrstoffe TRGS 727 beschreibt die Methoden der Analyse von Gefährdungen durch elektrostatische Aufladungen und regelt die Maßnahmen zur Vermeidung von Zündgefahren in explosionsgefährdeten Bereichen. Im Anhang D der TRGS 727 werden Gefährdungen des elektrischen Schlags durch Entladung statischer Elektrizität erläutert und Maßnahmen dargestellt. Beispielsweise wird die Entzündung von Benzindämpfen beim Tanken v. a. durch leitfähige Tankschläuche und eine ausreichende Erdung der Reifen verhindert.

Auch Papiermaschinen, Webstuhlbäume, Anlagen zur Folienherstellung und -verarbeitung und Getreidemühlen sind gefährdet. Hier tritt Ladungstrennung der gefertigten Folienbahnen oder des Schüttgutes ähnlich wie in einem Bandgenerator auf, wodurch sich Maschinenteile auch auf für Menschen gefährliche Spannungen aufladen können. Überschläge können Staub und – bei ständig wiederholten Entladungen – auch brennbare Materialien entzünden.

Arten Funke und Blitz mini|Die Hindenburg, kurz nachdem sie Feuer gefangen hat. Vermutlich war eine Potentialdifferenz zwischen Erde/Landemast und Luftschiff die Ursache. Die bekannteste elektrostatische Entladung ist der Blitz. Der Blitz kann Menschen und Tiere verletzen oder töten, Schäden an Geräten verursachen oder Feuer und Explosionen verursachen, insbesondere, wenn entzündliche Gase in der Luft vorhanden sind.

Ein Blitz entsteht im weiteren, umgangssprachlichen Sinne immer dann, wenn zwischen zwei unterschiedlich aufgeladenen Körpern eine hohe Feldstärke herrscht, sodass ein elektrischer Durchschlag eintritt und es zu einer Funkenentladung zwischen den Körpern kommt.

Durch eine elektrostatische Entladung bei der Landung in Lakehurst bei gewittriger Wetterlage entzündete sich Luftschiff Hindenburg und ging verloren. Vermutlich hatte sich im Zwischenraum zwischen den Zellen mit dem als Füllgas eingesetzten Wasserstoff und der Außenhülle ein entzündliches Gasgemisch gebildet, das sich beim Landevorgang durch elektrostatische Entladungen entzündete.

Koronaentladung Eine Koronaentladung, auch Elmsfeuer genannt, tritt durch hohe Feldstärken an spitz zulaufenden oder jedenfalls nicht glatten Oberflächen einer Elektrode auf. An Nadelspitzen kommt es durch die starke Änderung des Normalenvektors zu einer hohen Konzentration der Ladungsträger, so dass die freien Ladungsträger aus der Elektrode langsam – also nicht blitzartig – austreten können. Der Kurvenverlauf der Oberfläche verursacht hierbei eine große Änderung des elektrischen Potentialgradienten direkt im Bereich der Nadelspitze.

Bürstenentladung Bei einem Elektrodenradius von 5 mm bis 50 mm tritt gegen eine Platte bei einer elektrischen Feldstärke in der Größenordnung von 500 kV/m eine sogenannte Bürstenentladung auf.

ESD im Bereich der Elektronik Elektrostatisch empfindliche Bauelemente Zur Gruppe von ESD-empfindlichen (ESDS, engl. electrostatic discharge sensitive) Bauelementen gehören nahezu alle elektrischen, elektronischen und optoelektronischen Bauelemente. Weiterhin fallen unter diese Kategorie ebenfalls noch zahlreiche elektromechanische Bauelemente. All solche Bauelemente können durch elektrostatische Entladungen in ihrer Funktion beeinträchtigt oder zerstört werden.

Elektrostatische Entladungen können in mikroelektronischen Bauteilen Schäden anrichten, denn im Verhältnis zur Bauteilgröße verhält sich die Energie einer statischen Entladung in einen Halbleiter wie die Energie eines Blitzschlags in einen Baum. Anschaulich wird das, wenn man ESD-Zerstörungen in einem Chip unter einem Mikroskop sieht, die dort einen 'Krater' erzeugt haben. Verglichen mit einem Blitz in der Natur hat eine elektrostatische Entladung eine sehr viel kleinere Ladungsmenge und somit eine viel kleinere gespeicherte elektrische Energie. Es muss aber die elektrische Leistung, die während der Entladung wirkt, betrachtet werden. Da die Entladedauer im sehr geringen Zeitbereich von ps bis ns liegen kann und der Schadensbereich oder Einschlagsbereich der Entladung häufig im Bereich um die 5 µm bis 10 µm liegt, tritt trotz der verhältnismäßig geringen elektrischen Energie eine sehr hohe elektrische Leistung und eine sehr hohe Leistungsdichte (Leistung pro Fläche) im Bauelement auf.

Insbesondere bei Integrierten Schaltkreisen auf Halbleiterbasis ist ESD eine der häufigsten Ausfallursachen. Besonders empfindlich sind Schaltungen aus der Hochfrequenztechnik, Diodenlaser (GaAs-Halbleiter) sowie Feldeffekttransistoren und Leuchtdioden, die oft nur Sperrspannungen von 5–30 V vertragen. Daher müssen Maßnahmen getroffen werden, die Aufladungen zuverlässig zu verhindern. Da man sie erst ab ca. 2000 V spüren kann, können andernfalls auch unbemerkt zerstörerische Entladungen auftreten.

Nicht nur äußere Entladungen, sondern auch durch die Handhabung entstehende elektrische Felder können diese Bauteile zerstören, wenn dadurch die Spannungsfestigkeit der mitunter sehr hochohmigen Eingangsanschlüsse überschritten wird. Es kommt dabei durch innere Spannungüber- bzw. ‑durchschläge zu Zerstörungen oder einer Vorschädigung, was zum sofortigen oder späteren Ausfall führt.

Zur Prüfung der ESD-Empfindlichkeit werden Geräte oder Systeme mit normierten Entladungen beaufschlagt und auf Fehlfunktion oder Ausfall geprüft. Die ESD-Empfindlichkeit wird im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) behandelt und untersucht. Die ESD-Festigkeit ist ein wichtiges Thema in der Elektronikproduktion, Industrieelektronik, Computertechnik, Telekommunikationstechnik und Automobilelektronik.

Zur Vermeidung von ESD-Schäden müssen alle ESD-kritischen Bauelemente (insbesondere Integrierte Schaltkreise, Leuchtdioden, Halbleiterlaser, Schottky-Dioden, MOSFETs und IGBTs) und Baugruppen (zum Beispiel Computerkomponenten) in ESD-geschützter Umgebung (Electrostatic Protected Area, EPA) gehandhabt, verpackt und gelagert werden. Solche ESD-Arbeitsplätze und ESD-geschützte Bereiche in der Halbleiterfertigung leiten bestehende elektrostatische Ladungen kontrolliert gegen Erde ab und verhindern die meist durch Reibungselektrizität entstehenden Aufladungen. Dies geschieht durch elektrisch leitfähige Arbeitsoberflächen oder Transportbänder, Antistatikbänder, entsprechende Möbel, Bekleidung, Schuhe, Bodenbeläge, ionisierte Umgebungsluft und Erdung aller Komponenten.

Grundprinzipien beim ESD-Schutz Der Schutz vor elektrostatischen Entladungen ist im Wesentlichen darauf gerichtet Vermeidung der Aufladung – unvermeidbare parasitäre Aufladungen zu minimieren, z. B. durch Ableiten und Erdung der Körper Vermeidung schneller Entladungen – Entladungen können nie vermieden werden, es kann aber Vorsorge getroffen werden, damit es nicht zu schnellen Entladungen kommt und vorhandene elektrische Ladungen langsam, z. B. über einen großen elektrischen Widerstand, abfließen können.

Modelle Um die Haltbarkeit von elektronischen Komponenten zu testen, sind verschiedene Simulationsmodelle für ESD-Impulse eingeführt worden. Diese werden grob in vier ESD-Simulationsmodelle eingeteilt: HBM – Human Body Model: Das Human Body Model bildet die Entladung eines elektrostatisch aufgeladenen Menschen beim Berühren eines Bauelements nach. Als Stromflusspfad wird hierdurch ein Stromfluss durch das Bauelement hindurch zwischen unterschiedlichen Anschlusspins angenommen. MM – Machine Model: Das Machine Model ist vom Grundgedanken mit dem Human Body Model verwandt, bildet aber eine schnelle Entladung einer elektrostatisch aufgeladenen Maschine beim Kontakt mit einem Bauelement nach. Als Stromflusspfad wird genauso wie beim vorher genannten Human Body Model ein Stromfluss durch das Bauelement hindurch zwischen unterschiedlichen Anschlusspins angenommen.