ESD – Elektrostatische Entladung

Du stehst vom Bürostuhl auf, greifst nach der Platine – und spürst nichts. Trotzdem kann in diesem Moment ein Strompuls von mehreren Ampere durch einen Pin gerauscht sein. Elektrostatische Entladung, kurz ESD (Electrostatic Discharge), ist einer der häufigsten Gründe für Bauteile, die „ohne Grund“ ausfallen. Tückisch daran: Der Schaden ist oft nicht sofort zu sehen. Die Grundlagen zur Ladung selbst findest du unter Elektrische Ladung.

Wie die Ladung entsteht

Berühren sich zwei unterschiedliche Materialien und werden wieder getrennt, gehen Elektronen von einem auf das andere über. Danach ist das eine negativ, das andere positiv geladen. Diese Reibungs- oder Trennungselektrizität (triboelektrischer Effekt) tritt beim Gehen über Teppich auf, beim Abziehen von Klebeband, beim Aufstehen von einem Kunststoffstuhl oder beim Herausziehen einer Platine aus einer Plastiktüte. Wie stark sich ein Material auflädt, hängt von der Materialpaarung ab: Kunststoffe wie PVC, PE oder Styropor laden sich leicht auf, Baumwolle kaum.

Ein Isolator hält die Ladung fest, weil sie nicht abfließen kann. Ein Mensch ist zwar leitfähig, steht aber auf isolierenden Schuhsohlen – er bildet mit dem Boden einen Kondensator von grob 100 bis 200 pF. Feuchte Luft hilft: Bei hoher Luftfeuchtigkeit bildet sich auf vielen Oberflächen ein dünner Wasserfilm, über den Ladung abfließt. Im Winter mit trockener Heizungsluft sind die Spannungen deshalb um ein Vielfaches höher.

Typische Werte bei trockener Luft (rund 10 bis 20 % relative Feuchte) im Vergleich zu feuchter Luft:

Spüren kannst du eine Entladung erst ab etwa 2 bis 3 kV, sehen erst bei deutlich höheren Spannungen. Alles darunter bleibt unbemerkt – für empfindliche Bauteile aber nicht ohne Folgen.

Was im Bauteil passiert

Die Energie einer Entladung ist klein, doch sie wird in Nanosekunden auf winzigem Raum umgesetzt. Die gespeicherte Energie eines geladenen Körpers berechnest du wie bei jedem Kondensator:

Typische Schadensbilder sind:

• Durchschlag des Gate-Oxids: Die isolierende Schicht unter dem Gate eines MOSFETs ist nur wenige Nanometer dick und schlägt schon bei einigen zehn Volt durch. Moderne CMOS-ICs, MOSFETs und Hochfrequenz-Transistoren sind deshalb besonders empfindlich.
• Aufschmelzen von Leiterbahnen auf dem Chip, Bonddrähten oder pn-Übergängen durch den kurzen, hohen Strom.

Fällt das Bauteil sofort aus, ist das ärgerlich, aber leicht zu finden. Schlimmer sind latente Schäden: Das Bauteil ist vorgeschädigt, funktioniert aber zunächst. Erhöhte Leckströme, verschobene Schwellspannungen oder eine geschwächte Oxidschicht führen erst Wochen oder Monate später zum Ausfall – im Gerät beim Kunden. Solche Fehler sind bei der Fehlersuche kaum zuzuordnen.

Prüfmodelle: HBM und CDM

Wie viel ein Bauteil verträgt, steht im Datenblatt als ESD-Festigkeit. Gemessen wird nach genormten Modellen:

• HBM (Human Body Model) bildet einen geladenen Menschen nach, der einen Pin berührt: ein Kondensator mit 100 pF entlädt sich über 1,5 kΩ in das Bauteil. Der Puls steigt in wenigen Nanosekunden an und klingt mit der Zeitkonstante τ = R · C = 1,5 kΩ · 100 pF = 150 ns ab. Übliche ICs halten 1 bis 2 kV aus, empfindliche Bauteile weniger als 250 V.
• CDM (Charged Device Model) bildet den Fall nach, dass sich das Bauteil selbst auflädt – etwa beim Rutschen durch ein Röhrenmagazin oder in einem Bestückungsautomaten – und sich dann über einen Pin entlädt. Der Puls ist kürzer als eine Nanosekunde, dafür ist der Spitzenstrom hoch. In der automatisierten Fertigung ist CDM heute die häufigere Ursache.

Das ältere Machine Model (MM) ist nicht mehr gebräuchlich.

Der Unterschied ist wichtig: Die Schutzstrukturen auf dem Chip sind für die Handhabung in der Fertigung ausgelegt (HBM, CDM), nicht für die Entladung eines Kunden an einen USB-Stecker. Dafür muss die Schaltung selbst sorgen – siehe unten.

Der ESD-geschützte Arbeitsplatz

In Fertigung und Labor gibt es ESD-Schutzzonen, kurz EPA (Electrostatic Protected Area), deren Anforderungen DIN EN 61340-5-1 festlegt. Das Ziel: Alles, was ein Bauteil berührt, liegt auf demselben Potential, und Ladungen fließen langsam und kontrolliert zur Erde ab.

• Erdungsarmband: Ein leitfähiges Band am Handgelenk verbindet dich über ein Spiralkabel mit dem Erdungspunkt. Im Kabel sitzt ein Widerstand von 1 MΩ. Er bremst die Entladung und schützt dich, falls du versehentlich an Netzspannung gerätst.
• Ableitfähige Arbeitsunterlage: Eine Tischmatte aus ableitfähigem Material, ebenfalls an den Erdungspunkt angeschlossen. Sie leitet Ladung langsam ab, sodass es beim Ablegen einer geladenen Platine keinen Funken gibt.
• Boden, Schuhe, Kleidung, Stuhl: In größeren EPAs ableitfähige Fußböden mit passenden Schuhen und Kitteln.
• Isolatoren fernhalten: Styropor, Kunststofffolie, Klarsichthüllen und gewöhnliches Klebeband haben am Arbeitsplatz nichts zu suchen, denn ihre Ladung lässt sich nicht ableiten.

Für die Werkstatt zu Hause genügt meist ein Armband und eine Matte, angeschlossen über einen Erdungsstecker, der nur den Schutzkontakt der Steckdose nutzt.

Verpackung und Transport

Empfindliche Bauteile und bestückte Platinen gehören in ESD-Verpackung. Es gibt drei Sorten mit unterschiedlicher Wirkung:

• Abschirmbeutel (silbrig-durchscheinend): Eine dünne Metallschicht wirkt wie ein faradayscher Käfig. Entladungen und äußere Felder erreichen den Inhalt nicht. Erste Wahl für Lagerung und Versand.
• Antistatische Beutel (meist rosa): Sie laden sich selbst kaum auf, schirmen aber nicht ab. Sie eignen sich nur innerhalb einer EPA.
• Leitfähiger Schaumstoff (schwarz): Er schließt alle Pins eines ICs miteinander kurz, sodass zwischen ihnen keine Spannung entstehen kann.

Ein gelbes Dreieck mit durchgestrichener Hand auf der Verpackung warnt vor ESD-empfindlichem Inhalt. Öffne solche Beutel nur am geerdeten Arbeitsplatz und fass Bauteile am Gehäuse, Platinen am Rand an.

ESD-Schutz auf der eigenen Platine

Ein fertiges Gerät muss Entladungen an Steckern, Tasten und Gehäuseteilen aushalten – die Norm für die EMV-Prüfung ist IEC 61000-4-2, mit typisch 4 bis 8 kV Kontakt- und bis zu 15 kV Luftentladung. Die Schutzdioden im IC allein schaffen das nicht. Deshalb setzt du an jede Leitung, die nach außen geht, eine TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor) oder ein ESD-Schutz-Array:

• Die TVS-Diode sperrt im Normalbetrieb. Steigt die Spannung über ihre Durchbruchspannung, wird sie in Nanosekunden niederohmig und leitet den Puls nach Masse ab – ähnlich einer sehr schnellen Z-Diode.
• Ihre Arbeitsspannung muss knapp über der Signalspannung liegen, die Klemmspannung unter dem, was das IC verträgt.
• Für schnelle Datenleitungen wie USB oder HDMI brauchst du Typen mit sehr kleiner Kapazität (unter 1 pF), sonst verschleift sie die Signale.

Entscheidend ist die Platzierung: Die TVS-Diode gehört direkt hinter den Stecker, noch vor alle anderen Bauteile, mit einer kurzen, breiten Verbindung zur Massefläche. Jeder Millimeter Leiterbahn hat Induktivität; bei Anstiegszeiten unter einer Nanosekunde entstehen daran Spannungsspitzen, die den Schutz zunichtemachen. Ein kleiner Serienwiderstand zwischen TVS und IC-Pin begrenzt zusätzlich den Reststrom.

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