ESD Schutz beim Verpacken von Elektronischen Bauteilen

Sie kennen das: Kurz unglücklich den falschen Gegenstand berührt – schon kriegen Sie „einen Schlag“. Grund ist die elektrostatische Entladung (ESD = Electrostatic Discharge) die für uns Menschen bei Aufladungen ab rund 2.000 Volt spürbar wird. Geringere Mengen sind in der menschlichen Wahrnehmung nicht spürbar. Was für Menschen in einer Schrecksekunde etwas schmerzhaft ist, kann für elektronische Geräte richtig bedrohlich sein. So können Sie Ihre Ware mithilfe Verpackung während Lagerung, Versand und Transport vor ESD schützen:

Was ist ESD?

ESD ist die Abkürzung von  Electro-Static-Discharge, was soviel bedeutet wie „Elektrostatische Entladung“. Durch große elektrische Spannung (auch Potentialdifferenz genannt) entstehen so genannte 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 oder eine Personengefährdung durch einen elektrischen Schlag. Andere Folgen dieser  elektrostatischer Entladungen sind Schäden an  elektrischen Teilen in Geräten.

Ursache dieser Spannung ist meiste eine Aufladung durch Reibung. Denn immer wenn Reibung entsteht entsteht auch Elektrizität. Das klassische Beispiel: Gehen Sie mit Gummisohlen auf Teppichboden und fassen im Anschluss die metallene Türklinke an gibt es einen kleinen spürbaren „Strom“schlag. Ursache: Die Gummisohle erzeugt Reibung auf dem Teppichboden, die durch die Reibung erzeugten Elektroden gehen vom Teppich auf das Gummi und die Schuhe über, diese werden negativ aufgeladen. Das Gummi isoliert jedoch in Richtung Teppich und mit jedem Schritt werden Sie weiter aufgeladen. Der Körper möchte diese überschüssige Energie loswerden, was dann beim anfassen der metallischen Türklinke passiert. Interessant ist dass man im Sommer seltener einen Stromschlag bekommt als im Winter, dies liegt daran dass die Luftfeuchtigkeit in der Regel höher ist und die überschüssigen Elektroden daher direkt über die Haut abgegeben werden. 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.

Der wirtschaftliche Schaden durch ESD beim Versand

Gerade höher entwickelte Komponenten können bereits bei einer Spannung von 100 Volt beschädigt werden – und damit weit unterhalb der von Menschen wahrnehmbaren Grenze von etwa 2.000 Volt. So bleiben rund 90% aller elektrostatischen Entladungen völlig unbemerkt. Wer häufig elektronische Bauteile versendet, weiß: Vor allem durch Reibung entsteht immer wieder elektrostatische Entladung, die empfindliche Produkte beschädigen, in ihrer Lebensdauer verkürzen oder sogar komplett zerstören kann.

Es ist schwer, hier genaue Zahlen zu finden, da die tatsächlichen Kosten von verschiedenen Faktoren abhängen, wie z.B. der Art der elektronischen Produkte, der Häufigkeit von ESD-Ereignissen, den verwendeten Präventionsmaßnahmen und der Effizienz der Fehlererkennung und -behebung. Die Daten eines Halbleiterherstellers legen nahe, dass bei etwa einem Viertel der als defekt zurückgegebenen Bauteile ein ESD-Schaden vorlag. Zusätzlich dazu zeigt sich, dass ESD-Schäden oft systematisch auftreten, also wiederholt an derselben Stelle, was die Gefahr erhöht, dass mehrere Bauteile beschädigt werden.

Besonders gravierend: Im Gegensatz zu anderen Arten von Bauteilschäden können typische ESD-Schäden in der Regel nicht durch die üblichen Produkttests während der Herstellung erkannt werden. Dadurch werden die betroffenen Produkte erst nach dem Ausfall beim Kunden entdeckt. Neben den direkten Reparaturkosten (Material und Arbeitszeit) entstehen zusätzliche Kosten durch Strafzahlungen, Ersatzleistungen und einen möglichen Imageschaden beim Kunden. Dadurch steigen die Gesamtkosten auf ein Vielfaches des eigentlichen Schadens. Selbst bei Bauteilkosten von nur wenigen Cent bis zu einigen Euros können so schnell Kosten von mehreren 10.000 Euro entstehen.

Welche Schutzmaßnahmen gegen ESD gibt es?

• ESD-sichere Arbeitsumgebung: Einrichtung von ESD-sicheren Arbeitsbereichen, die mit ableitfähigen Böden, ESD-sicheren Arbeitsplätzen und speziellen ESD-Ableitmatte, -Stühlen und -Werkzeugen ausgestattet sind.
• Boden- und Personenschutzausrüstung: Verwendung von ableitfähigen Bodenbelägen, ESD-sicheren Schuhen und ESD-Armbändern, um elektrostatische Ladungen von Personen abzuleiten und die Akkumulation von Ladungen zu verhindern.
• Kontrolle der Luftfeuchtigkeit: Aufrechterhaltung eines angemessenen Feuchtigkeitsniveaus in den Produktionsbereichen, da eine moderate Luftfeuchtigkeit dazu beiträgt, elektrostatische Ladungen zu reduzieren.
• Erdung und Ableitung: Einsatz von ESD-sicheren Ableit- und Erdungseinrichtungen, um elektrostatische Ladungen sicher von empfindlichen Bauteilen und Produkten abzuleiten.
• Schulung und Sensibilisierung: Schulung der Mitarbeiter über die Risiken und Präventionsmaßnahmen im Umgang mit ESD sowie regelmäßige Sensibilisierungskampagnen, um das Bewusstsein für die Bedeutung von ESD-Schutzmaßnahmen zu stärken.
• Qualitätskontrolle und Prüfung: Implementierung von Qualitätssicherungsmaßnahmen und -prüfungen, um sicherzustellen, dass die hergestellten Produkte den erforderlichen ESD-Schutzstandards entsprechen und frei von ESD-Schäden sind.
• ESD sichere Verpackung: Verwendung von ESD-sicheren Verpackungsmaterialien und -behältern, um die empfindlichen Bauteile während der Lagerung und des Transports vor elektrostatischen Entladungen zu schützen.

Was ist eine ESD Verpackung?

Eine ESD Verpackung ist speziell für den Versand von elektronischen Produkten. Zwar lässt sich ESD nicht vermeiden, durch fachgerechte ESD Postverpackungen oder auch antistatische Verpackungen allerdings gut beherrschen. Die Verpackungen bestehen aus antistatischen Materialien die die elektrischen Spannungsimpulse bereits von der Oberfläche der Verpackung ableiten, wodurch die Entladung innerhalb der Verpackung vermieden wird.

Die Bedeutung von ESD Verpackungen

Je früher der Schaden bemerkt wird, desto günstiger ist die Schadensbehebung. Wird beispielsweise bereits vor der Fertigung, auf Bauteilebene, eine Schaden festgestellt, entstehen Kosten durch die zu ersetzenden Bauteile und einen eventuellen Produktionsstopp. Wird der Fehler noch vor dem Versand, also am fertigen Produkt festgestellt, kommen zu den beiden Faktoren oben noch die Kosten für die Fehlersuche, die Reparaturkosten, die Prüfkosten und Kosten für die Lieferverzögerung hinzu. Ganz schlimm wird es, wenn der Schaden erst beim Kunden, also nach dem Versand festgestellt wird: Jetzt entstehen Kosten für den Austausch bzw. der Reparatur, die Außendienst- bzw. erneute Lieferkosten, möglicherweise Schadenersatz und darüber hinaus der entstandene Imageschaden. Daher kommt dem letzten Punkt, der ESD sicheren Verpackung, eine immens große Bedeutung zu:

Die Norm für ESD Verpackung

Die DIN EN 61340-5-3 klassifiziert die Materialeigenschaften von ESD Verpackungen und beschreibt die Widerstandseigenschaften für diese Materialien. Schutzschichten müssen demzufolge leitfähig sein und sollen niedrige Widerstände (Abschirmschicht bis 102 Ω, Ableitschicht etwa 107-108 Ω) aufweisen. Verpackungen werden dabei in 3 Kategorien eingeteilt je nach elektrischer Leitfähigkeit und müssen bei Erfüllung der Kriterien auch mit dem ESD Schutzsymbol und dem entsprechenden Buchstaben versehen werden:

Kategorie (S) für „Shielding“

Diese Verpackungen genügen den höchsten Ansprüchen des ESD Schutzes. Sie haben durch spezielle Beschichtungen eine   abschirmende Wirkung gegen elektrostatische Entladung und bilden somit eine Sperre oder Hülle, die den Stromdurchgang begrenzt und die Energie einer  elektrostatischen Entladung stark dämpft. Ein Beispiel dafür sind Metallisierte Highshield Luftpolsterbeutel. Sie schützen elektronische Produkte gleich doppelt, da sie aus einer 4-lagigen, metallisierten Highshield-Folie und einer gut dämpfenden, antistatischen Luftpolsterschicht bestehen. Damit schützen sie vor elektrostatischer Aufladung und gleichzeitig vor Stößen. Die Highshield-Folie wirkt besonders abschirmend. Ist der Beutel komplett geschlossen, bildet sich ein Faradayischer Käfig um Ihr Produkt, der gefährliche Ladungen ableitet – ähnlich, als würden Sie bei einem Gewitter sicher in Ihrem Auto sitzen. Ein wiederverschließbarer Haftklebeverschluss mit abziehbarem Schutzstreifen sichert den Beutel schnell, einfach und zuverlässig.

Nach dem gleichen Prinzip schützen Schaumverpackungen empfindlichen Inhalt: Die Box selbst wirkt ebenfalls wie ein Faradayscher Käfig, im Inneren fixiert Schaum das Produkt und dämpft zuverlässig Stöße. Die Boxen sind sofort verwendbar, da Box und Schaumpolsterung bereits montiert geliefert werden. Mit Tape oder Umreifungsband verschlossen und Adressetikett ist sie bestens als Postverpackung geeignet. Die metallisierten Highshield Beutel gehen noch in Bezug auf ESD Schutz noch einen Schritt weiter: Sie verfügen über mehrere Schichten aus ableitenden Lacken, Polyester- sowie Polyethylen-Trägern und einen Aluminium-Metallüberzug. Dadurch schützen sie nicht nur als eigener Faradayscher Käfig ihre Inhalte vor elektrostatischer Aufladung, sie sind außerdem besonders stoß- sowie reißfest – bei einem Leitungswiderstand von E<15 nJoule.

Kategorie (D) für „dissipativ“

Die Verpackung leitet Reibungselektrizität über ihre Oberfläche vom Inhalt ab, durch einen Oberflächenwiderstand von > 1 X 10² Ω und < 1 X 1011 Ω. Dazu gehören beispielsweise antistatische Flachbeutel oder antistatische Luftpolsterfolien.

Kategorie (C) steht für „Conductive“:

Die Verpackung ist elektrostatisch leitfähig und hat einen Oberflächenwiderstand von > 1 X 10² Ω und < 1 X 10⁵ Ω . Sie leiten die Reibungselektrizität vom Packungsinhalt ab.

Antistatische Verpackung zum Schutz gegen statische Aufladung

Bei der Verpackung von elektronischen Bauteile sollte bei allen Bestandteilen der Verpackung an ableitfähige oder sogar abschirmende Materialien gedacht werden:

• Antistatische Beutel
  • Ableitfähig: Kleinere Einzelteile werden am besten in antistatischen Beuteln verpackt – diese gibt es mit Druckverschluss und aus ableitfähiger PE-Folie. Für den etwas besseren Polsterschutz greifen Sie am besten zu antistatischen Luftpolster- bzw. Schaumpolsterbeuteln.
  • Abschirmend: Noch höheren Schutz gegen elektrische Aufladung bieten die metallisierten Highshield Beutel. Auch diese erhalten Sie als Luftpolsterbeutel oder als „einfache“ Flachbeutel – mit und ohne Druckverschluss.
• Antistatisch Polstern/Schützen im Karton:
  Sollen größere Bauteile in einem Umkarton fixiert und gepolstert werden, bieten sich antistatische Noppenschaumstoff-Platten oder Schaum-Platten sowie antistatische Luftpolsterfolie an.
• Antistatischer Karton
  Wenn die elektrischen Bauteile in einer rundum abschließenden, ableitfähigen oder sogar abschirmenden Einzelverpackung (sei es in Beuteln, Luftpolsterfolie oder Schaumplatten) „verhüllt“ sind, können diese getrost in einem „normalen“ Karton versendet und transportiert werden. Maximalen Schutz bieten jedoch auch die praktischen „All-in-one-Lösungen“ mit der Noppenschaumverpackung Highshield oder dem Versandkarton mit elektrisch leitfähigem Steckschaum.
• Antistatisch Umstretchen
  Stretchfolie verbindet die Kartons mit der Palette und gibt der Palettenladung Halt. Mit antistatischer Folie kann diese „Schicht“ zum zusätzlichen Schutz von elektrostatisch empfindlichen Produkte genutzt werden.
• Antistatisch Kennzeichnen
  Elektrostatische Entladungen als völlig gängiges Alltagsphänomen lassen sich nicht vermeiden. Durch die entsprechende Schutzverpackung lässt sich aber das Risiko auf ein Minimum reduzieren. Als Ergänzung zur antistatischen Verpackung empfiehlt sich die Verwendung des entsprechenden Warnetikettes. Dieses weist gut sichtbar auf elektronisch gefährdete Bauteile hin und legt nahe, die so gekennzeichnete Verpackung bzw. Palette keinen Magnetfeldern, möglichst wenig Reibung und auch keinen extrem staubigen Umgebungen auszusetzen.

Sollten Sie sich nicht mit einem Antistatikband erden, werden auch Sie früher oder später wohl wieder einen „Schlag“ abbekommen. Für Ihre empfindlichen Elektronikprodukte stellt ESD dank der richtigen Verpackung allerdings keine Gefahr mehr dar.