ESD verstehen: von der Reibung bis zum Bauteilschaden

ESD steht für electrostatic discharge, die schlagartige Entladung eines aufgeladenen Körpers. Das Tückische daran: Deine Wahrnehmungsschwelle liegt bei etwa 3.000 Volt, empfindliche Halbleiter nehmen aber schon unter 100 Volt Schaden. Alles, was darunter passiert, merkst du nicht – der Ausfall taucht erst Wochen später beim Kunden auf. Dieser Artikel erklärt die Physik und die Normenlage dahinter, nicht die Schuhauswahl.

Wie sich ein Mensch auflädt

Verantwortlich ist der triboelektrische Effekt: Berühren sich zwei Materialien und trennen sich wieder, bleiben Elektronen beim einen hängen und fehlen beim anderen. Beim Gehen passiert genau das bei jedem Schritt zwischen Sohle und Boden, dazu kommt das Aufstehen vom Stuhl und das Auspacken aus Kunststofffolie. Wie hoch die Spannung steigt, hängt an der Materialpaarung – und massiv an der Luftfeuchte. Auf Kunststoffböden und Teppich sind bei sehr trockener Winterluft Werte im zweistelligen Kilovolt-Bereich dokumentiert, bei feuchter Sommerluft bleiben in derselben Situation ein paar hundert Volt übrig, weil ein dünner Feuchtefilm die Ladung laufend abführt.

Der Mensch wird dabei als Kondensator behandelt. Das Human Body Model rechnet mit rund 100 Pikofarad Körperkapazität und 1.500 Ohm Innenwiderstand – genug für einen Strompuls im Amperebereich, der nach wenigen hundert Nanosekunden vorbei ist.

Was die Ladung im Bauteil anrichtet

In der Mikroelektronik trifft dieser Puls auf Isolationsschichten von wenigen Nanometern Dicke. Das Gate-Oxid eines MOSFET durchschlägt, Leiterbahnen schmelzen lokal auf, pn-Übergänge bekommen einen Kurzschlusspfad. Laserdioden und Leseköpfe liegen mit ihrer Schwelle sogar unter 30 Volt.

Zwei Schadensbilder werden unterschieden. Der Totalausfall fällt in der Endprüfung auf. Teurer ist der latente Schaden: Die Struktur ist angeschmolzen, funktioniert aber noch und altert beschleunigt. Solche Baugruppen durchlaufen jeden Test und fallen im Feld aus.

Die EPA: eine Zone, ein Erdungspunkt

Die IEC 61340-5-1 beschreibt kein einzelnes Produkt, sondern ein Programm. Kern ist die EPA, die electrostatic protected area: ein markierter Bereich, in dem alle leitfähigen und ableitfähigen Gegenstände – Tischauflage, Regal, Stuhl, Werkzeug, Mensch – über definierte Widerstände mit einem gemeinsamen Erdungspunkt verbunden sind. Weil alles auf demselben Potenzial liegt, fließt beim Berühren kein Ausgleichsstrom.

Isolatoren sind der Gegenspieler: Eine Kaffeetasse, eine Klarsichthülle oder eine unbehandelte Kunststoffbox lässt sich nicht erden. Sie werden aus der Zone entfernt, auf Abstand gehalten oder mit einem Ionisator neutralisiert.

Für den Personenschutzpfad heißt das: Schuh und Boden liegen in Reihe. Der ableitfähige Bodenbelag ist mit dem Erdungspunkt verbunden, die Sohle stellt den Kontakt her, und beide Widerstände addieren sich. Ein perfekter Schuh auf versiegeltem PVC misst gegen unendlich – deshalb kauft niemand ESD-Schuhe, ohne den Boden mitzuplanen. Welche Schuhe dafür in Frage kommen, steht auf der Seite zu ESD-Arbeitsschuhen.

Das Messverfahren am Personentester

Am EPA-Eingang steht üblicherweise ein Personen-Erdungsprüfgerät. Du stellst dich auf zwei getrennte Metallplatten und legst eine Hand auf die Elektrode. Das Gerät legt 100 Volt Gleichspannung an und misst den Widerstand über den Weg Hand, Körper, Fuß, Sohle, Platte. Beide Füße werden nacheinander geprüft, weil eine einzelne beschädigte oder verschmutzte Sohle sonst untergeht.

Der Grenzwert für den Pfad Person plus Schuhwerk gegen Erde liegt bei 3,5 × 10⁷ Ohm, also 35 Megaohm. Die Norm lässt einen höheren Wert bis 10⁹ Ohm zu, wenn im Gehversuch nachgewiesen wird, dass die Körperspannung dabei unter 100 Volt bleibt – gemessen wird dann nicht der Widerstand, sondern direkt die Aufladung beim Laufen auf dem echten Boden. Beide Prüfungen sind Momentaufnahmen: Der Widerstand steigt mit Abrieb, Schmutzfilm und sinkender Luftfeuchte. Isolierende Einlagen und Socken treiben ihn zusätzlich hoch – dazu die Ratgeber zu Einlegesohlen und Socken.

Antistatisch ist nicht ableitfähig

Jeder Sicherheitsschuh nach EN ISO 20345 ist antistatisch (A) und darf zwischen 0,1 und 1.000 Megaohm liegen. Die Untergrenze schützt dich selbst: Bei zu kleinem Widerstand würdest du bei Kontakt mit Netzspannung zum Strompfad. Die Obergrenze verhindert Zündfunken in Bereichen mit brennbaren Dämpfen. Beides ist Personen- und Brandschutz, kein Bauteilschutz.

Rechne es nach: Mit 100 Pikofarad Körperkapazität ergibt sich bei 1.000 Megaohm eine Abklingzeitkonstante von 0,1 Sekunden, bei 35 Megaohm von 3,5 Millisekunden. In der Zehntelsekunde zwischen Aufstehen und Zugreifen hast du das Bauteil längst in der Hand. Genau darum verengt die ESD-Welt das Fenster, und darum steht das ESD-Symbol getrennt von der Schutzklasse am Schaft – nachzulesen bei den Kennzeichnungen. Wann ein Schuh die Grenze überschreitet, klärt der Beitrag wie oft wechseln; weitere Grundlagen sammelt der Ratgeber.

Häufige Fragen