Electrostatic Discharge
4.10 ELECTROSTATIC DISCHARGE PREVENTION
Electrostatic Discharge (ESD) kann zu sofortigem Geräteausfall, permanenten Parameterverschiebungen und latenten Schäden führen, die eine erhöhte Degradationsrate verursachen.120 Um ESD-Gefährdungen während der Lagerung, Handhabung und Verteilung zu vermeiden, werden die elektronischen Produkte in eine ESD-Verpackung, wie z. B. Abschirmbeutel oder ableitfähige Schäume oder Behälter mit inneren und äußeren Oberflächen mit statisch ableitenden oder leitfähigen Eigenschaften, gelegt.120 Nach ANSI/ESD S541-2008 kann die ESD-Verpackung wie folgt definiert werden:121
–
Dissipative Materialien: einen Oberflächenwiderstand größer oder gleich 104 Ω, aber kleiner als 1011 Ω, oder einen Volumenwiderstand größer oder gleich 104 Ω, aber kleiner als 1011 Ω
–
leitfähige Materialien: einen Oberflächenwiderstand kleiner als 104 Ω.; volumenleitfähige Werkstoffe müssen einen Volumenwiderstand von weniger als 104 Ω aufweisen
–
Elektrische Felder abschirmende Werkstoffe: einen Oberflächenwiderstand von weniger als 103 Ω oder einen Volumenwiderstand von weniger als 103 Ω
–
isolierende Werkstoffe: einen Oberflächenwiderstand von größer oder gleich 1011 Ω oder einen Volumenwiderstand von größer oder gleich 1011 Ω.
Ruß wird häufig als leitfähiger Füllstoff zu Polymeren hinzugefügt, die für Verpackungsanwendungen verwendet werden, oder es werden auch rußhaltige Oberflächenbeschichtungen eingesetzt.120 Auch Graphit und Kohlenstoff-Nanoröhrchen werden verwendet, häufig in Mischungen mit Ruß.120 Ein Synergieeffekt von Graphen-Nanoplättchen und Ruß als leitfähiger Füllstoff für Polyvinylalkohol-Folien für elektrostatisch entladene Verpackungsmaterialien wurde untersucht.120 Das Komposit mit Graphit/Ruß-Verhältnissen von 10:90 und 30:70 führte zu einem starken Abfall des Oberflächenwiderstands um 5 bis 8 Größenordnungen bei einer Füllstoffbeladung von 8-10 Gew.-%.120 Der Volumenwiderstand der resultierenden Folie wies über alle Beladungen hinweg konstante und gleichbleibende Bereiche zwischen 108 und 1012 Ωcm auf.120 Die hohe Beladung von Graphiten in Hybridgraphit/Ruß hatte keinen Einfluss auf die Erhöhung der Oberflächen- und Volumenleitfähigkeiten der Verbundfolie (Abbildung 4.43).120 PVOH-Folie allein kann als dissipative Folie verwendet werden.120 Wenn die leitfähigen Füllstoffgehalte im Bereich von 10-12 Gew.-% liegen, wurde der Oberflächenwiderstand der Folie kleiner als 103 Ω, und der Volumenwiderstand blieb im dissipativen Bereich von 108-1011 Ωcm.120 Diese hohe Leitfähigkeit führt zur Bildung eines Faradayschen Käfigs, wenn ein kompletter Beutel oder eine Verpackung aus dem Material hergestellt wird.120
Abbildung 4.43. Durchgangswiderstand von Polyvinylalkohol-Verbundwerkstoff mit 6 Gew.-% Graphit/Ruß-Füllstoffgemisch mit unterschiedlichem Graphitanteil. Der spezifische Widerstand wurde bei 22 °C und 37 % relativer Luftfeuchtigkeit gemessen.
Copyright © 2017
Die mit Polyanilin beschichteten Füllstoffe aus pyrogener und gefällter Kieselsäure wurden in ihren Kompositen mit Nitrilkautschuk für die Anwendung in elektrostatischen Entladungsmaterialien verwendet.122 Das PANI verbessert nicht die mechanische Festigkeit der Polymermatrix, aber es haftet an der Kieselsäure, die als Füllstoff in der Polymermatrix verwendet wird, was zu einer gewissen Verbesserung der mechanischen Eigenschaften führt.122 Die Beschichtung von PANI auf Ton, Kieselsäure, Silikaten, Ruß, Polymethylmethacrylat ist für die Herstellung von leitfähigen Füllstoffen geeignet, die eine leichtere Alternative zu Metallpulvern sind, die häufig in den elektrischen Entladungsmaterialien verwendet werden.122 Der Maximalwert der Gleichstromleitfähigkeit wurde bei einem Kieselsäure/PANI-Verhältnis von 1:2 erreicht.122 Leitfähige Polymerkomposite sollten leitfähigen Füllstoff so dispergiert enthalten, dass sich durch Aggregation leitfähiger Füllstoffpartikel in einer isolierenden Matrix einige zusammenhängende leitfähige Netzwerke bilden.122 Dieses leitfähige Netzwerk kann erst jenseits der kritischen (Perkolationsgrenze) Konzentration des Füllstoffs gebildet werden.122 Die Perkolationsgrenze hängt von den Füllstoffeigenschaften wie Größe, Oberfläche und Gruppen und der Aggregatstruktur sowie von den Eigenschaften des Matrixpolymers einschließlich der Viskosität und dem Vorhandensein polarer Gruppen ab.122 Vergleicht man die Auswirkung von pyrogener und gefällter Kieselsäure auf die Leistung, so hat pyrogene Kieselsäure eine kleinere Partikelgröße und eine größere Oberfläche, und es wird mehr PANI-Beschichtung benötigt.122 Die sauren Gruppen sind auf den pyrogenen Kieselsäurepartikeln vorhanden und die basischen Gruppen auf der gefällten Kieselsäure.122 Die saure pyrogene Kieselsäure bewirkt eine partielle Dotierung des auf ihrer Oberfläche abgeschiedenen PANI, was zu einer höheren Leitfähigkeit und einer agglomerierten Struktur führt.122 Dies verleiht den NBR-Verbundwerkstoffen eine höhere Leitfähigkeit im Vergleich zu PANI-beschichteter gefällter Kieselsäure.122
Polymere Verbundwerkstoffe mit leitenden oder halbleitenden Füllstoffen, die für die elektrostatische Entladung entwickelt wurden, sollten eine nichtlineare Spannungscharakteristik aufweisen, die sich im normalen Schaltkreisbetrieb wie ein Isolator (Dielektrikum) verhält und leitend wird, wenn die Spannung einen vordefinierten Schwellenwert überschreitet.123 Das Material wird wieder zum Isolator, nachdem die Spannung bei normalem Betrieb wieder unter den Schwellenwert sinkt.123 Das hohe Aspektverhältnis der Kohlenstoffnanoröhren ermöglicht die Bildung von elektrisch leitenden Pfaden in der Polymermatrix bei einer sehr kleinen Perkolationskonzentration mit nichtlinearer Spannungscharakteristik.123 Wenn die angelegte Spannung niedrig ist, zeigt das Komposit ein ohmsches Verhalten.123 Aber wenn die angelegte Spannung erhöht wird, zeigt das Komposit das nichtlineare Verhalten.123 Die Elektronenkonzentration, die vom Leitungsband der Kohlenstoffnanoröhre in die Epoxidmatrix hüpft, nimmt mit der Spannung schnell zu.123 Der Hopping-Effekt und der Tunneleffekt waren die Hauptursachen für das starke nichtlineare Spannungsverhalten in den Kompositen unter den erhöhten angelegten Spannungen.123
Ein elektrostatischer Entladungsschutz wurde für Leiterplatten und andere elektronische Geräte entwickelt.124 Die Zusammensetzung zum Füllen eines Entladungsspalts besteht aus einem Metallpulver (mindestens ein Teil der Oberfläche des Metalls ist mit einem Film aus einem Hydrolyseprodukt eines Metallalkoxids beschichtet), einem Aluminiumpulver und einer Bindemittelkomponente (wärmehärtendes Polyurethan).124 Tantal oder Hafnium, Silizium sind bevorzugte Metallpulver.124
Die elektrostatisch ableitenden elektronischen Verpackungsmaterialien basieren auf elektrisch leitfähigen, mit Nanofüllstoffen dekorierten Polyurethanschäumen.125 Die Schäume sind mit einer Polymerbeschichtung versehen, die 0,003 bis 2,97 Vol.-% Beladung mit elektrisch leitenden Materialien (z. B. leitendes Polymer, funktionalisierte Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen-Analoga usw.) über/auf der ansonsten elektrisch isolierenden Oberfläche des Schaums enthält.125 Diese Schaumstoffe eignen sich auch für antistatische Staubfilter, Reinraum-/Medizinbekleidung, statikfreies Schuhwerk, statisch ableitende Polstermöbel, antistatische/ableitende Bodenbeläge/Fliesen usw.125
Im industriellen Umfeld stellt die elektrostatische Entladung eine erhebliche Gefahr dar. Sie ist verantwortlich für Brände und Explosionen aufgrund der Entzündung von Staub und Dampf.126 Beton- oder Zementböden haben inhärente antistatische Eigenschaften, aber sie haben keine dekorativen Eigenschaften.126 Harzböden sind ästhetisch ansprechend, leicht zu reinigen und einfach zu dekontaminieren.126 Sie haben auch eine thermische, mechanische und chemische Beständigkeit und werden daher häufig im industriellen Umfeld eingesetzt, aber in unmodifizierter Form bieten sie keine antistatischen Eigenschaften.126 Eine geeignete Bodenbelagszusammensetzung kann aus einer Mischung von (einer Vielzahl von) härtbaren Harzen und Kohlenstoff- und Edelstahlfasern (0,3 Gew.-%) hergestellt werden.126 Die Edelstahlfasern haben eine Länge von 3 bis 6 mm und einen Durchmesser von 6 bis 8 μm.126 Die Mischung enthält außerdem bis zu 40 Gew.-% eines mineralischen Füllstoffs wie Kieselsäure, Bariumsulfat oder Kalziumkarbonat.126
Statische Ladung entsteht, wenn zwei Isolatoren aneinander reiben und sich dann trennen.127 Einer der Isolatoren gewinnt Elektronen, während der andere sie verliert. Dadurch entsteht eine unausgewogene (statische) Ladung.127 Diese statische Ladung kann sich dann von einer Oberfläche zur anderen entladen, entweder wenn sich die beiden Oberflächen berühren oder wenn die Isolierfähigkeit des Mediums, das die beiden Oberflächen trennt (z. B. Luft), überschritten wird.127 Diese Bewegung statischer Ladung wird als elektrostatische Entladung bezeichnet.127 Ein ESD-Ereignis von nur 5 V beschädigt Telefongeräte, Leiterplatten, vernetzte Computer, medizinische Geräte usw..127 ESD kann auch einen Schwellenwert von etwa 3.000 bis 3.500 V erreichen und für Menschen gefährlich werden. Leitfähige Klebstoffzusammensetzungen auf wässriger Basis umfassen einen Klebstoff auf wässriger Basis und Ruß, Graphit oder deren Kombinationen.127 Die Klebstoffzusammensetzungen auf wässriger Basis sind wirksam bei der Verhinderung des Aufbaus statischer Ladung und bei der Verringerung elektrostatischer Entladungen.127 Die Klebstoffzusammensetzungen auf wässriger Basis können mit Treibmitteln gemischt und mit einem Aerosolverteilungssystem auf Substrate aufgetragen werden.127 Die wässrigen Klebstoffzusammensetzungen können leicht auf jedes Substrat wie z. B. Böden, Wände, Decken und dergleichen aufgeklebt werden.127 Der wässrige Klebstoff umfasst eine Acrylemulsion, eine Acryl-Copolymer-Emulsion, eine carboxylierte SBR-Emulsion oder eine Styrol-Acryl-Copolymer-Emulsion.127
Die verformbaren elastomeren Leiter umfassen eine elastomere Polymermatrix und leitfähiges Füllmaterial, das gleichmäßig in der elastomeren Polymermatrix dispergiert ist, um das Material elektrisch leitfähig zu machen.128 Das leitfähige Füllmaterial kann nicht-verschlungene Partikel mit einem ausreichend großen Aspektverhältnis enthalten, um es den Partikeln zu ermöglichen, in Kontakt und/oder in unmittelbarer Nähe zu benachbarten Partikeln zu bleiben, um leitfähige Pfade in dem Material aufrechtzuerhalten, wenn das Material einer Verformung von bis zu und mehr als 10 % Dehnung unterworfen wird.128 Somit erleidet die Übertragung eines elektrischen Signals über eine Übertragungsstrecke durch den Leiter nicht mehr als etwa 3 dB an Signaldämpfung, wenn es der Verformung unterworfen wird.128 In der vorliegenden Erfindung wurde eine nickelbeschichtete Kohlenstofffaser mit einer großen Anzahl von Matrixpolymeren getestet.128 Viele andere längliche Füllstoffe können ebenfalls verwendet werden.128
Die programmierbaren Logikbausteine, kundenspezifischen integrierten Schaltungen, analogen integrierten Schaltungen, CPUs, GPUs und anderen integrierten Schaltungen erfordern eine große Anzahl von Eingangs-/Ausgangsschaltungen, während sie relativ kleine Kernschaltungsbereiche haben.129 Der integrierte Halbleiterschaltkreis enthält eine Vielzahl der Eingangs-/Ausgangszellen, die laterale Eingangs-/Ausgangszellenverbindungen bereitstellen, um die Eingangs-/Ausgangs- und Kernstrom- und Erdungsversorgungen effizient auf die Eingangs-/Ausgangszellen zu verteilen und somit das Eingangs-/Ausgangssignalrauschen zu minimieren und die elektrostatische Entladung zu maximieren.129
Ein elektrisch leitfähiges Verbundmaterial wird durch Mischen eines thermoplastischen Harzes, in dem Harz dispergierter leitfähiger Teilchen und eines Tensids zum Binden der in dem Harz dispergierten leitfähigen Teilchen aneinander hergestellt.130 Das Produkt ist für die IT-Industrie, Halbleiterteile, Auto- und Elektronikkomponenten, Flugzeugteile und -materialien und andere Materialien, die einen Schutz vor elektrostatischer Entladung erfordern, bestimmt.130 Die leitfähige Beschichtung für Drähte, Pads, Ersatzteile und Produktgehäuse, Verpackungen usw. werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, die einen Schutz vor elektrostatischer Entladung erfordern.130 Dioctyl-Ethylen-Triamino-Ethyl und Dodecyl-Diamino-Ethyl-Glycin-Hydrochlorid sind typische Beispiele für Tenside, die in dieser Anwendung verwendet werden.130 Viele Füllstoffe sind nützlich, einschließlich Kohlenstoff-Nanoröhrchen und Ruß und deren Mischungen.130