Oberflächenwiderstand: Einheit, Messung und Grenzwerte

Der Oberflächenwiderstand ist der elektrische Widerstand, den ein Material einem Stromfluss entlang seiner Oberfläche entgegensetzt. Er wird in Ohm gemessen: Zwei Elektroden sitzen auf derselben Seite der Probe, man legt eine Gleichspannung an und teilt sie durch den Strom, der fließt (Polymer Service Merseburg, Lexikon der Kunststoffprüfung). Dieser Ohmwert hängt von Länge und Abstand der Elektroden ab. Der spezifische Oberflächenwiderstand in Ohm pro Quadrat (Ω/□) rechnet die Elektrode heraus und beschreibt nur den Werkstoff. Bei der Anordnung der TRGS 727 ist er genau zehnmal so groß wie der gemessene Wert. PTFE erreicht 10¹⁷ Ω/□, Polyamid 6 nur 5 · 10¹⁰ Ω/□ (Professional Plastics, Electrical Properties of Plastic Materials). Wer Isoliermaterialien für Motor, Transformator oder Batterie vergleicht, braucht zu jedem Datenblattwert deshalb die Elektrode und das Klima der Messung. Dieser Beitrag erklärt die Einheit, die Messung nach Norm, die Grenzen zwischen leitfähig, ableitfähig und isolierend und die Werte gängiger Kunststoffe und Folien.

Ohm oder Ohm pro Quadrat: was die Einheit des Oberflächenwiderstands aussagt

Der gemessene Oberflächenwiderstand beschreibt die Messanordnung mit. Lange Elektroden bieten dem Strom viele parallele Wege und liefern einen kleinen Ohmwert, ein breiter Spalt zwischen den Elektroden liefert einen großen. Zwei Labore mit verschiedenen Elektroden messen am selben Werkstoff deshalb verschiedene Ohmzahlen. Ohm pro Quadrat löst das Problem, weil ein Quadrat unabhängig von seiner Größe immer denselben Widerstand zwischen zwei gegenüberliegenden Kanten hat.

Electronic Design rechnet es mit Kantenlängen in Zoll vor. Ein Quadrat von 2 × 2 Zoll, gemessen mit zwei 2 Zoll langen Stabelektroden an gegenüberliegenden Kanten, zeigt 5 Ω, also 5 Ω/□. Zwei solche Quadrate hintereinander ergeben 10 Ω über die lange Seite. Legt man zwei dieser Streifen nebeneinander, entsteht ein Quadrat von 4 × 4 Zoll, die beiden 10 Ω liegen parallel, und es bleiben wieder 5 Ω. Für jede andere Elektrode gilt allgemein ρ_s = R · P / g, mit dem gemessenen Widerstand R, der wirksamen Elektrodenlänge P und dem Elektrodenabstand g. Bei Ringelektroden ist P der Umfang in der Mitte des Spalts. Für die Keithley-Elektrode 8009 sind das π · 53,975 mm, geteilt durch 3,175 mm Spalt ergibt sich der Faktor 53,4 (Tektronix, Application Note Keithley 6517B).

Zwischen den Anordnungen liegt mehr als der Faktor fünf. Zeigt eine Folie an der Keithley-Elektrode 10¹² Ω, hat sie einen spezifischen Oberflächenwiderstand von 5,3 · 10¹³ Ω/□, und an den Elektroden der TRGS 727 würde sie rund 5 · 10¹² Ω zeigen. Ein Datenblattwert in Ohm ohne Angabe der Elektrode lässt sich deshalb mit keinem anderen Wert vergleichen. Physikalisch ist auch Ω/□ ein Ohm, die Schreibweise ist in DIN 1301 nicht vorgesehen und dient nur der Unterscheidung (Wikipedia, Flächenwiderstand). Einige Glossare nennen Ω·m als Einheit. Das ist die Einheit des spezifischen Durchgangswiderstands und für die Oberfläche falsch.

Oberflächenwiderstand, Durchgangswiderstand und Isolationswiderstand sind drei Messungen

Strom sucht sich in einem Isolierstoff zwei Wege: über die Oberfläche und durch das Volumen. Die Prüfnormen trennen beide, indem sie den jeweils anderen Weg über eine geerdete Schutzelektrode ableiten (UL, Elektrische Eigenschaften von Kunststoffen). Ganz sauber gelingt das nie, ein Teil des Oberflächenstroms fließt durch oberflächennahe Schichten des Volumens (Polymer Service Merseburg).

Der Durchgangswiderstand sagt, ob ein Werkstoff überhaupt isoliert, und lässt sich in die elektrische Leitfähigkeit in S/m umrechnen. Der Oberflächenwiderstand sagt, was auf der Haut des Werkstoffs passiert, und genau dort setzen Feuchte und Schmutz an. Am fertigen Gerät misst die Prüfung den Isolationswiderstand in Megaohm, in dem Oberfläche, Volumen und Kriechstrecken zusammenwirken.

In der Dünnschicht- und Halbleitertechnik heißt dieselbe Größe Schichtwiderstand oder Flächenwiderstand. Für eine leitfähige Schicht gilt R_□ = ρ / d, eine Kupferschicht von 35 µm kommt auf knapp 0,5 mΩ (Wikipedia, Flächenwiderstand). Gemessen wird dort mit vier Spitzen, damit der Übergangswiderstand der Kontakte herausfällt. An Isolierstoffen versagt dieses Verfahren, weil die Ströme zu klein sind. Für die Auswahl von Kupferfolie zur Abschirmung zählt der Schichtwiderstand im Milliohmbereich, für Isolierteile der Oberflächenwiderstand.

Wie man den Oberflächenwiderstand misst

Die Messung selbst ist einfach: Spannung anlegen, Strom messen, teilen. Schwierig wird sie, weil an Isolierstoffen Ströme von Pikoampere und weniger fließen und Feuchte, Schmutz oder eine andere Elektrode den Wert um Zehnerpotenzen verschieben. Ein belastbares Ergebnis entsteht in sechs Schritten:

1. Die Probe konditionieren. Das Prüflabor Measurlabs lagert Kunststoffplatten von 125 × 125 mm vier Tage bei 23 °C und 50 % relativer Luftfeuchte und misst im selben Klima dreifach. Für ESD-Werkstoffe schreibt ANSI/ESD S11.11 48 bis 72 Stunden bei 12 % Luftfeuchte vor (Electronic Design).
2. Die Oberfläche frei von Fingerabdrücken, Staub und Trennmittel halten. Der Pulverlackhersteller IGP verlangt, Verunreinigungen vor der Messung rückstandsfrei zu entfernen (IGP Pulvertechnik, TI 101).
3. Die Elektrode aufsetzen und mit dem Normgewicht belasten. Die Ringelektrode 880 von Warmbier nach DIN EN 61340-2-3 hat 80 mm Durchmesser und wird auf 2,5 kg gebracht, IGP misst ebenfalls mit 2,5 kg schweren Elektroden.
4. Die Prüfspannung nach Norm wählen: 100 V nach IEC 62631, sofern nichts anderes festgelegt ist, bei ASTM D257 üblicherweise 500 V (Tektronix). ESD-Werkstoffe misst man nach ANSI/ESD STM11.11 zuerst mit 10 V und schaltet ab 10⁶ Ω auf 100 V um (Electronic Design).
5. Nach der Elektrisierungszeit ablesen, üblich sind 60 Sekunden. Der Wert steigt mit der Zeit, weil sich der Werkstoff auflädt und der Strom sinkt (Tektronix).
6. Elektrode, Spannung, Zeit, Temperatur und Luftfeuchte ins Protokoll schreiben. Ohne diese fünf Angaben ist der Wert nicht reproduzierbar.

Die Norm muss zum Werkstoff passen. Als man ASTM D257 auf ableitfähige ESD-Stoffe anwandte, lagen fünf Labore mit identischen Proben rund vier Zehnerpotenzen auseinander. Die ESD-Methode S11.11 mit 10 und 100 V und trockenem Klima drückte die Streuung auf plus minus eine Viertel Zehnerpotenz (Electronic Design). Wer Werkstoffe vergleicht, sollte außerdem in Zehnerpotenzen denken: Signifikant unterscheiden sich zwei Isolierstoffe erst, wenn ihre Werte mindestens eine Größenordnung auseinanderliegen (Polymer Service Merseburg).

Grenzwerte: ab wann ein Material leitfähig, ableitfähig oder isolierend ist

Die drei Klassen klingen nach einer festen Skala, aber die Grenzen hängen vom Regelwerk und vom Klima ab. Die TRGS 727 für den Explosionsschutz nennt für denselben ableitfähigen Gegenstand zwei Obergrenzen, je nachdem, ob bei 50 oder bei 30 % Luftfeuchte gemessen wurde. Die ESD-Methode S11.11 misst bei 12 %, also trockener als beide Stufen der TRGS. ESD-Leitfäden auf Basis der ersten Ausgabe der IEC 61340-5-1 von 1998 setzen beide Grenzen eine Zehnerpotenz höher an als neuere Quellen.

Quellen der Tabelle: TRGS 727 Nr. 2, Industrie-Fachwissen und IGP Pulvertechnik für die ESD-Praxis, das ESD-Handbuch von Kärcher für die Einteilung von 1998. Für einzelne Einrichtungen gelten engere Fenster. Eine ESD-Arbeitsfläche soll einen Oberflächenwiderstand von 10⁶ bis 10⁹ Ω haben (Industrie-Fachwissen), eine ableitfähige Pulverbeschichtung nicht unter 10⁴ Ω fallen, damit Entladungen nicht zu schnell ablaufen (IGP Pulvertechnik). Ab 10¹⁰ Ω empfiehlt das Kärcher-Handbuch, zusätzlich die Abklingzeit der Ladung zu messen.

Für den Einkauf heißt das: Ein Grenzwert wie „unter 10⁹ Ω“ ist nur mit Norm, Elektrode und Luftfeuchte eine Spezifikation. Schreiben Sie alle drei in die Bestellung, sonst misst der Lieferant nach seiner eigenen Norm und hat formal recht. Wie Kunststoffe mit Ruß, Kohlefaser oder intrinsisch leitfähigen Polymeren in den ableitfähigen oder leitfähigen Bereich kommen, beschreibt der Beitrag zu elektrisch isolierenden Kunststoffen.

Typische Werte: Kunststoffe, Isolierfolien und ESD-Folien

Die Tabelle zeigt den spezifischen Oberflächenwiderstand ungefüllter und gefüllter Kunststoffe aus der Kennwertsammlung von Professional Plastics, ergänzt um eine beschichtete ESD-Folie. Die Klasse folgt der ESD-Praxis aus der Tabelle oben.

Die Isolierfolien der Elektrotechnik liegen weit oben. Polyimid, der Werkstoff der Kapton-Folie, liegt fünf Zehnerpotenzen über der Isoliergrenze, eine Polyesterfolie immer noch zwei. Polyamid fällt aus der Reihe: Es nimmt Wasser aus der Luft auf, und PA 6 liegt schon in dieser Tabelle unter 10¹¹ Ω/□. Für ein Isolierteil in feuchter Umgebung raten wir deshalb von Polyamid ab. Professional Plastics nennt zu den Werten weder Klima noch Norm. Die Tabelle zeigt also die Rangfolge der Werkstoffe, für eine Spezifikation zählt das Datenblatt des konkreten Halbzeugs, denn Einzelwerte weichen je nach Klima, Elektrode und Spannung um eine Zehnerpotenz und mehr ab.

Feuchte und Schmutz senken den Oberflächenwiderstand um Zehnerpotenzen

Auf jeder Oberfläche lagert sich aus der Luft ein dünner Wasserfilm an. Gelöste Salze und Staub machen ihn leitfähig, und der Oberflächenwiderstand fällt. Die TRGS 727 formuliert es nüchtern: Mit sinkender Luftfeuchte nimmt der Oberflächenwiderstand in der Regel beträchtlich zu. Der umgekehrte Fall trifft ESD-Werkstoffe. Eine Studie des finnischen VTT hat ESD-Schutzmaterialien zwischen 5 und 70 % Luftfeuchte geprüft. Unter 20 bis 30 % können manche davon zu Isolatoren werden (Paasi und andere, Journal of Electrostatics 2001).

Die Oberfläche reagiert stärker als das Volumen (Tektronix). Schon das Volumen eines Aramidpapiers verliert bei hoher Feuchte zwei Zehnerpotenzen: Nomex 410 mit 0,25 mm fällt von 2 · 10¹⁶ Ω·cm bei 50 % auf 2 · 10¹⁴ Ω·cm bei 96 % Luftfeuchte (Datenblatt Nomex 410, DuPont, heute Arclin). Am fertigen Teil kommen Einflüsse dazu, die kein Prüfkörper im Labor hat:

• Betauung, wenn ein kaltes Bauteil in warme, feuchte Luft kommt
• Fingerabdrücke, die Salz und Fett auf der Folie hinterlassen
• Schneidstaub und leitfähige Partikel aus der Verarbeitung
• Antistatika, die aus dem Kunststoff an die Oberfläche wandern und dort Wasser binden (Wikipedia, Antistatic agent)
• Kriechspuren aus früheren Entladungen, die verkohlt sind und leiten

Hier beginnt das Thema Kriechstrom. Der Oberflächenwiderstand wird an einer sauberen, konditionierten Probe gemessen und beschreibt den Ausgangszustand. Die Kriechstromfestigkeit (CTI) nach IEC 60112 prüft, bis zu welcher Spannung eine Oberfläche 50 Tropfen Elektrolytlösung übersteht, ohne dass sich eine leitfähige Spur bildet. Ein hoher Oberflächenwiderstand garantiert deshalb keinen hohen CTI-Wert, und für die Auslegung zählen beide, zusammen mit dem Kriechweg der Konstruktion.

Oberflächenwiderstand am fertigen Teil: was wir in der Fertigung beachten

Ein häufiger Einwand lautet: Je höher der Oberflächenwiderstand, desto besser. Für eine Nutisolation oder einen Phasentrenner stimmt das. Für eine Folie, die über Rollen läuft, abgewickelt und gestapelt wird, stimmt es nur halb. Eine stark isolierende Oberfläche lädt sich in trockener Luft auf, sobald Luft an ihr vorbeistreicht (Kärcher, ESD-Handbuch). Die geladene Folie zieht Staub an, und genau dieser Staub senkt später am eingebauten Teil den Oberflächenwiderstand. Für Folien, die in Elektronikverpackung oder Handling Ladung ableiten sollen, ist deshalb ein ableitfähiger Wert die richtige Spezifikation. Für Isolierteile bleibt es beim hohen Wert bei realem Klima, gegen die Aufladung in der Verarbeitung empfiehlt das Kärcher-Handbuch eine Luftfeuchte über 30 % und Ionisiergeräte.

Wir schneiden und stanzen Isolierfolien und Isolierpapiere in Dicken von 7 µm bis 3 mm, je nach Werkstoff, als Rolle, Bogen, Zuschnitt, Stanzteil oder Formteil und ab einem Stück. Beim Lohnschneiden auf Breiten von 5 bis 1.600 mm mit plus minus 0,1 mm achten wir auf gratfreie Kanten und einen kontaminationsarmen Ablauf, damit weder Grat noch Partikel den Oberflächenwiderstand des fertigen Teils drücken. Folien mit Antistatik-Beschichtung liefern wir nach Bedarf, zum Beispiel für die Druckindustrie. Bei vorrätigem Material liefern wir in höchstens zwei Wochen.

Für eine Anfrage brauchen wir Zeichnung, Menge und Dicke, bei Rollen zusätzlich Breite, Lauflänge, Kerndurchmesser, Kernmaterial und Toleranzen. Wenn ein Oberflächenwiderstand gefordert ist, schreiben Sie Grenzwert, Norm, Elektrode und Klima dazu. Unsere technische Beratung prüft mit Ihnen, ob ein isolierender oder ein ableitfähiger Werkstoff zur Einbausituation passt.

FAQ zum Oberflächenwiderstand

Reicht ein Multimeter, um den Oberflächenwiderstand zu messen?

Nein. Isolierende Kunststoffe wie PET oder PTFE liegen zwischen 10¹³ und 10¹⁷ Ω/□, und schon für ESD-Werkstoffe verlangt die Methode S11.11 ein Gerät mit 10 V und 100 V Prüfspannung und einem Messbereich bis 10¹³ Ω. Dafür braucht man ein Hochohm-Messgerät, für Isolierstoffe nach IEC 62631-3-2 zusätzlich eine Ringelektrode mit Schutzelektrode. Aufbauten wie die Keithley 8009 messen bis 10¹⁷ Ω/□ (Tektronix).

Ab welchem Oberflächenwiderstand gilt ein Material als ableitfähig?

Nach TRGS 727 zwischen 10⁴ und 10⁹ Ω bei 23 °C und 50 % Luftfeuchte, oder zwischen 10⁴ und 10¹¹ Ω bei 30 % Luftfeuchte. In der ESD-Praxis nach IEC 61340 gilt meist 10⁴ bis unter 10¹¹ Ω. Darunter ist ein Material leitfähig, darüber isolierend.

Wie stark verändert die Luftfeuchte den Oberflächenwiderstand?

Um Zehnerpotenzen. Die TRGS 727 lässt deshalb bei 30 % Feuchte eine um zwei Zehnerpotenzen höhere Grenze zu als bei 50 %. Unter 20 bis 30 % Feuchte können ableitfähige ESD-Stoffe zu Isolatoren werden. Ein Messwert ohne Angabe von Feuchte und Temperatur taugt nicht zum Vergleich.

Wie rechnet man Ohm in Ohm pro Quadrat um?

Man multipliziert den gemessenen Widerstand mit dem Geometriefaktor der Elektrode, also der wirksamen Elektrodenlänge geteilt durch den Elektrodenabstand. Bei den Elektroden der TRGS 727 und bei der Ringelektrode nach ANSI/ESD STM11.11 ist der Faktor 10, bei der Keithley-Ringelektrode 8009 rund 53,4. Für laminierte, beschichtete oder metallisierte Werkstoffe warnt S11.11, dass die Umrechnung oft nicht gilt (Electronic Design).

Warum weichen Werte in Datenblättern so stark voneinander ab?

Weil Elektrode, Prüfspannung, Elektrisierungszeit und Klima verschieden sind. Dieselbe Folie zeigt an einer Keithley-Ringelektrode einen etwa fünfmal niedrigeren Ohmwert als an den Elektroden der TRGS 727. Vergleichbar sind nur Werte in Ohm pro Quadrat unter gleichem Klima, und auch dann erst ab einer Zehnerpotenz Unterschied.