Alles aus einer Hand und bestes fachliches Know-how im Bereich ESD-Schutz und Prävention vor ESD-Schäden, das bietet das deutsche ESD-Netzwerk, bestehend aus den vier Firmen KARL, KEINATH, nora und Wanzl.
Von der Planung einer neuen EPA (Electrostatic Protected Area), über die Auswahl des richtigen ESD-Fußbodens, zu den Zutrittskontrollen, bis hin zu Arbeitsplätzen und den notwendigen Geräten und Werkzeugen bieten die vier Unternehmen die Hardware wie auch das Fachwissen, um Ihre Fertigung ESD-sicher zu gestalten.
Darüber hinaus bietet das ESD-Netzwerk Audits (Zertifizierungen von EPAs), Fortbildungsprogramme, Abnahmen von ESD-Schutzzonen sowie Seminare und Schulungen für Ihre Mitarbeiter an.
Um Beschädigungen an elektrostatisch empfindlichen Bauteilen vorzubeugen, hat das deutsche ESD-Netzwerk den kompakten ESD-Ratgeber herausgebracht. Auf 32 Seiten wird hier die Entstehung von elektrostatischer Aufladung, das dadurch erzeugte Gefahrenpotenzial, dessen Vermeidung und der Aufbau einer EPA (Electrostatic Protected Area) erklärt sowie die aktuell geltenden Normen und Begrifflichkeiten aufgeführt.
Kurz, prägnant, einfach verständlich und ansprechend aufgemacht möchten wir Ihnen diesen Ratgeber gerne kostenlos als firmeninterne Informationsquelle für Ihre Mitarbeiter an die Hand geben. Interessiert? Dann bestellen Sie unseren ESD-Ratgeber direkt auf der Webseite des Deutschen ESD-Netzwerks.
WARUM ESD-SCHUTZ?
Die elektrostatische Entladung (electrostatic discharge) begegnet uns tagtäglich im Alltag: Der „Schlag“, den man an der Autotür bekommt, abstehende Haare, wenn man sich seiner Mütze entledigt oder wenn es zwischen zwei Menschen „funkt“.
Was für uns ein kurzer Schreck und meist nur lästig ist, ist für elektronische Baugruppen, die mit kleinen und kleinsten Halbleiterbauelementen bestückt sind, schnell ein Totalschaden. Gerade bei trockener Luft sind Entladungen mit einem Potenzial von 10 000 Volt keine Seltenheit. Für Unternehmen aus der Elektronikindustrie ist deshalb die Vermeidung von ESD eines der höchsten Gebote.
Viele durch ESD entstandene Schäden werden im ungünstigsten Fall erst nach einiger Zeit durch den Kunden festgestellt und führen dann zu hohen Reparatur- oder Austauschkosten. Viel schlimmer als der finanzielle ist zusätzlich der darauf folgende Image-Schaden, wenn durch einen verschleppten Fehler eine ganze Produktcharge beeinträchtigt wurde.
WIE ENTSTEHEN LADUNGEN?
Um einen Festkörper elektrostatisch aufzuladen, müssen Ladungen getrennt werden. Dazu werden zuerst beide Materialien in Kontakt gebracht und anschließend voneinander getrennt. Unter Kontakt versteht man den molekularen Abstand der Materialoberflächen, sodass Elektronen von einem Material zum anderen abgegeben bzw. aufgenommen werden können.
Beim Kontakt zweier Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaustrittsarbeit (z.B. Kunststoffschuhsohle und textiler Fußbodenbelag) fließen Elektronen vom Material mit der niedrigeren Austrittsarbeit in das Material mit der höheren Austrittsarbeit. Dadurch lädt sich ein Körper negativ und der andere positiv auf. Es entsteht eine Potenzialdifferenz, die in einem Bereich von einigen mV bis hin zu wenigen Volt liegt.
Entscheidend für die Polarität, die die Materialien annehmen, ist deren Permittivität (dielektrische Leitfähigkeit). Abhängig von der Materialpaarung wird das eine Material positiv und das andere negativ aufgeladen.
Werden beide Materialien nun wieder voneinander getrennt, können die Ladungen bestehen bleiben. Dies ist abhängig von Trennungsgeschwindigkeit, spezifischen Materialeigenschaften und der Luftfeuchtigkeit. Bestimmt durch den Oberflächenwiderstand und die Ladungskapazität, ergibt sich die Zeitkonstante τ =R·C.
Ob beim menschlichen Körper oder in Bestückungsmaschinen - Kontakt und Trennung kommen an jedem Arbeitsplatz vor. Deshalb ist ESD-Schutz in der Elektronikindustrie unumgänglich.
WANN WERDEN LADUNGEN GEFÄHRLICH?
Bestehen die aufeinandertreffenden Gegenstände aus gut leitfähigen Materialien, ist die Wahrscheinlichkeit groß, dass es noch während der Trennung der beiden Gegenstände zu einem Ladungsausgleich kommt. Die Ursache dafür sind ein niedriger Widerstand und eine gute Leitfähigkeit. Dadurch ist die Zeitkonstante für den Ladungsaustausch kleiner als die Zeit, die für den Trennungsausgleich benötigt wird.
Handelt es sich jedoch um schlecht leitfähige oder gar isolierende Materialien und spielen andere Faktoren wie beispielsweise eine geringe Luftfeuchtigkeit eine Rolle, ist die Leitfähigkeit der Materialien stark eingeschränkt und die Zeitkonstante zum Ladungsausgleich größer als die Trenngeschwindigkeit. Dadurch behalten beide Gegenstände ihre vorher angenommenen Ladungszustände.
Wird dann der letzte Kontakt unterbrochen und entfernen sich beide Körper voneinander, erhöht sich die Potenzialdifferenz. Das ist vergleichbar mit der Wirkungsweise eines Kondensators, bei dem sich durch die Vergrößerung des Ladungsflächenabstands auch die Spannung stark erhöht.
Entstand beim Zusammenführen der Gegenstände eine Kontaktspannung von einigen mV, wird diese durch eine Abstandsvergrößerung auf mehr als einen Millimeter drastisch auf bis zu einige kV erhöht. Das Maximum der Ladespannung wird durch die Flächenladungsdichte beschränkt.
Verringerung der Ladungserzeugung
durch erhöhte Luftfeuchtigkeit
| Tätigkeit | Luftfeuchtigkeit 10% | Luftfeuchtigkeit >60% |
| Bewegung am Arbeitsplatz | 6000 Volt | 100 Volt |
| Papier in Kunststoffhülle verpacken | 7000 Volt | 600 Volt |
| Über Kunststoffboden gehen | 12 000 Volt | 250 Volt |
| Luftpolsterverpackung von Leiterbahnen entfernen | 26 000 Volt | 1000 Volt |
| Über Teppichboden gehen | 35 000 Volt | 1500 Volt |
ENTLADUNG UND GEFÄHRDETE BAUGRUPPEN
Seit in den 1960er Jahren die Halbleiterbauelemente eine technische Revolution in der Elektrotechnik losgetreten haben, ist auch das Problem des ESD-Schutzes allgegenwärtig.
Immer kleiner und leistungsfähiger werden die Bauteile mit Leiterbahnstrukturen von unter 0,25 μm und reduzierten Oxiddicken von deutlich unter 100 Angström. Das macht sie aber auch dementsprechend anfällig, wenn eine elektrostatische Entladung auftritt.
Die Folgen sind häufig:
· Thermischer Durchbruch eines p/n-Übergangs
· Oxiddurchbruch (dielektrischer Durchbruch)
· Aufschmelzen der Metallisierung
Dies führt zu Fehlfunktionen, verkürzter Lebensdauer oder schlussendlich zum Totalausfall des Halbleiters.
Neben dem Menschen sind auch Geräte wie beispielsweise Lötspitzen, Produktionsmaschinen oder Verpackungen Ladungsüberträger.
Um diese genauer zu klassifizieren, spricht man in der Norm von drei Modellen:
HBM – Human Body Model
CDM – Charged Device Model
MM – Machine Model
In der Literatur werden weitere Modelle beschrieben:
SDM – Socket Device Model (Modell, das die Entladung eines elektrostatisch aufgeladenen Bauteils mit zugehörigem Sockel simuliert)
CBM – Charged Board Model (Beschreibt die Entladung einer montierten Baugruppe, durch höhere Kapazitäten und Induktivitäten als beim Charged Device Modell)
CSM – Charged Strip Model (In diesem Modell werden die Ausfälle in Matrix- und Streifenform, zum Beispiel in Bestückautomaten, simuliert)
ESDFOS – ESD From Outside to Surface (Beschreibt die direkte Entladung in die Oberfläche der Bauteilstruktur, dies geschieht bei der Produktion von Wafern und ICs)
Empfindlichkeit von Halbleitern
| Halbleitertyp |
Elektrostatische Spannung (V) / |
| V-MOS | 30 ... 1800 |
| MOSFET | 100 ... 200 |
| EPROM | 100 ... 500 |
| Junction-Fet | 140 ... 1600 |
| Operationsverstärker (Fet) | 150 ... 500 |
| Operationsverstärker (bipolar) | 190 ... 2500 |
| CMOS | 250 ... 2000 |
| Schottky-Dioden | 300 ... 2500 |
| Film-Widerstand | 300 ... 3000 |
| Schottky-TTL | 300 ... 2500 |
| Transistor, bipolar | 380 ... 7000 |
| Thyristor | 680 ... 2500 |
MATERIALIEN UND OBERFLÄCHENWIDERSTÄNDE
1. | Materialien, die leitfähig (konduktiv) sind. Sie haben einen geringen Widerstand von 104 Ω und sorgen damit für ein schnelles Abfließen der Ladung. Sind solche Materialien (Metalle, Karbon und sogar die Schweißschicht der menschlichen Haut) über eine Verbindung geerdet, fließt die gesamte Ladung ab. Bei Materialien < 104 Ω muss jedoch die Gefahr der harten Entladung berücksichtigt werden.
2. | Materialien, die ableitfähig (dissipativ) wirken, leiten Ladungen über einen längeren Zeitraum ab. Ihr Oberflächenwiderstand liegt zwischen 104 und 1011 Ω. Eine zu schnelle Entladung von ESDS aufgrund des Kontaktes zu leitfähigen Flächen wird dadurch verhindert. Sie werden in der Elektronik-
industrie meist als Verpackungsmaterialien eingesetzt.
3. | Materialien mit einem Oberflächenwiderstand von mehr als 1011 Ω wirken isolierend. Sie können vorhandene Ladungen nicht ableiten und sind elektrostatisch aufladbar. Das ist besonders in der Elektronikindustrie ein Problem, da sie Ladungsinseln bilden, die für ungeschützte Baugruppen eine Gefahr darstellen und vermieden werden müssen. Isolatoren sind beispielsweise Luft, Glas und Kunststoffe.
4. | Materialien, die abschirmend sind, wirken wie ein Faradayscher Käfig. Dadurch sind Baugruppen, die mit solch einem Material ummantelt sind, vor Auswirkungen elektrischer Felder geschützt. Sie sind mit einem leitfähigen Metall- oder Karbonelement versehen, das einen Oberflächenwiderstand von weniger als 10³ Ω aufweist.
SCHUTZ VOR ELEKTROSTATISCHEN ENTLADUNGEN
Die Etablierung einer Electrostatic Protected Area (EPA), in der mit ESD-gefährdeten Bauteilen sicher umgegangen werden kann, erfordert ein umfangreiches Schutzkonzept. Die wesentlichen Punkte hierfür sind interner wie externer Schutz der Bauteile und organisatorische Schutzmaßnahmen, mit denen Mitarbeiter, Besucher und Zulieferer aktiv eingebunden werden.
DAS ESD-SCHUTZKONZEPT
1. | HÄRTUNG
Um die empfindlichen Bauteile von Geräten vor internen Schäden durch Entladungen in das Leiterbahnnetz zu schützen, werden an allen Ein- und Ausgangspfaden Schutzbeschaltungen integriert. Diese reagieren auf kurzfristig auftretende Entladungen, erden sie und schützen somit die dahinter liegenden Bauteile vor Beschädigungen.
2. | VERHINDERUNG
Wo keine Ladungen auftreten, können keine Entladungen Bauteile beschädigen. Deshalb ist in Electrostatic Protected Areas (EPA) die Kleidung der Mitarbeiter, Werkzeuge, Geräte, Fußböden ESD-sicher. Zusätzlich kommen Ionisatoren zum Einsatz, um Ladungen zu neutralisieren, und Luftbefeuchter, um die Neigung zur Aufladung zu verringern.
3. | KENNZEICHNUNG
Wissensvermittlung und Warnungen sind im Umgang mit ESD-gefährdeten Bauteilen unumgänglich. EPAs und Bauteile müssen für nicht ESD-geschützte Besucher und Zulieferer gut erkennbar oder ganz gesperrt sein. Besonders wichtig ist die Sensibilisierung der Mitarbeiter für das Thema. Schulungen und Weiterbildungen sind hier das A und O.
SCHUTZSTRATEGIE
GEFAHRENQUELLEN BEIM FERTIGUNGSDURCHLAUF
| STOFFEINGANG, ZWISCHENLAGER
Hier können Halbleiterbauelemente durch nicht ESD-geschützte Verpackungen, Lagerbehälter und Klebebänder sowie durch ungeschützte Handhabung seitens der Mitarbeiter beschädigt werden. Daher muss jeder Mitarbeiter im ESD-Bereich von der Notwendigkeit und der Wirksamkeit der ESD-Schutzmaßnahmen überzeugt sein und dies durch jährliche Schulungen sichergestellt werden.
| ARBEITSPLATZ, MASCHINE
Hier muss unbedingt dafür Sorge getragen werden, dass sämtliche Einrichtungen in der Lage sind, die Entstehung elektrostatischer Aufladungen zu verhindern und Ladungen definiert abzuleiten. Alle Einrichtungen, Arbeitsplätze und Maschinen müssen regelmäßig überprüft und dies dokumentiert werden.
| LAGERUNG AM ARBEITSPLATZ
ESD-gefährdete Bauelemente können durch Influenzwirkung von ungeeigneten Verpackungen und Materialien geschädigt werden. Daher dürfen diese Bauelemente nur an ESD-geschützten Arbeitsplätzen gehandhabt und bearbeitet werden. Dabei muss berücksichtigt werden, dass keine elektrostatischen Felder am Arbeitsplatz wirken.
| TRANSPORT
Beim Transport muss dafür Sorge getragen werden, dass stets ESD-geeignete Behälter und Transportwagen zum Einsatz kommen. Selbst Klarsichthüllen für Transportunterlagen, die nicht aus ESD-sicherem Material bestehen, können Schäden verursachen. Eine Zwischenlagerung auf ungeeigneten Materialien ist stets zu vermeiden.
| ABLIEFERUNG UND VERPACKUNG
Bei der Verpackung ist stets darauf zu achten, dass ein ESD-Hinweis gut sichtbar aufgebracht wird. Ebenso muss darauf geachtet werden, dass ESDS außerhalb einer ESD-Schutzzone stets verschlossen in abschirmenden Verpackungen gelagert und transportiert werden.
INTERNE SCHUTZMASSNAHMEN
Um die winzigen Halbleiterelemente vor ESD-Schäden und Spannungsspitzen zu schützen, werden On-Chip-Schutzstrukturen vor- und nachgeschaltet.
Zum Einsatz kommen hier Arrays aus Widerständen, Dioden, Zenerdioden, Transistoren und Varistoren.
Leider sind diesem Schutzmechanismus auch Grenzen gesetzt, weshalb diese internen Maßnahmen nur bedingt hilfreich sind. Gründe dafür sind:
· Beeinflussung der Eingangsempfindlichkeit
· Veränderung im Frequenzspektrum oder der Zugriffszeit
· Verwendung ebenso empfindlicher Bauteile, die nur unwesentlich schneller bzw. unempfindlicher gegenüber ESD-Impulsen als die Eingangsstruktur sind
· Die Schaltungen benötigen zusätzlichen Platz auf der Chipfläche.
Die kleinsten Strukturen im Inneren moderner Chip-Bauteile können weniger als 10 nm fein sein.
Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters.
EXTERNE SCHUTZMASSNAHMEN
Um einen Bereich zu schaffen, in dem elektrostatische Aufladungen nicht auftreten können (Electrostatic Protected Area – EPA), müssen viele Punkte rund um den Arbeitsplatz erfüllt sein.
Angefangen beim richtigen Bodensystem, über Markierungen und Zugangssperren bis zur Arbeitskleidung und dem eigentlichen Arbeitsplatz sind zahlreiche Normen zu erfüllen.
| MARKIERUNGEN
Mit Markierungen am Boden werden Abstellflächen für Transportwagen oder speziell ESD-geschützte Bereiche markiert. Ebenso wichtig sind Schilder und Aufkleber, um auf potenziell gefährdete Bauelemente und Baugruppen hinzuweisen.
| BEHÄLTER
Ob für den Transport oder die Aufbewahrung von Bauteilen am Arbeitsplatz – ESD-Behälter schützen gefährdete Bauteile und Baugruppen und sind ein
Muss im Unternehmen. Ungeeignete Behälter können starke Aufladungen erzeugen und in eine EPA einbringen, welche durch Influenz auf ESDS wirken.
| FUSSBODEN
Um sicherzustellen, dass auftretende Ladungen auch sicher abgeleitet werden, sind in Fertigungshallen ESD-Bodenbeläge verlegt, z.B. ein ableitfähiger ESD-Kautschukbelag. Diese Böden sind ableitfähig und erfüllen die geforderten Grenzwerte aus der IEC 61340-5-1. Typische und gute Werte liegen in der Regel zwischen 106 und 107 Ω gemessen gegen EPA-Erde.
| KLEIDUNG
Schuhe, Mantel und Handgelenkarmband mit Erdungskabel sind für Mitarbeiter in der Fertigung von Elektronikunternehmen verpflichtend. Die Schutzmaßnahmen zur Personenerdung müssen täglich vor dem Betreten der EPA auf ihre Wirksamkeit überprüft werden.
| ARBEITSPLATZ
Ergonomisch anpassbar und ESD-geschützt soll er sein, der perfekte Arbeitsplatz. Die Ablagefläche und ein Erdungskabel leiten elektrostatische Ladungen ab und halten den Arbeitsplatz ladungsneutral.
| VERPACKUNG
Gerade in der Produktion kommen häufig langsam ableitende Schaumstoffunterlagen zum Einsatz. Wenn Baugruppen im Unternehmen von A nach B transportiert werden, ist hier besonders auf eine gute Umverpackung zu achten, die ableitend oder sogar abschirmend wirkt.