ESD-Schutz: Grundlagen, Maßnahmen, Tipps
Elektrostatische Entladungen (ESD) können für Hersteller elektronischer Baugruppen mit kleinsten Halbleiterbauelementen äußerst gefährlich sein, da selbst geringste Entladungen empfindliche elektronische Bauteile beschädigen oder zerstören können. Elektrostatische Aufladungen und infolgedessen Entladungen entstehen bei Kontakt und Trennung zweier Materialien mit unterschiedlicher Elektronenaustrittsarbeit. Ob beim menschlichen Körper oder im Produktionsprozess – Kontakt und Trennung kommen an jedem Arbeitsplatz vor. Fehlfunktionen elektronischer Bauteile, finanzielle Verluste und Image-Schäden sind die Folge.
Ein umfangreiches ESD-Schutzkonzept zur Etablierung einer Electrostatic Protected Area (EPA) ermöglicht einen effektiven Schutz vor ESD und den sicheren Umgang mit ESD-gefährdeten Bauteilen.
Wir zeigen Ihnen das optimale ESD-Schutzkonzept und beraten Sie gern individuell für die Bedürfnisse Ihres Unternehmens!
Inhaltsverzeichnis
Was versteht man unter „ESD“?
ESD steht für „Electrostatic Discharge“ – elektrostatische Entladung. Jeder kennt das Phänomen plötzlicher Entladungen zwischen zwei Objekten aus dem Alltag: ein knisternder Pulli, abstehende Haare, ein kleiner Stromschlag an der Türklinke, …
ESD entsteht durch vorhergehende Trennung elektrischer Ladungen. Zwei Objekte mit unterschiedlicher Elektronenaffinität haben Kontakt und werden wieder getrennt. Eine Ladung baut sich auf, die sich schlagartig bei Annäherung oder Berührung zweier Objekte mit unterschiedlichem elektrischem Potential entlädt.
Sie wollen ganz genau wissen, wie ESD entsteht und funktioniert? Auf unserer Seite „Was ist ESD?“ finden Sie alles einfach und verständlich erklärt:
Warum ist ESD-Schutz wichtig?
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 Schaden ist zusätzlich der darauffolgende Image-Schaden, wenn durch einen verschleppten Fehler eine ganze Produktcharge beeinträchtigt wurde.
Das ESD-Schutzkonzept: Die Grundlagen
Der Schutz vor ESD in der Elektronikindustrie hat oberste Priorität. Ein umfassendes Schutzkonzept auf mehreren Ebenen ist unabdingbar und muss für jedes Unternehmen individuell entwickelt werden.
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.
ESD-Schutzstrategie: Die 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.
| 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.
| 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.
ESD-Schutz: Interne Maßnahmen
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 bis zu 14 nm fein sein. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters.
ESD-Schutz: Externe Maßnahmen
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.
| FUSSBODEN: ABLEITFÄHIGE ESD-BÖDEN
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 107Ω gemessen gegen EPA-Erde.
Zur Sicherstellung des ESD-Schutzes ist der Einsatz eines geeigneten ESD-Bodensystems zwingend erforderlich.
Ableitfähige nora® Bodensysteme aus Kautschuk bieten diesen verlässlichen Schutz – und gleich in mehrfacher Hinsicht:
VERMEIDUNG VON LADUNG:
Spannungen, die beim Gehen erst gar nicht entstehen, sind der beste Schutz vor ESD (Walking-Test bei nora® ESD Böden: < 10 V).
ABLEITUNG VON LADUNG:
Durch die garantierten elektrostatischen Eigenschaften ist der ESD-Schutz für den Produktionsprozess dauerhaft gesichert. (Widerstand < 3,5 x 107Ω im Systemtest Mensch-Schuhwerk-Boden nach DIN EN IEC 61340-4-5).
SCHUTZ VON PERSONEN:
Durch die Mindestisolation nach VDE 0100/600 wird gleichzeitig der Personenschutz sichergestellt. Homogene und volumenableitfähige Kautschukböden führen Spannungen über die unter ihnen verlegten Kupferbänder sicher und dauerhaft ab und sind damit die ideale Basis für eine ESD-geschützte Fertigung.
REINIGUNG UND PFLEGE VON ESD-BÖDEN:
Bei der Reinigung und Pflege ableitfähiger Böden steht der Erhalt des ESD-Schutzes an erster Stelle. Es muss sichergestellt werden, dass das Bodensystem den erforderlichen ESD-Schutz ohne zusätzliche Maßnahmen dauerhaft gewährleistet. Die Verwendung von ESD-Wachsen oder Emulsionen ist nicht zu empfehlen, da diese sich in kurzer Zeit ablaufen, „Laufstraßen“ bilden sowie die Reinigungsfähigkeit beeinträchtigen.
Nur Pflegemittel verwendet werden, die keine Schichten aufbauen, damit die Ableitwerte im definierten Bereich bleiben. Ableitfähige ESD-Kautschukbodensysteme können beim täglichen Unterhalt mit dafür vorgesehenen Pads gereinigt und gepflegt werden. Dies erhält den ESD-Schutz, spart Geld und Ressourcen und schützt die Umwelt.
| MARKIERUNGEN, SCHILDER, AUFKLEBER
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.
| DER 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.
Die Arbeitsplatzgestaltung ist ein bedeutender Erfolgsfaktor eines Unternehmens. Zusätzlich zu den umfassenden ESD-Schutzmaßnahmen ist die Schaffung einer positiven Arbeitsatmosphäre von großer Bedeutung für die Zufriedenheit, Effizienz und Produktivität im Unternehmen. Wir richten Ihre ESD-Arbeitsplätze mit unseren Produkten optimal ein. Informieren Sie sich und kontaktieren Sie uns gerne für Ihre individuelle Beratung!
| PERSONENERDUNG DURCH ESD-KLEIDUNG
Menschen erzeugen grundsätzlich elektrostatische Ladungen beim Gehen, Sitzen, aber auch durch Kleiderreibung. Deshalb müssen hier verschiedene Schutzmaßnahmen zum Einsatz kommen, um Aufladungen zu verhindern und diese gezielt abzuleiten.
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.
ZUTRITTSKONTROLLEN MIT ESD-PERSONENPRÜFUNG
Die besten Sicherheitsrichtlinien nützen nichts, wenn deren Einhaltung nicht regelmäßig überprüft wird. Schutzmaßnahmen zur Personenerdung wie das Schuhwerk oder auch das Handgelenkerdungsband sind täglich vor dem Betreten der EPA zuüberprüfen.
Auch Besucher, Vorgesetzte und Reinigungskräfte müssen mit geeigneter Schutzausrüstung ausgestattet sein, um Gefahren für Halbleiterbauelemente zu vermeiden und den ESD-Schutz zu gewährleisten.
Deshalb sind Zugangssperren an den Eingängen zu EPAs ein Muss. Sie messen den Ableitwiderstand und geben erst nach bestandener Prüfung den Zugang frei. So wird sichergestellt, dass alle Personen, die den Bereich betreten, zuverlässig geerdet sind und die vorhandenen Haupterdungsmaßnahmen funktionieren.
Zusätzlich zum eigentlichen ESD-Schutz bietet beispielsweise der Hersteller wanzl individuell auf den Kunden abgestimmte Zutrittskontrollen an. Diese sind mit weiteren sicherheitsrelevanten Funktionen wie einer Paniksicherung ausgestattet, die im Notfall durch einen vom TÜV vorgegebenen Gegendruck den Zugang ohne Prüfung freigeben.
Um zu verhindern, dass diese Möglichkeit von Unbefugten unbemerkt benutzt wird, um sich Zugang zur EPA zu verschaffen, ist diese Durchgangsmöglichkeit über akustische und optische Alarmsignale abgesichert.
Zusätzlich ist eine Aufschaltung auf die Gebäudebrandmeldeanlage möglich. Im Ernstfall öffnen die Zugangssperren den Durchgang automatisch und sorgen so für einen barrierefreien Fluchtweg für die Belegschaft.
| RICHTIG LAGERN UND TRANSPORTIEREN
Gerade beim Transport aus einer EPA heraus, beispielsweise von der Fertigung zum Versand, ist es notwendig, die Sicherheit der Bauteile und Baugruppen zu gewährleisten. Deshalb muss dafür Sorge getragen werden, dass die empfindlichen Baugruppen geschlossen transportiert und nur innerhalb von ESD-Schutzzonen gehandhabt werden.
Ist der Boden am Be- und Entladeort nicht ableitfähig, muss darauf geachtet werden, dass alle Ablageflächen ESD-geeignet sind und ESDS nur auf diesen gehandhabt werden. Zudem muss der Mitarbeiter vor Ort über ein Handgelenkerdungsband geerdet sein. Beim Transport von losen Bauteilen bietet es sich an, diese in leitfähige Schaumstoffe zu stecken. So haben alle Anschlüsse dasselbe Potenzial. ESDS müssen außerhalb einer EPA generell in abschirmenden Verpackungen oder Behältern gelagert werden.
Für die Lagerung und die Ablage innerhalb einer EPA müssen ableitende Verpackungen und Ablageflächen zum Einsatz kommen. Der Oberflächenwiderstand einer Ablagefläche muss sich zwischen 104Ω und 109Ω bewegen und sie muss in geeigneter Weise mit dem Erdpotenzial verbunden sein. Weiterhin ist es wichtig, dass die gelagerten oder auf dem Transport befindlichen Bauteile als ESD-gefährdet markiert sind. Das ist durch gut sichtbare Schilder und Aufkleber direkt am Bauteil zu bewerkstelligen. Zusätzlich kann der Lagerort mittels Bodenmarkierungen als ESD-Schutzzone ausgewiesen werden.
| 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.
| 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.
| LUFTFEUCHTIGKEIT UND IONISATION
Gerade im Winter, wenn die Luftfeuchtigkeit gering ist (unter 15 Prozent), spüren wir die Auswirkungen von elektrostatischen Entladungen häufig und meist auch sehr deutlich:
Das Knistern beim Ausziehen der Jacke und wie der Pullover danach geradezu an den Körper gezogen wird, oder der gelegentliche Schlag, den man beim Einsteigen in das Auto bekommt.
LUFTFEUCHTIGKEIT
Die Luftfeuchtigkeit hat sehr großen Einfluss auf das Ableitverhalten von Materialien. Während bei trockener Luft die Aufladungsneigung von Materialien stark ansteigt, nimmt sie im Gegenzug bei feuchter Luft stark ab. Es bildet sich ein feiner Feuchtigkeitsfilm auf der Oberfläche der Materialien.
Deshalb sollte bei einer Luftfeuchtigkeit von mehr als 55 Prozent auch keine ESD-Messung durchgeführt werden, da dies zu falschen Messergebnissen führt.
Eine konstante Luftfeuchtigkeit zwischen 40% und 60% kann eine sehr wirkungsvolle zusätzliche ESD-Schutzmaßnahme sein, jedoch müssen gerade bei der Regulierung alle Prozessparameter berücksichtigt werden.
In ESD-Bereichen werden verschiedene Ionisiersysteme eingesetzt:
Einfache Tischmodelle für den partiellen Einsatz, Overheadmodelle zur Ionisation gesamter Arbeitsplätze oder auch Ionisierstäbe mit optionaler Druckluftversorgung.
IONISATION
Ist es nicht möglich oder sinnvoll, ableitendes Material einzusetzen, so ist die Aufladungsreduzierung bzw. die Entladung durch einen Ionisator ein wirksames Mittel.
Sehr oft werden Baugruppen im Montageprozess mit hoch aufladbaren Gehäuseteilen verbunden. Hier ist die Ionisation meist die einzige Lösung. Dabei werden mittels Hochspannung durch den Korona-Effekt positive und negative Ionen erzeugt. Ein Luftstrom
transportiert diese zum aufgeladenen Bauteil und neutralisiert die dort vorliegende Ladung. Hierbei ist zu beachten, dass die Wirkung von Ionisatoren mit der Entfernung stark abnimmt.
Bei der Installation sollte die Entladezeit des Ionisators mittels eines Charge Plate Sets (Zubehör für Elektrofeldmeter zum Test von Luftionisationsgeräten) überprüft werden, um eine ausreichende Entladezeit für den jeweiligen Prozess zu gewährleisten.
Auch ist die regelmäßige Überprüfung der Ionisatoren zwingend erforderlich, da sich die Hochspannungselektroden während des Betriebs abnutzen und verschmutzen, wodurch die Wirksamkeit stark beeinträchtigt wird.
Durch den gezielten Einsatz von Ionisatoren und den notwendigen ESD-Schutzeinrichtungen muss beim Kontakt des Bauteils mit der Leiterplatte keine Beschädigung befürchtet werden.
| MESSTECHNIK
Um die unbemerkte Beschädigung von empfindlichen Halbleiterbauteilen und Komponenten zu vermeiden, sind regelmäßige Überprüfungen und Begehungen in einer EPA notwendig.
Ansonsten ist Gefahr im Verzug, denn betroffene Bauteile können nach der Beschädigung noch funktionieren, bestehen vielleicht auch noch einen Funktionstest, fallen dann aber nach einem Bruchteil der eigentlichen Lebenserwartung beim Kunden aus.
Durch dieses hohe Gefahrenpotenzial der zum Einsatz kommenden Bauelemente sind in der Fertigung ausschließlich Materialien einzusetzen, die durch ihre Beschaffenheit eine elektrostatische Gefährdung der Bauelemente ausschließen.
Da die auftretenden Entladungen und Ausgleichsströme für den Menschen meist nicht wahrnehmbar sind, ist es notwendig, die Schutzeinrichtungen regelmäßig messtechnisch zu überprüfen.
Elementar wichtig sind hierfür Widerstandsmessungen der zum Einsatz kommenden Materialien und Einrichtungen.
Dies fängt beim Betreten einer EPA mit der Zutrittskontrolle und der Personenprüfung des Mitarbeiters an, erstreckt sich über die regelmäßige Messung des ESD-Fußbodens und schließt natürlich auch die Oberflächen und Arbeitsmittel der Arbeitsplätze ein.
Nur so kann sichergestellt werden, dass keine Beschädigungen durch ESD in der Fertigung auftreten.
Im Schulungszentrum der Firma Keinath wird den Kursteilnehmern der normgerechte Umgang mit den verschiedenen Messgeräten und den richtigen Prüfaufbauten vermittelt.
ESD-Schutz: Klare Verhaltensrichtlinien sind wichtig
Mitarbeitende, Besucher und Reinigungspersonal müssen zur Problematik von ESD sowie den ESD-Schutzmaßnahmen regelmäßig sensibilisiert werden. Die Verhaltensrichtlinien müssen klar und eindeutig sein, jederzeit befolgt werden und in regelmäßigen Mitarbeiterschulungen kommuniziert werden.
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