Serie Grundlagen der Technik, Teil 6

Einführung eines ESD-Kontrollprogrammes

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Der Ersatz des Menschen durch den Roboter erfordert insbesondere bei den Entstehungsmechanismen für elektrostatische Aufladungen und Felder neue Aufmerksamkeit. Dies wiederum fordert aber auch die Entwicklung neuer Messmethoden. Benötigt werden ESD-Programme für die Umsetzung der ESD-Anforderungen in der Elektronikfertigung.

Dipl.-Ing. Hartmut Berndt, B.E.STAT European ESD competence centre, Kesseldorf

Inhaltsverzeichnis

1. ESD-Kontrolle in fünf Stufen
2. Auszug aus dem ESD-Kontrollprogramm
3. Zu dieser Serie

 

Bei der Forschung um die Elektrostatische Entladung (Electrostatic Discharge (ESD)) in der Fertigung muss man auf der einen Seite die Eigenschaften der zu fertigenden ESD-empfindlichen Bauelemente (electrostatic discharge sensitive ESDS)) betrachten. Ihre Entwicklung geht dahin, dass sie immer kleiner und auch empfindlicher gegenüber elektrostatischen Ladungen und Feldern werden. Einzeln sind sie bereits sehr empfindlich, aber wie stellt sich die Empfindlichkeit einer bestückten Leiterplatte dar? Wie viele elektrostatische Ladungen können gespeichert werden? Aus den Anforderungen ergeben sich neue Fehlermodelle, gerade für komplexe Systeme wie Leiterplatten. Auf der anderen Seite ist es wichtig, die fertigenden Elemente in die Betrachtung mit einzubeziehen. Da wäre zum einen der Mensch: Weil der Mensch elektrostatische Ladungen erzeugt, ist er eine große Gefahr für elektrostatische Entladungen. Allerdings kann er ESD-gerecht ausgerüstet werden. Zum anderen liegen die Fehlerquellen in den automatischen Fertigungslinien, wenn der Mensch durch einen Roboter ersetzt wurde. Da die Vorgänge eines Roboters denen des Menschen gleich oder ähnlich sind, aber viel schneller verlaufen, entstehen elektrostatische Aufladungen auch bei der Aufnahme von elektronischen Bauelementen oder Leiterplatten durch die Roboter. Allerdings sind diese Vorgänge sehr viel schneller, und es entstehen daher sehr viel höhere elektrostatische Aufladungen oder Felder. Der Mensch ist dabei geerdet über das Handgelenkband oder das System Schuhwerk – Fußboden. Eventuell ist der Roboter auch geerdet, aber die Bauelemente und Baugruppen (Leiterplatten) bestehen immer noch aus isolierenden Materialien oder Kunststoffe, die sich elektrostatisch aufladen. Elektrostatische Aufladungen können nicht über die Hand einer Person oder einen metallischen Greifer von den Bauelementen oder Baugruppen abgeleitet werden. Die Trennvorgänge verliefen bei dem Menschen noch relativ „langsam“, bei einem Roboter wäre dieser Vorgang sehr schnell. Damit entstehen wesentlich höhere elektrostatische Aufladungen. Es stellen sich viele Fragen, u.a.:

  • Wo liegen die Ladungsquellen wirklich?
  • Wie können sie ermittelt werden?
  • Welche Messmethoden gibt es?
  • Welche ESD-Materialien sind in Maschinen geeignet, elektrostatische Ladungen und Felder abzubauen?
  • Wo liegen die Grenzen der Messverfahren?

Ein „ESD-Kontrollprogramm der Zukunft“ ist erforderlich. Dabei geht es zum einen um die Einteilung oder Klassifizierung von ESD-Arbeitsplätzen, z. B. Klasse „0“ einer SMT Fertigung, oder in welche Klasse eine Gerätefertigung eingeordnet werden soll. Die neuen ESD-Normen DIN EN 61340–5–1 und DIN EN 61340–5–2 sind 2017 bzw. 2018 erschienen. Die vergleichbare amerikanische ESD-Norm ANSI/ESD S20.20 ist 2014 erschienen und wird höchstwahrscheinlich Ende 2018 in einer Neufassung vorliegen.

ESD-Kontrolle in fünf Stufen

Vor einiger Zeit entstanden aus der Überlegung heraus, optimale ESD-Maßnahmen effizient in einer Elektronikfertigung einzuführen, verschiedene Programme. Ausgehend von der kompletten Umsetzung aller ESD-Maßnahmen, die in den Normen DIN EN 61340–5–1 und ANSI/ESD S20.20–2014 vorgeschrieben sind, ergaben sich bessere und vor allem optimale Lösungsansätze für die verschiedensten Elektronikfertigungen. Im Ergebnis entstand ein ESD-Kontrollsystem (ECS) oder auch ESD-Kontrollprogramm (ECP), das an viele Elektronikfertigungen angepasst werden kann. Das folgende ESD-Kontrollsystem besteht aus fünf Stufen:

  • Stufe 1: Analyse der ESD-Empfindlichkeit der vorhandenen ESDS und der bisher vorhandenen ESD-Ausrüstungen
  • Stufe 2:Erarbeitung eines Konzeptes für die notwendigen ESD-Kontrollmaßnahmen und Erstellung des eigentlichen ESD-Kontrollsystems
  • Stufe 3:Training des Personals
  • Stufe 4:Einführung des neuen oder veränderten ESD-Kontrollsystems
  • Stufe 5:Überprüfung des ESD-Kontrollsystems

Auszug aus dem ESD-Kontrollprogramm

Einen Überblick gibt Stufe 1 des ESD-Kontrollprogramms:

Der erste Schritt ist die Analyse der Fertigung. Welche elektronischen Bauelemente und Baugruppen werden verarbeitet? Wie hoch ist die ESD-Empfindlichkeit? Dafür gibt es normalerweise Angaben der Halbleiterhersteller. Im Zweifel muss angefragt werden, welchen elektrostatischen Entladungen die elektronischen Bauelemente standhalten. Die Hersteller sind verpflichtet, diese Angaben in ihren Datenblättern aufzuführen. Zu beachten ist, nach welchem Fehlermodell die elektronischen Bauelemente getestet wurden. Typischerweise werden nur die Grenzwerte nach dem „Human Body Model“ (HBM) Testmodell angegeben. Wichtig wäre eine Aussage, ob auch nach einem „Charged Device Model“ (CDM) getestet wurde. Den Menschen können wir heute weitestgehend „ESD-konform“ ausstatten, die Maschinen und Anlagen aber nicht. Hier werden die meisten ESD-Gefährdungen und -Ausfälle registriert. Das liegt einmal daran, dass sich die elektronischen Bauelemente selbst elektrostatisch aufladen, die Leiterplatten grundsätzlich elektrostatisch aufgeladen sind und die Maschinen „nur elektrisch geerdet“ sind. Für Maschinen und Anlagen fordern die derzeit vorhandenen gültigen Normen nur eine Erdung aller Teile der Maschine und die Verwendung von nicht aufladbaren Materialien. Das ist nicht ausreichend.

Bei der Analyse der bisherigen ESD-Ausrüstungen muss genau darauf geachtet werden, an welchen Arbeitsplätzen die ESDS verarbeitet und wie sie gehandhabt werden. Grundsätzlich sind nur ESD-Kontrollmaßnahmen notwendig, wenn ESDS präsent sind. Gleichzeitig wird die Fertigung nach bereits bestehenden ESD-Kontrollmaßnahmen überprüft. Sind diese funktionstüchtig und erfüllen diese ihre ESD-Anforderungen? Es werden alle Arbeitsplätze und Prozessschritte untersucht. Dabei wird festgestellt, an welchen Plätzen, Stationen usw. elektronische Bauelemente und Baugruppen verarbeitet werden. Als nächstes werden diese Stationen näher untersucht. Werden die gefundenen ESDS offen oder geschlossen verarbeitet, d. h. sind die ESDS für das Personal zugängig? Werden Arbeitsgänge mit diesen durchgeführt? Werden sie eingesetzt oder ausgebaut? Werden sie geprüft oder getestet?

An Arbeitsstationen, wo keine ESDS vorhandenen sind oder bearbeitet werden, d. h. die Geräte geschlossen sind, sind keine oder weniger ESD-Maßnahmen notwendig. Zu beachten ist, dass elektrostatische Ladungen auch über Anschlüsse, z. B. Sensoreingänge, eingespeist werden können. Nach dem die Stationen festgelegt wurden, sind weitere Betrachtungen notwendig. Als nächstes wird geprüft, wie ESDS angeliefert und weiter verarbeitet werden. Dazu einige Fragestellungen:

  • Wie werden die ESDS gelagert?
  • Wie werden die ESDS verarbeitet?
  • Wie sind das Handling und der Arbeitsablauf?
  • Erfolgt eine Trennung von ESDS mit anderen Bauelementen und Baugruppen?
  • Werden ESDS weitertransportiert?
  • Ist die Kennzeichnung so, dass jeder Mitarbeiter sehen kann, es handelt sich um ESDS?

Für jeden Arbeitsplatz oder jede Station können sich ähnliche Fragestellungen ergeben. Die Ergebnisse der Analyse werden aufgenommen. Daraus wird im nächsten Schritt ein ESD-Kontrollprogramm erstellt. Durch diese Analyse wird verhindert, dass „unnötige“ ESD Maßnahmen installiert werden, z. B. an mechanischen Arbeitsplätzen, an denen keine ESDS vorhanden sind. Natürlich muss ausgeschlossen werden, dass zu keinem Zeitpunkt ESDS vorhanden sein werden, also auch in Ausnahmefällen.

Nur ein optimaler Einsatz von ESD-Kontrollmaßnahmen führt zu einem verbesserten ESD-Schutz der ESDS. Die folgenden Stufen oder Schritte führen zu einem optimalen ESD Control System. Sie entstammen jahrelanger praktischer Erfahrungen aus der Beurteilung der verschiedensten Ausführungen von Elektronikfertigungen. Zwei Grundsätze müssen unbedingt genannt werden:

  • Nur ein durchgängiges ESD-Kontrollsystem gewährleistet einen umfassenden Schutz elektronischer Bauelemente und Baugruppen vor elektrostatischen Ladungen.
  • Das Handgelenkband ist die beste Möglichkeit zur Erdung von Personen.

Aus dieser Analyse der vorhandenen ESD-Ausrüstungen und der ESD-Empfindlichkeit entsteht dann das ESD-Kontrollprogramm (Stufe 2). eve

www.bestat-cc.com

B.E.STAT European ESD competence centre
Zum Alten Dessauer 13
01723 Kesseldorf
Deutschland

Tel.: +49 35204 2039-10
E-Mail: info@bestat-cc.com
Website: www.bestat-cc.com

Bild: B.E.STAT

info

Zu dieser Serie

Zusammen mit der Technischen Akademie Esslingen stellt die elektro AUTOMATION in dieser Grundlagenserie Hintergründe und praktische Einsatzszenarien in aktuellen Technikfeldern zusammen. Tipps zu passenden Seminarangeboten erleichtern die Planung einer praxisorientierten Weiterbildung.

Erschienen sind bereits:

Teil 1: Einsatz von hybriden CPU-FPGA-Chips in Embedded Systems: hier.pro/HMeEq

Teil 2: Elektrofahrzeuge – Standardisierte Integration in Smart-Home-Systeme: hier.pro/L06ag

Teil 3: Protokollanalyse und Bestimmung der Phasen: hier.pro/9ANhA

Teil 4: Dezentrale Antriebstechnik – Intelligenz im Antrieb: hier.pro/a4ecu

Teil 5: Sensordatenfusion mittels ROSE-Filter:hier.pro/ps7x0

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