ESD-Buch

 

Vorwort
Dieser Leitfaden verdeutlicht das Phänomen der elektrostatischen Entladung und erläutert die unterschiedlichen Möglichkeiten der Vorbeugung. Es ist jedoch kein Ersatz für die Richtlinien der ESD- und Sicherheits-Normen.
Alle Informationen in diesem Leitfaden basieren auf den Normen CEI/IEC 61340-5-1 und CEI/IEC 61340-5-2, die von der "International Electrotechnical Commission", 3 rue de Varambe, Genf, Schweiz, veröffentlicht wurden (www.iec.ch).

Normen
IEC 61340-5-1
:
Schutz elektronischer Bauteile vor elektrostatischer Entladung – Allgemeine Anforderungen (2008) 
IEC 61340-5-2:
Schutz elektronischer Bauteile vor elektrostatischer Entladung – Benutzerhandbuch
IEC 61340-4-1:
Elektrischer Widerstand von Bodenbeschichtungen und Bodenbeläge.
IEC 61340-4-5:
Methods for characterising the electrostatic protection of footwear and flooring in combination with a person.
ANSI/ESD S20.20-2007:
Schutz elektrischer und elektronischer Teile, Bauelemente und Geräte USA 1999
ANSI/ESD S541-2003:
Verpackungsmaterialien für ESD-empfindliche Bauteile USA 2003

Was versteht man unter elektrostatischer Entladung?

ESD ist die Abkürzung für "Electro Static Discharge" also elektrostatische Entladung und wird durch den Ladungsaustausch zwischen zwei Körpern mit unterschiedlichen Spannungspotenzialen hervorgerufen. Die elektrostatische Aufladung entsteht, wenn zwei unterschiedliche Materialien aneinander reiben oder voneinander getrennt werden. Beispiele hierfür sind:

Laufen über Kunststoffböden
Reibung auf synthetischer Kleidung
Verrücken von Plastikbehältern
Abrollen von PVC – Klebebändern
Bewegung von Förderbändern

Statische Ladung kann in modernen Arbeitsbereichen hohe Spannungen verursachen – über 10 kV sind nicht unüblich. Bei einer Luftfeuchtigkeit unter 20% wurden sogar schon 30 kV gemessen.
Wenn sich zwei Körper mit unterschiedlichen Ladungen nähern, können Elektronen plötzlich vom einen auf das andere fließen.
ESD kann auch dann auftreten, wenn zwischen zwei Körpern, die sich nah bei einander befinden, ein elektrisches Spannungsfeld entsteht. ESD kann zu Folgendem führen:

höhere Kosten
schlechtere Qualität
unzufriedene Kunden

Es gibt viele gewöhnliche Tätigkeiten bei denen Ladungen entstehen, die empfindliche Bauteile beschädigen können.

Luftfeuchtigkeit 10-25% 65-90%
Über einen Teppich laufen 35000 Volt 1500 Volt
Poly-Beutel vom Tisch nehmen 20000 Volt 1200 Volt
Stuhl mit Urethan-Schaum 18000 Volt 1500 Volt
Über Vinyl-Fliesen laufen 12000 Volt 250 Volt
Am Tisch arbeiten  6000 Volt 100 Volt

Bauteil-Typ  ESD-Anfälligkeit
CMOS 250 - 3000 Volt
OP-AMP 190 - 2500 Volt
VMOS 30 - 1800 Volt
MOSFET 100 - 200 Volt
GaAsFET 100 - 300 Volt
EPROM 100 Volt
JFET 140 - 7000 Volt
BI-POLAR TRANSISTOR 380 - 7000 Volt
SCHOTTKY DIODES 300 - 2500 Volt
SCHOTTKY TTL 1000 - 2500 Volt

Materialen
Materialien zum Schutz vor ESD werden anhand ihrer Widerstandseigenschaften klassifiziert.
Messungen des Oberflächenwiderstandes eignen sich nicht immer um die Wirksamkeit eines Materials festzustellen. Sobald der Widerstand höher als 10^10 Ω oder das Material ungleichmäßig gewebt ist, empfiehlt es sich die "Abklingzeit der erzeugten Ladung" zu messen.

Abschirmende Materialien 0 - 10^3 Ω
Leitfähige Materialien 0 - 10^5 Ω
Dissipative Materialien 10^5 - 10^12 Ω
Isolierende Materialien > 10^12 Ω

Abschirmende Materialien: Diese Materialien wirken wie ein Faradayscher Käfig, indem sie einen Strom-durchgang verhindern und die Energie, die bei einer elektrostatischen Entladung freigegeben wird, dämpfen. Die meisten abschirmenden Materialien enthalten ein leitfähiges (weniger als 10^3 Ω) Metall- oder Karbonelement, welches das Spannungsfeld verkleinert oder reflektiert.

Leitfähige Materialien: Sie besitzen einen geringen Widerstand (weniger als 10^5 Ω) und sorgen deshalb für ein schnelles Abfließen der Ladung. Sobald leitfähiges Material geerdet ist, fließt die gesamte Ladung ab. Beispiele für solche Materialien sind Metalle, Karbon und die Schweißschicht auf der Haut eines Menschen.

Dissipative Materialien: Der Oberflächenwiderstand dieser Materialien liegt zwischen 10^5 und 10^12 Ω Sie gleichen Potentialdifferenzen in relativ kurzer Zeit aus..

Isolierende Materialien: Sie haben einen hohen Oberflächenwiderstand von mindestens 10^12 Ω und sind schwer zu erden. Statische Ladung bleibt lange an einer Stelle dieser Materialien bestehen, ohne abzufließen. Diese Eigenschaft stellt eine Gefahr dar, die als Teil
eines ESD-Programms unter Kontrolle gehalten werden muss. Kunststoffe, Glas und Luft sind Beispiele für Isolatoren.

Vorgehensweisen
Schäden aufgrund von elektrostatischer Entladung können jederzeit auftreten:

Wareneingang
Annahme
Produktion
Laufband
Messungen
Lagerung
Verpackung
Transport
Wartung

Grundlegende Vorgehensweisen:

Erdung
Abschirmung
Neutralisation (Ionisiergeräte)

Vier Goldene Regeln:

1) Gehen Sie stets davon aus, dass alle aktiven Bauteile ESD-empfindlich sind.
2) Fassen Sie elektronische Bauteile nur in ESD-Schutzonen (EPA) an und nur dann wenn Sie ordnungsgemäß geerdet sind.
3) Lagern und transportieren Sie ESD-empfindliche Bauteile in ESD-Schutz-Behältern.
4) Überprüfen Sie regelmäßig das interne und externe (Lieferanten) ESDSchutz-System. 

Beachten Sie den Grundsatz "Wo keine Aufladung, da keine Entladung". Der Gebrauch von leitfähigen und dissipativen Materialien verhindert eine Aufladung und somit auch eine Entladung. Die gesamte Ausstattung darf keine beweglichen Teile enthalten, die eine Aufladung erzeugen könnten, wie z.B. Gummirollen, Kunststoffgleiter etc. Gegenstände mit denen Bauteile in Berührung kommen könnten oder auf denen sie transportiert werden, müssen ebenfalls antistatisch oder leitfähig sein. Der Einsatz von Ionisiergeräten zum Neutralisieren von bereits vorhandener Ladung verhindert weitere Aufladung. So wenig Bewegungen wie möglich und eine ESD-sichere Ausstattung senken das Risiko einer statischen Aufladung durch Personen auf ein Minimum.

EPA
Innerhalb einer EPA (ESD protected area = ESD-Schutzzone) können weder durch einen Gegenstand noch durch eine Tätigkeit ESD-empfindliche Bauteile beschädigt werden. Im einfachsten Fall handelt es sich um einen mobilen Arbeitsplatz bestehend aus einer dissipativen Matte, einem Armband und den für beide notwendigen Erdungsanschlüssen.

1) Ableitende Rollen
2) Ableitende Oberflächen
3) Armbandtester
4) Schuhtester
5) Schuhelektrode
6) Erdungsarmband mit Erdungskabel
7) Erdungsleitung
8) Erdung
9) Erdungspunkt
10) Wagenerdung
11) Schuhe
12) Ionisiergeräte
13) Dissipative Tischoberfläche
14) ESD-Stuhl
15) Ableitfähiger Boden
16) ESD-Kleidung
17) Ableitende Regale
18) EPA-Schild

ARBEITSTISCHE
Es ist wichtig, dass jeder Arbeitstisch, oder jede Arbeitsoberfläche, mit ESD-Material bedeckt und mit Hilfe von Kabeln und Erdungsanschlüssen geerdet ist.

 

Entfernen Sie alle Fremdgegenstände (Essen, Getränke, Kämme, Taschen, Bekleidung) von Ihrem Arbeitsplatz.
Überprüfen Sie die Armbänder täglich. Inspizieren Sie die Erdungsanschlüsse, Matten und Erdungsbausteine wöchentlich. Reinigen Sie die Oberflächen nur mit speziellen Reinigungsmitteln und nicht mit herkömmlichen Haushaltsprodukten, da diese eine isolierende Schicht hinterlassen können.

Personenerdung
Personen sind die Hauptquellen elektrostatischer Ladung

Man sollte Erdungssysteme benutzen um sicher zu gehen, dass Bauteile, Personen und andere Leiter dasselbe Spannungspotenzial besitzen. Um eine sichere Erdung zu gewährleisten muss der ESD-Boden direkt mit dem Gebäude oder der Erdleitung verbunden sein und dasselbe Potenzial haben.

Möglichkeiten der Personenerdung:
 

ARMBÄNDER Das Armband ist das am häufigsten benutze Produkt für die Personenerdung. Es leitet die Ladung sicher vom Körper ab. Armbänder ohne Kabel sind jedoch unwirksam!
SCHUHE und ERDUNGSBÄNDER In einigen Bereichen bedient man sich leitfähiger Schuhe oder Schuherdungsbänder bzw. Dauerfersen-/ Zehenbänder. Dabei sollte man die Erdungsbänder stets an beiden Füssen tragen um einen permanenten Kontakt zum Boden oder zur Matte herzustellen. Schuherdungsbänder sind auf isolierenden oder schlecht geerdeten Oberflächen in ihrer Funktionsfähigkeit beeinträchtigt.
KLEIDUNG Der Hauptzweck von leitfähigen Mänteln besteht darin, das statische Feld auf der Kleidung der Angestellten zu dämpfen. Die eingewebten leitfähigen Fasern wirken wie ein Faradayscher Käfig, der gefährliche Felder daran hindert sich auszudehnen und empfindliche Bauteile zu beschädigen. Man sollte darauf achten, dass alle Teile der Bekleidung mit dem Mantel bedeckt und somit leitfähig sind.
HANDSCHUHE ESD-empfindliche Bauteile können bei Berührungen auch dann beschädigt werden, wenn eine Person geerdet ist. Die Erhöhung des Durchgangswiderstandes ist eine Möglichkeit die Entladungsgeschwindigkeit zu kontrollieren. Dies lässt sich mit Hilfe von dissipativen Fingerlingen und Handschuhen verwirklichen.
STÜHLE Der Widerstand aller Stuhlteile mit denen eine Person in Berührung kommt muss unter 10^10 Ω liegen und mindestens zwei Rollen oder Gleiter müssen leitfähig sein.

Walking Test
The proof of the Walking Test allows allows ESD coordinator to analyze the accumulated charge levels on the human body according to the standard IEC 61340-4-5. ESD coordinator is responsible for the evaluation of the body charge in an EPA. In fact, the characterization of the floor system is obtained by measuring the electric resistance and the chargeability of the shoe/floor in combination with a person. So for a proper evaluation of the flooring must be:
- Measure the resistance to ground
- Make the Walking Test to analyze the chargeability (body voltage) as shown in figure:

Walking Test

The persons walks following a certain path and steps like described by the rule. The voltage generated on the operator by triboelectric effect (body charge) is transferred via the metal electrode to an electrostatic voltmeter with a very high input impedance (> 100TΩ) and recorded. A graph representing the potential as a function of the elapsed time is saved and allows to correlate the different triboelectric behavior of different materials or the same material but with different parameters (footwear etc.). These data are used to determine the suitability of a coating for a specific application and are useful for the producer to adapt constantly to the growing technical demands of the markets.

Etiketten

Das Grundsymbol
Das Grundsymbol besteht aus einer gelben Hand innerhalb eines schwarzen Dreiecks. Es dient zur Kennzeichnung von ESD-empfindlichen Bauteilen und -elementen.

 

Das Shutzsymbol
Mit Schutzsymbol werden alle ESD-Schutz-Produkte wie Beutel, Behälter und Bekleidung gekennzeichnet. Unterhalb des Symbols befindet sich jeweils ein Buchstabe, der Auskunft gibt über die Eigenschaften des Produktes:

C   Conductive (leitfähig)
D   Dissipative (dissipativ/ableitfähig)
S   Shielding (abschirmend)
L   Low charging (gering aufladbar)

 

Das EPA-Symbol
Dieses Symbol kennzeichnet EPA-Ausstattung wie Tische, Stühle und Rollwagen.

 

ESD-Warn-Symbol

 

Erdungspunkt-Symbol

 

EPA-Warn-Schild

 

EPA-Hochspannungs-Schild

 

Arbeiten ausserhalb einer EPA
Arbeiten außerhalb einer EPA sind wohl die riskantesten Situationen im Umgang mit ESD-empfindlichn Bauteilen und das am stärksten vernachlässigte Thema im ESDSchutz-Bereich. Was die Situation so riskant macht, ist die Tatsache, dass sich für gewöhnlich viele ESD-Quellen in der Umgebung befinden. Deshalb sollten Bauteile in abschirmenden Beuteln oder Behältern transportiert werden. Bei Arbeiten an Modulen in ungeschützten Bereichen, sollte man eine dissipative Matte mit den Erdungsanschlüssen des Gerätes und dem Boden verbinden um so eine sichere Arbeitsoberfläche zu erhalten. Legen Sie ESD-empfindliche Bauteile nur auf die Matte:


  

 

Verpackung
ESD-Schutz-Verpackungen schützen Bauteile vor einer direkten Entladung und sorgen für ein schnelles Abfließen der Ladung auf der Außenseite der Oberfläche. Außerdem schützt Verpackungsmaterial auch vor Staub und Feuchtigkeit.

Die Norm IEC 61340-5-1 definiert drei Arten von Verpackungen:

direkt anliegende Verpackung

ist in Kontakt mit dem Bauteil.

umhüllende Verpackung

ist nicht in Kontakt mit dem Bauteil, soll eins oder mehrer Bauteile umhüllen

Sekundärverpackung

dient dem physikalischen Schutz, wird von Bauteilen fern gehalten und ist somit in einer EPA nicht erlaubt

 

 

Innerhalb einer EPA

Außerhalb einer EPA

direkt anliegend

umhüllend

direkt anliegend

umhüllend

ESDS

entweder gering aufladbar und leitfähig oder gering aufladbar und dissipativ

(Für batteriegepufferte ESDS nur leitfähige oder dissipative Verpackung mit mehr als 1GΩ verwenden)

gering aufladbar und abschirmend oder gering aufladbar und leitfähig oder dissipativ

genauso wie innerhalb einer
EPA

abschirmend

Kein ESDS

dissipativ oder gering aufladbar

keine Anforderungen

Beachten Sie:
Einige Verpackungsmaterialien sind feuchtigkeitsabhängig und haben eine begrenzte Lebensdauer. Andere wiederum setzten Partikel frei, die Probleme bereiten können.

Beutel

ANTISTATISCHE BEUTEL
Gebrauch
: innerhalb eines EPA zum Verpacken von nicht ESD-empfindlichen Bauteilen
Kosten
: niedrig.
Aussehen
: durchsichtig oder getönt (pink, blau, grün)
Material
: ein- oder mehrschichtiges Polyethylen
Eigenschaften
: Widerstand zwischen 10^10 und 10^12 Ω. Abklingzeit weniger als 2 s von 1000 V auf 100 V bei
Luftfeuchtigkeit von 50% und 22°C
Lebensdauer: durchschnittlich 1 Jahr.

LEITFÄHIGE BEUTEL
Gebrauch: gut geeignet für viele ESD-empfindliche Bauteile. Sollten nicht bei angetriebenen Bauteilen verwendet werden. 
Kosten: mittel.
Aussehen
: schwarz.
Material
: Polyethylen, versetzt mit Karbon. 
Eigenschaften
: Widerstand zwischen 10^3 und 10^5 Ω.
Lebensdauer: über 5 Jahre.

ABSCHIRMENDE BEUTEL
Gebrauch: zum eng anliegenden verpacken von ESD-empfindlichen Bauteilen
Kosten: hoch.
Aussehen
: metallisch, halb-durchsichtig.
Material
: in Vakuum eingeschlossenes Aluminium zwischen Polyester-und Polyethylenschichten
Eigenschaften
: gering aufladbar, Schutzbarriere gegen elektrostatische Entladung
Lebensdauer: über 2 Jahre 

Ionisiergeräte
In Fällen in denen die Anwendung von traditionellen Erdungsmethoden und der vollkommene Ausschluss von sich aufladbarem Material nicht möglich ist, sollte man Ionisiergeräte verwenden. Diese neutralisieren elektrostatische Ladung, indem sie mit Hilfe von Ventilatoren große Mengen an positiven und negativen Ionen verteilen. Wenn die ionisierte Luft mit einer geladenen Oberfläche in Berührung kommt, dann zieht diese Fläche positive Ionen an und neutralisiert somit die Ladung. Weiterhin entfernen Ionen kleine Schmutzpartikel, Rauch sowie Pollen aus der Luft und sorgen bei einigen Menschen für ein gesteigertes Wohlbefinden.

Nuklearbetrieb: hohe Wartungsanforderung
Wechselstrom: geringe Entladezeit bei Verwendung von großen Gebläsen
Gleichstrom: sehr geringe Entladezeit

Schutz:
lokaler Schutz (kleine Fläche): EIonisiergeräte für Arbeitstische, Ionisierstäbe, Ionisierpistolen
kompletter Schutz (ganze Räume): manuelle Umgebungsüberwachung automatische Umgebungsüberwachung.

Gesetzlich erlaubte maximale Ozonentstehung: 0,2 mg pro m^3 .
Gleichstrombetriebene Ionisiergeräte mit einer gleichmäßigen Ionenemission sind die beste Lösung für einen lokalen Schutz.

Luftfeuchtigkeit
Der bedeutsamste Faktor im ESD-Bereich ist die Luftfeuchtigkeit. Wenn die Luftfeuchtigkeit am Arbeitsplatz abnimmt, dann können sich der menschliche Körper und andere Isolatoren problemlos aufladen. Trockene Luft baut nämlich Ladung auf, sobald sie sich über eine isolierte Fläche hinweg bewegt (Windhauch, Klimaanlage, Ventilator). Deshalb sollte die Luftfeuchtigkeit stets über 30% liegen. Bei niedrigeren Werten empfiehlt sich der Gebrauch von Ionisiergeräten.

Sicherheit
Die Sicherheit des Personals steht an oberster Stelle und darf niemals vernachlässigt oder ignoriert werden. Personenerdung in der Nähe von Wechselstrom stellt eine mögliche Gefahr dar. Deshalb sollte man bei Arbeiten in der Nähe von einer Spannung höher als 250 VAC auf Personenerdung verzichten. Obwohl alle Produkte für die Personenerdung mit einem 1 MΩ Schutzwiderstand ausgerüstet sein müssen um die Stromstärke auf weniger als 0,25 mA zu reduzieren, empfiehlt sich der Gebrauch von Fehlerschutzstromschaltern. Bei Spannungen über 250 VAC oder 500 VDC sollten ordnungsgemäße Warnschilder angebracht werden.


Training
NORMEN
: Sie sollten sich die IEC 61340-5-1 Normen besorgen, sie lesen und sich mit Ihnen vertraut machen.

ESD TEAM: Gründen Sie ein ESD-Team, das für das ESD-Schutz-Programm verantwortlich ist.

TRAINING: Bringen Sie den Mitarbeitern den Gebrauch und die Überprüfung der Personenerdung bei. Subunternehmer und Besucher sollten auf die Vorgehensweisen aufmerksam gemacht werden.

VIDEO: Zeigen Sie Videos über das Phänomen der elektrostatischen Entladung mit Beispielen und Demonstrationen, damit jedem die
Problematik dieses Themas bewusst wird. 

SIGNALISIERUNG: Deutliche Beschilderungen für ESD-Schutzzonen und Gefahren sollten großzügig und gut sichtbar angebracht werden um Aufmerksamkeit erregen.

DISZIPLIN: Manager und Techniker sollten die Normen und Qualitäts-anforderungen stets respektieren und den anderen Mitarbeitern ein Vorbild sein.

Besucher
Manager und Techniker sollten die Normen und Qualitäts-anforderungen stets respektieren und den anderen Mitarbeitern ein Vorbild sein.

 

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