Elektrostatische Entladung (ESD) die Definition

Obwohl normalerweise unauffällig, unbemerkt und (in der Regel) harmlos, können elektrostatische Entladungen während des Herstellungsprozesses von Leiterplatten ein echtes Problem darstellen. Das Auftreten von ESD kann eine der Hauptursachen für Geräteausfälle in der Elektronikfertigung sein und Produktverluste aufgrund von ESD können von 8% bis zu 33% betragen.

Daher ist es wichtig, elektrostatische Entladungen zu kontrollieren bzw. zu verhindern, dass sie am falschen Ort und zur falschen Zeit auftreten. Deswegen verwenden Elektronikhersteller Verfahren und Techniken, die einer möglichen ESD-Kontamination entgegenwirken.

Was ist elektrostatische Entladung?

Elektrostatische Entladung (engl. Electrostatic Discharge, ESD) ist ein plötzlicher, kurzer Stromfluss zwischen zwei Objekten mit unterschiedlichem elektrischem Potenzial, der in der Regel durch elektrische Aufladung und direkten Kontakt mit einem elektrischen Isolator oder seine Beschädigung entsteht.

ESD-Phänomene treten stets um uns herum auf. Sie rufen das Gefühl hervor, das wir empfinden, wenn wir Wäsche aus dem Trockner nehmen oder einen Metall-Türgriff berühren, nachdem wir über einen Teppich gelaufen sind. Sie sind auch für die Entstehung von bedrohlichen und spektakulären Blitzgewittern verantwortlich.

Der Begriff ESD wird in der Elektronik und Industrie verwendet, um vorübergehende, unerwünschte Stromflüsse zu beschreiben, die elektronische Geräte beschädigen können, da viele Geräte empfindlich gegen elektrostatische Entladungen sind, z. B. integrierte Schaltkreise, die aus Halbleitermaterialien (wie Silizium) und isolierenden Materialien (wie Siliziumdioxid) hergestellt werden. Diese Materialien können schon durch eine geringe Spannung dauerhaft beschädigt werden.

ESD in der Elektronikfertigung

Bei der Herstellung von Elektronik stellen elektrostatische Entladungen eine erhebliche Gefahr dar. Oft ist das Ladungsniveau sehr gering und die Hersteller selbst erkennen das ESD-Problem erst wenn es zu spät ist. Ohne ausreichenden ESD-Schutz können diese meist unauffälligen Impulse empfindliche Elektronik ernsthaft beschädigen (z. B. Leiterplatten und Mikroprozessoren zerstören).

Die Kosten der Reparatur einer solchen Beschädigung können ein paar Cents betragen, wie bei einer einfachen Diode, oder in Tausende gehen, wenn eine komplexe elektronische Schaltung ausfällt. Defekte, die durch ESD verursacht werden, können elektronische Bauteile auf vielfältige Weise beeinträchtigen.

Ausfälle von Komponenten

Ein Ausfall von Komponenten tritt auf, wenn der Schaden unmittelbar ist. Eine elektrostatische Entladung von ausreichend hoher Intensität kann die internen Schaltkreise eines Bauteils beschädigen. Dabei kommt es zur Metallschmelzung oder zum Durchschlagen von Oxidschicht and den Stellen, wo die Leiterbahn aus isolierenden Schichten besteht.

Versteckte Mängel

Sie sind für Elektronikhersteller definitiv eine größere Herausforderung. Versteckte Mängel entstehen, wenn eine elektrostatische Entladung auf niedrigerem Spannungsniveau induziert wird. Eine elektrostatische Entladung mit einem Potential von 30 V, das zu gering ist, um es mit den physischen Sinnen zu erfassen, ist mehr als genug, um die meisten integrierten Schaltkreise zu beschädigen!

Kleinere ESDs können das Metall und die Isolierung von Teilen beeinträchtigen, ohne das Produkt vollständig zu beschädigen, was während des Herstellungsprozesses schnell erkennbar wäre. Probleme treten erst später auf und können die Lebensdauer des Geräts verkürzen oder eine Fehlfunktion verursachen.

Verhinderung elektrostatischer Entladung

Ein unbestreitbarer Vorteil der Miniaturisierung in der Elektronik ist die zunehmende Verkleinerung der Bauteile, die die Herstellung von wesentlich kompakteren Geräten ermöglicht. Je kleiner die von uns verwendeten Bauteile sind, desto anfälliger sind ihre internen Schaltkreise für elektrostatische Entladungen. Aus diesem Grund ist es für Auftragshersteller von Elektronik so wichtig, während des gesamten Fertigungsprozesses so vorsichtig wie möglich zu arbeiten und geeignete Verfahren und Technologien einzusetzen, um die Möglichkeit eines potenziell schädlichen und unkontrollierten Stromflusses zu verhindern.

Aspekte, die bei der Entwicklung eines ESD-Präventionsprogramms berücksichtigt werden sollten

Der gesamte Herstellungsprozess sowie die Umgebung, in der Bauteile gehandhabt werden, sollten streng kontrolliert werden, um ein hohes Schutzniveau für empfindliche elektronische Komponenten vom Eingang bis zur Endmontage zu gewährleisten.

1. Produkte so zu gestalten, dass das gesamte Produkt oder seine besonders empfindlichen Komponenten besser gegen ESD geschützt sind;
2. Schutz von Produkten und elektronischen Bauteilen gegen ESD durch Verwendung geeigneter Erdungs-, Bypass- und Kontrollkomponenten für elektrostatische Ladung;
3. Sicherstellung, dass die Techniker angemessen geschult und vorbereitet sind, um mit Bauteilen zu arbeiten, die besonders empfindlich auf elektrostatische Entladung reagieren;
4. Festlegung des für die Umgebung erforderlichen Kontrollniveaus - entsprechend den verschiedenen Klassen der Empfindlichkeit gegenüber elektrostatischer Entladung:
   - für das Modell des menschlichen Körpers (engl. Human Body Model, HBM),
   - für das Modell des aufgeladenen Geräts (engl. Charged Device Model, CDM),
   - für das Maschinenmodell (engl. Machine Model, MM) - nur bei der Durchführung von automatisierten Tests an integrierten Schaltkreisen mit automatisierten Maschinen;
5. Festlegung von elektrostatisch geschützten Bereichen (engl. Electrostatic Protected Area, EPA) - typische EPA-Bereiche sind Wareneingang, Kontrolle, Montage, Lager, Forschung und Entwicklung, Verpackung, Reparatur, Labors und Reinräume, d.h. Bereiche, in denen man mit Bauteilen in Berührung kommt, die empfindlich auf auftretende elektrostatische Entladungen reagieren;
6. Bereitstellung geeigneter Erdungswege. Dadurch werden die Prozesse, die elektrostatische Aufladungen erzeugen, eliminiert oder reduziert;
7. Verwendung von antistatischen Materialien, Erdung und Ionisierung zur Kontrolle von statischer Aufladung - von der Ausstattung der Arbeiter mit geeigneter Kleidung und Schuhen oder ESD-Handgelenk- und Fersenriemen über antistatische Farben, Matten und Fußböden bis hin zu ESD-resistenten Zubehör und Verpackungen.