Measurements of electrical resistances for the judgment of materials for ESDS-protection a comparison of standards.

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1 Messungen von elektrischen Widerständen zur Beurteilung von ESDS-Schutzmaterialien ein Normenvergleich ESDS = Electrostatic Discharge Sensitive Devices (Im Dez aktualisierte Fassung eines Vortrags, gehalten auf dem 7. ESD-Forum 2001 in Berlin) Karl H. Helling, Elektrostatik Institut Berlin GmbH Tel.: +49(0) , Fax: -7476, karl.helling@eib-gmbh.de Zusammenfassung: In der Elektronikindustrie muß sichergestellt werden, dass elektrostatisch gefährdete Bauelemente nicht durch ungewollte elektrostatische Auf- oder Entladungen zerstört werden. Es muß folglich kontrolliert werden, ob a) durch die triboelektrischen Eigenschaften von Materialien elektrostatische Aufladungen entstehen, und ob b) die nicht völlig vermeidbaren Aufladungen in tolerierbarer Zeit wieder abfließen. Der elektrische Widerstand des Ableitpfades darf nicht zu niedrig sein (Vermeidung von hohen Entladeströmen). Er darf auch nicht zu hoch sein, um zu lange Entladestrom-Zeiten zu vermeiden. Ableitzeiten (Static Decay) von etwa 0,1-2 Sekunden sind i.a. ausreichend. Werden diese Vorgaben auf die hier zu vergleichenden Widerstands-Messmethoden reduziert, bedeutet dies in der Praxis, dass von unterschiedlichsten Materialien die elektrischen Widerstandswerte im Bereich von ca (10 14 )Ω zu messen sind. Es ist dabei unerheblich, ob Flächen-, Volumen- oder Ableitwiderstände gemessen werden, denn in jedem Fall wird von den Messgeräten ein Strom von A gemessen und der Widerstand mit Hilfe der Messspannung berechnet. Die dabei auftretenden Probleme wurden auf dem 5. ESD-Forum (1997) referiert und diskutiert /3/. Die hier gegenübergestellten Normen sollen alle geeignet sein, die unterschiedlichsten Materialien mit Hilfe von Widerstandsmessungen zu beurteilen und deren Eigenschaften für den ESDS-Schutz zu beschreiben. Der Vortrag geht auf die Besonderheiten dieser genormten Messmethoden ein und gibt in der zusammenfassenden Übersicht Empfehlungen für die ESD-Praxis (Seite 12). Abstract: Measurements of electrical resistances for the judgment of materials for ESDS-protection a comparison of standards. The electronics industry, which is manufacturing electrostatic discharge sensitive products, has to make sure that these electrostatic discharge sensitive devices are not damaged by unintentional electrostatic chargings or dischargings. This problem must be addressed and devices made safe by suitable checks to ensure no danger is present in the surrounding building elements. It must be checked consequently: a) Are there electrostatic chargings from the triboelectrical features of the materials? b) Can the unavoidable chargings flow to ground within the tolerated time (static decay)? The electric resistance of the decay path must not be too low (to avoid high discharge currents), also it must not be too high in order to avoid a long static decay time. Static decay times of about 0,1 up to 2 seconds are generally sufficiently. If these problems are reduced on the here compared resistance measurement methods then this means in practice most of the various materials shall have an electric resistance value in the range of approx (10 14 )Ω. In this case it is insignificant if a surface resistance, volume resistance or the resistance to ground has to be measured, because in every case a current of A is measured. With this measurement the resistance will be calculated with the help of the measuring voltage. These and the associated problems were presented and discussed in a paper at the 5th ESD forum (1997) /3/. All the standards compared here shall be suitable for judging most materials, with the help of resistance measurements, and describe the qualities for the ESDS protection. This presentation looks at the features of these standardized methods and gives a summarizing overview with recommendations for ESD practice (page 12).

2 1. Einleitung Referate über Widerstandsmessungen finden wir in der Literatur zahlreich. Es werden Ergebnisse verglichen, die bei unterschiedlichen klimatischen Bedingungen, mit unterschiedlichen Elektroden, Messspannungen oder Leit(d)gummisorten erzielt wurden /1,2/. Auf dem 5. ESD-Forum wurden sehr unterschiedliche Ergebnisse präsentiert, die von verschiedenen ESD-Fachleuten in verschiedenen Instituten mit Proben gleicher Herkunft erzielt wurden /3/ und nehmen uns auch Ende 2001 wieder dieses Themas an, weil das Messen von elektrischen Widerständen von Isolierstoffen oder hochohmigen Materialien eben nicht trivial ist. Selbst die einfache Anwendung einer Messvorschrift (Norm) ist eben nicht immer einfach. Doch die Messprobleme sollen hier nicht wieder diskutiert werden. Der Vortrag soll vielmehr in die Vielfalt der Normen ein wenig Ordnung bringen und mit der abschließenden Übersicht die Empfehlung geben, nach welchen Normen welche Materialien geprüft werden soll(t)en. 2. Normen, die Widerstandsmessungen beschreiben 2.1 Normen mit allgemeinem Charakter 2.2 Normen zur Prüfung von Fußböden 2.3 Normen zur Systemprüfung von Fußböden und Schuhen 2.4 Normen zur Prüfung von Schuhen, Textilien und Materialien jeder Art inkl. Verpackungen. 2.1 Normen mit allgemeinem Charakter Diese Normen beschreiben ESDS-Schutzmaßnahmen und enthalten Messmethoden oder beziehen sich auf Normen, die Messmethoden beschreiben. Elektrostatik - Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene Teil 5-1: Allgemeine Anforderungen spätestes Datum für die Übernahme als nationale Norm: , - ersetzt Grundspezifikation, Allgemeine Anforderungen Enthalten sind in diesen Normen Prüfungen für fast alle Belange in Elektronikschutzzonen (EPA s), z.b.: Stühle, Transportkisten, Klarsichtscheiben, Klarsichthüllen, Folien, Handschuhe, Fingerlinge, Werkzeug Testmethoden für das Handgelenkerdungsband: Abb.1 Seite 2 von 12

3 2.1.2 Einfache Prüfung von Handschuhen und kleinen Handwerkzeugen: Messung des elektrischen Widerstandes zum groundable point Abb Prüfung von Stühlen: Elektrode: 5 kg nach U M 10 V (R Ω), U M = 100 V ( Ω < R Ω), Mindestens zwei Beine müssen elektrisch ableitfähig sein. Abb Normen zur Prüfung von Fußböden Wie schwierig es ist, einen modernen ESD-Fußboden fehlerfrei zu beurteilen, haben sie alle sicher schon erfahren. Folgende Normen sollen dabei helfen: Elektrostatik - Teil 4: Festgelegte Untersuchungsverfahren für ( ) besondere Anwendungen Hauptabschnitt 1: Elektrostatisches Verhalten von Bodenbelägen und von verlegten Fußböden ANSI/ESD S7.1 Resistive Characterization of Materials (2001) Floor Materials 1081 Elastische Bodenbeläge ( ) Bestimmung des elektrischen Widerstandes (Dreipunktelektrode) ISO ( /Cor 1:1999) Textile Floor Coverings Determination of Electrical Resistance Seite 3 von 12

4 2.2.1 Prüfung nach Zwei verschiedene Elektroden können verwendet werden: Abb. 4.1 Abb. 4.2 U M = 10 V (R Ω), U M = 100 V ( Ω < R Ω), U M = 500 V (R> Ω), m= 2,5 kg auf festen, nicht verformbaren Materialien m= 5kg auf allen anderen Materialien Konditionierung: >48 Std. bei 23 C / 12%r.F. Textile Bodenbeläge müssen vorher mindestens 24 Std. bei 20 C / 60%r.F. gelagert werden Prüfung nach ANSI/ESD S7.1 (ANSI = American National Standard for Industry) Elektrode -ist ähnlich : (2,5 ± 0,25 kg!) = (2,25-2,75) -entspricht ESD S4.1 (2,27 ± 0,6 kg!) = (1,67-2,87) m = 2,27 kg Ø = 63,5 mm U M = 100V Abb.5 Seite 4 von 12

5 2.2.3 Prüfung nach 1081 Diese Prüfmethode enthält eine Handschrift, die nicht aus dem Fachgebiet der Elektrostatik kommt. Es wird unter der Überschrift Elastische Bodenbeläge eine Messmethode zur Bestimmung des elektrischen Widerstandes beschrieben, die ihre Berechtigung hat, jedoch nicht, um den maximalen Erdableitwiderstand zu ermitteln, wie er zur Beurteilung eines EPA-Fußbodens benötigt wird (EPA= Electrostatic Discharge Protected Area). Die zu verwendende Dreipunktelektrode (Abb.6), bestimmt immer den Gesamtwiderstand aus drei einzelnen Messpunkten. Da der Gesamtwiderstand von parallelgeschalteten Widerständen immer kleiner ist als der kleinste Einzelwiderstand, eignet sich diese Elektrode zur Bestimmung des minimalen Erdableitwiderstandes sie ist folglich nicht geeignet zur Prüfung von ESD-Böden. Der Prüfer stellt sich auf die Elektrode (>300N) U M = 100 V (R Ω) U M = 500 V (R> Ω) Messbeispiel: Wenn zwei Messpunkte einen Erdableitwiderstand von R= Ω haben und ein Messpunkt einen solchen von R= Ω, ist das Messergebnis R= Ω. Abb Prüfung nach ISO (ISO = International Organization for Standardization) Elektrode: 5 kg Ø = 65 mm U M = 10 V (R< Ω), U M = 100 V ( Ω R Ω), U M = 500 V (R> Ω) Diese Norm beschreibt eine Labor-Messmethode für horizontale und vertikale Messungen. Abb.7 Seite 5 von 12

6 2.3 Systemprüfung von Fußböden und Schuhen (ESD = ESD Association, STM = Standard Test Method) Prüfung nach ESD STM 97.1 Floor Materials and Footware (1999) Resistance Measurement in Combination with a Person Beide Schuhe vor dem Test mindestens 10 Minuten tragen! Mit beiden Füßen auf der Platte stehen. U M = 10 V oder U M = 100 V Bei verlegtem Boden : den Boden bis zu 72 Std. nach dem Reinigen trocknen lassen, nach dem Messen von beiden Schuhen, sind abwechselnd die Schuhe einzeln zu messen, mindestens 5 Messungen / 460m 2. Abb. 8 Es soll abgewartet werden, bis sich in den Schuhen ein feucht-warmes Klima gebildet hat. Die Ergebnisse zwischen denjenigen, die einen Schweißfuß haben und denjenigen, deren Füße trocken bleiben, können folglich unterschiedlich ausfallen. Von Anwender zu Anwender können unterschiedliche Ergebnisse erwartet werden. 2.4 Normen zur Prüfung von Schuhen Textilien Materialien jeder Art incl. Verpackungen Prüfung von Schuhen Prüfung nach ESD STM 9.1 Footware (2001) Resistive Characterization (not to include heel straps toe grounders) 1. Konditionierung: >72 Std. 23 C / 12%r.F. (low humidity) 2. Konditionierung: >72 Std. 23 C / 50%r.F. ( moderate humidity) U M = 100 V Seite 6 von 12

7 Abb Prüfung von Textilien DIN Prüfung von Textilien ( ) Elektrostatisches Verhalten Bestimmung elektrischer Widerstandsgrößen Schutzkleidung ( ) Elektrostatische Eigenschaften Oberflächenwiderstand (Prüfverfahren und Anforderungen) /A.3 Elektrostatik - Schutz von elektronischen Bauelementen gegen ( ) elektrostatische Phänomene Teil 5-1: Allgemeine Anforderungen Verweis auf IEC Prüfung nach DIN Konditionierung : >24 Std. 23 C / 25%r.F. Um Hysterese-Effekte zu vermeiden, hat die Angleichung durch Lagerung in einem Klima mit höherer Luftfeuchte zu erfolgen (höhere Luftfeuchte und Lagerzeit nicht spezifiziert). Prüfklima : 23 C / 25%r.F. ca. 1kg, Zusatzgewichte erlaubt U M = 100 V t M = 1 Minute Wenn R> Ω, können höhere Spannungen verwendet werden, maximal jedoch 1000 V! (100 V < U M 1000 V), Elektrodenkonstruktion siehe DIN Abb. 10 Seite 7 von 12

8 Verwendung von abgeschirmten Messleitungen siehe Abb. 11 und 12. Der Erdanschluss am Widerstandsmessgerät kann auch als Guard-Anschluss verstanden werden. Abb.11, Volumenwiderstand Abb.12, Oberflächenwiderstand Prüfung nach Ähnlich DIN 54345, Elektrode entspricht DIN (siehe Abb. 10). Konditionierung : >24 Std. 23 C / 25%r.F. (aber keine Lagerung bei höherer Luftfeuchte!) Prüfklima : 23 C / 25%r.F. U M = 100 V (bei Werten < Ω kann U M < 100 V sein) t M = 15 Sekunden Prüfung nach, A.3 Im Anhang A.3 dieser Norm wird auf die DIN IEC verwiesen, die unter bereits genannt wurde Prüfung von Materialien jeder Art, inklusive Verpackungen ANSI/ESD STM Surface Resistance Measurement of (2001) Static Dissipative Planar Materials Elektrostatik ( ) Prüfverfahren zur Bestimmung des Widerstandes und des spezifischen Widerstandes von festen planen Werkstoffen, die zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen verwendet werden DIN IEC Prüfverfahren für Elektroisolierstoffe ( ) Spezifischer Durchgangswiderstand und spezifischer Oberflächenwiderstand von festen, elektrisch isolierenden Werkstoffen ANSI/ESD S4.1 Worksurfaces (1997) Resistance Measurement ESD ADV 53.1 ESD Protective Workstations (1995) Advisory document Elektrostatik - Schutz von elektronischen Bauelementen gegen ( ) elektrostatische Phänomene Seite 8 von 12

9 Prüfung nach ANSI/ESD STM Konditionierung : 48 Std. < 23 C / 12%r.F. < 72 Std. Prüfklima : 23 C / 12%r.F. 1. U M = 10 V, wenn Ergebnisse dabei > Ω 2. U M = 100 V t M = 5 Sekunden Abb Prüfung nach Elektrode zur Messung von Oberflächenwiderständen siehe Abb. 14. Elektrode zur Messung von Erdableit- und Punkt-zu-Punkt-widerständen siehe Abb. 5. Konditionierung + Prüfklima : abhängig von Material und Anwendung 1. U M = 10 V, wenn dabei Werte von > Ω erzielt werden 100V Messspannung wählen 2. U M = 100 V t M = Zeit bis zum stabilen Messwert U M = 500 V nur bei Werten von > Ω Als Kontaktmaterial ist nur Leitgummi zugelassen. Die Lektüre dieser Norm wird sehr empfohlen! Seite 9 von 12

10 Prüfung nach DIN IEC Konditionierung + Prüfklima ist abhängig von Material und Anwendung U M = 100 V (empfohlen) t M = 1, 10 oder 100 Minute(n) auf der Probe zugelassene Kontaktmaterialien: Leitsilber oder kolloidaler (fein verteilt) Graphit Sprühmetall Aufgedampftes Metall Flüssige Elektroden Leitgummi Metallfolie Abb.17 Zur Prüfung von festen Elektroisolierstoffen geeignet, nicht geeignet zur Beurteilung von ESD- Schutzmaterialien Prüfung nach ANSI/ESD S4.1 Elektrode und Messvorschrift entspricht weitgehend: IEC und ANSI/ESD S7.1 (siehe Abb. 5 und 14) m = 2,27 kg Ø = 63,5 mm Konditionierung Low Humidity : 48 / 72 Std. 23 C / 12%r.F. Konditionierung Moderate Humidity : 48 / 72 Std. 23 C / 50%r.F. 1. U M = 10 V, ist der Wert > Ω, dann 2. U M = 100 V t M = 15 Sekunden Prüfung nach ESD ADV 53.1 (ADV = Advisory) Elektrode entspricht: IEC , ANSI/ESD S4.1 und ANSI/ESD S7.1 (siehe Abb. 5 und 14) m = 2,27 kg Ø = 63,5 mm U M = 100 V t M = 15 Sekunden Seite 10 von 12

11 Normen zur Prüfung von Materialien (Surface Resistance): Elektrostatik - Schutz von elektronischen Bauelementen gegen ( ) elektrostatische Phänomene Teil 5-1: Allgemeine Anforderungen Diese Norm bezieht sich auf die , siehe (es ist immer die aktuelle Fassung gemeint). 3. Zusammenfassende Empfehlung Nach dieser Auflistung und damit Gegenüberstellung der zur Zeit gültigen und anwendbaren Normen zur Beurteilung von ESDS-Schutzmaterialien, den Hinweisen auf die Besonderheiten wie Maße, Gewicht, Kontaktmaterial, Messspannung und zeit sowie den Einsatzfall, drängen sich einige Normen auf, die den Beurteilungsfall am besten treffen, nämlich die Beantwortung der Frage ist das Material geeignet oder nicht geeignet für den Einsatz in einer Elektronikschutzzone bei der Verarbeitung von ESDS. 4. Literatur /1/ B. Ehrmaier, H. Schmeer Beeinflussende Parameter bei der Messung hochohmiger Materialien am Beispiel zwischengelegten Leitmaterials 4. ESD-Forum 1995 /2/ R. Gärtner, H. Schmeer Kritische Punkte bei der Messung des Erdableitwiderstands von installierten ESD-Schutzeinrichtungen 4. ESD-Forum 1995 /3/ K.H. Helling, H. Schmeer Zur Widerstandsmessung an hochohmigen Materialien und Objekten 5. ESD-Forum 1997 /4/ R. Pfeifle Untersuchung der ESD-Tauglichkeit von leitfähigen Industrieböden in ESD-Schutzzonen 6. ESD-Forum 1999 (Tabelle 1: nächste Seite) Seite 11 von 12

12 Empfohlene Messmethode nach DIN (wenn nicht anders angegeben) Messaufgabe Arbeitsoberflächen Stühle (Werkbänke, Tische, Regale, Transportwagen, etc.) allgemein gültig Fußböden Fußboden + Schuhe, (Kombination) Schuhe, Handgelenkerdungsbänder, Handschuhe, Fingerlinge, Werkzeuge Verpackungen Textilien Verschiedenes: (Transportkisten, Klarsichtscheiben, Klarsichthüllen, Folien, etc.) Oberflächenwiderstand Punkt-zu-Punkt- Widerstand Durchgangswiderstand ESD STM *) ANSI/ESD S *) Erd-Ableitwiderstand (oder zum Erdungspunkt) ANSI/ESD S *) *) *) wenn vorgeschrieben oder erforderlich Tabelle 1 Messung von elektrischen Widerständen zur Beurteilung von ESDS-Schutzmaterialien ein Normenvergleich, Karl H. Helling, Seite 12 von 12