ESD-Schutz. Voraussetzung für den erfolgreichen Aufbau zuverlässiger elektronischer Systeme

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1 ESD-Schutz Voraussetzung für den erfolgreichen Aufbau zuverlässiger elektronischer Systeme Hans-Joachim Günther, ESD-Consult&Service Dr.-Ing. Bernd Schildwach, Ing.-Büro QUAPRO , FED-Regionaltreffen Berlin

2 Der Physiker sagt: ESD-Schutz ist ganz einfach 1. Vermeidungen von Aufladungen, die mit ihrem Spannungswert ein Bauelement gefährden können. 2. Sicherung einer langsamen Entladung, so dass die dabei entstehende Stromstärke keine Schäden verursacht. Der Praktiker weiß: Das Radfahren ist auch ganz einfach: Treten, Treten und Lenken. Aber wie lange benötigt mancher dies zu beherrschen?

3 Triboelektrizität d 1 = 1nm d = 0,1m U 1 = 1 mv U 1 > 1 kv U = Q / C C = ε * A/d U = Q*d ε*a C = Kapazität; Q = Gesamtladung; U = Spannung ε = Dielektrizitätskonstante; A = Berührungsfläche; d = Abstand

4 Einflussfaktoren für Triboelektrizität Gesamtladung Material (Cohn sche Tabelle) U = Q*d ε*a AAbstandstand Berührungsfläche ( Klar -sichthüllen)) Weitere Faktoren: o Reibung (Triboelektrizität= Reibungselektrizität ) o Anpressdruck o Trenngeschwindigkeit

5 Cohn sche Tabelle Aufladung + positiv - negativ Luft Menschlicher Körper Glas Menschliches Haar Nylon Wolle Seide Aluminium Papier Baumwolle Eisen Holz Hartgummi Nickel Kupfer Messing Silber Gold Platin Kunstseide Polysteren Polyester Silizium Mensch und Umfeld

6 Influenz Polarisation eines elektrisch leitfähigen Körpers, der sich isoliert in einem elektrostatischen Feld befindet nach Verlassen des elektrostatischen Feldes gleichen sich die Ladungen wieder aus

7 Risiko durch Influenz bei kurzzeitiger Erdung wird die positive Ladung durch den Erdkontakt ausgeglichen nach Verlassen des elektrostatischen Feldes überwiegen die negativen Ladungsträger

8 Einfluss der Luftfeuchte A: Laufen auf einer Gummimatte B: Aufnehmen eines Plastikbeutels von der Werkbank C: Laufen auf einem Vinyl-Boden über eine Entfernung von 6m D: Aufstehen von einem Stuhl

9 Relative Luftfeuchte Rel. Luftfeuchte innen RH2 [%] (Innentemperatur: 22 C) Molliérdiagramm Rel. Luftfeuchte außen RH1 [%] 20 C 10 C 0 C -10 C

10 Das Risiko Energieempfindlichkeiten mj 10 1 Störungs-/Zerstörungsenergie in mj min/ max-schwelle 0,1 0,01 0,001 0,0001 CMOS schnelle Trs. low-power Trs. kl. Gleichr. Z-Dioden 0, (kv) im Menschen gespeicherte Energie ( W = 0,5 C*U 2, Kap. des Menschen ca. 200 pf )

11 Das Risiko ESD-Häufigkeiten und Risikobereiche (Entwicklungsumgebung) % kv 0-0,5kV 0,5-1,0 1,0-1,7 1,7-3,0 3,0-5,0 5,0-8,0 >8,0 MOSFET 90% Wahrnehmungsschwelle 10% Quelle: Baumgärtner/Gärtner ESD-Elektrostatische Entladungen JFET BIPOL. TRS. SCHOTTKY-TTL CMOS

12 Ziel: Erarbeitung eines ESD-Schutzprogramms Referenzen: - DIN EN : DIN EN , Beiblatt 1 (IEC/TR :2007) - ANSI/ESD S Durchsetzung wirksamer Maßnahmen für den durchgängigen ESD-Schutz

13 Referenzen DIN EN :2003, Elektrostatik, Messverfahren Fähigkeit von Materialien und Erzeugnissen, elektrostatische Ladungen abzuleiten DIN EN : 2000, Elektrostatik, Prüfverfahren zur Bestimmung des Widerstandes und des spezifischen Widerstandes von festen planen Werkstoffen, die zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen verwendet werden. DIN EN :2003 Elektrostatik, Verfahren zur Simulation elektrostatischer Entladungen Human Body Model (HBM) Bauelementeprüfung DIN EN :2003 Elektrostatik, Verfahren zur Simulation elektrostatischer Entladungen Machine Model (MM) - Bauelementeprüfung

14 Voraussetzungen ESD- Schutzprogramm- Plan Geltungsbereich Ziele Welche Geschäftsstellen? Welche Bereiche? Welche Prozesse? Welche Verantwortungsbereiche? Zum Beispiel: - Erarbeitung neuer Vorschläge zur Gestaltung des ESD-Schutzes oder - Realisierung und Durchsetzung der notwendigen Maßnahmen zum ESD-Schutz? ESD- Schutzprogramm

15 Von der Norm empfohlene Inhalte eines ESD- Schutzprogramm Planung der Anforderungen an: 1. Schulungsplan 2. Überprüfung der Einhaltung 3. Erdungs-/Anschlusssysteme 4. Personenerdung 5. Schutzzonenanforderungen 6. Verpackungssysteme 7. Kennzeichnungen

16 Das Risiko Aufladungen lassen sich in Arbeitsprozessen nicht vermeiden, jedoch schädigende Potenzialunterschiede, die zu ESD führen können. Es muss ein gelenkter Potenzialausgleich realisiert werden, der sichert, dass die Entladung nicht über gefährdete elektronische Bauelemente erfolgt und dabei die Geschwindigkeit der vorhandenen Arbeitsprozesse beachtet.

17 Das Risiko Schutzmaßnahmen, die wir heute treffen, können bereits morgen durch Technologieentwicklungen unwirksam sein. Entwicklung von Halbleiterstrukturen 1985: 1500nm 1990: 700nm 1998: 200nm 2000: 130nm 2002: 90nm 2005: 65nm 2007: 45nm 2008: 32nm 2010: 28nm 2012: 20nm

18 Projektlebenszyklus zum Aufbau und kontinuierlichen Verbesserung eines ESD-Schutzprogramms 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes 2. Phase: Analyse des SOLL-Zustandes 3. Phase: Konzeption einer nachhaltigen und angemessenen ESDgeschützten Handhabung von elektronischen Bauelementen 4. Phase: Beschaffung, Realisierung, Sicherung der ESD-Schutzmaßnahmen durch das QM-System 5. Phase: Schulung, Training, Motivation des Personals 6. Phase: kontinuierliche Verbesserungen, Analysen, Audits

19 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Analyse im geplanten Geltungsbereich Entwicklung, Design Material, elektr. Komponenten Beschaffung Fertigung Prüfung Lagerung, Vertrieb Schwachstellen, Fehlerquellen-Analyse, z.b.: Wo sind ESDS-gefährdende Prozesse vorhanden? Sind die Schutzmaßnahmen ausreichend?

20 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Analyse aller verwendeten elektronischen Bauelemente / Baugruppen Analyse der Kenntnisse des Personals Analyse der Technologien und Abläufe Analyse bereits vorhandener ESD-Schutzmaßnahmen und deren Wirksamkeit Analyse von bereits aufgetretenen Fehlern Analyse des notwendigen Publikumsverkehrs

21 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Welche elektronischen Bauelemente werden im Geltungsbereich gehandhabt? (beschafft/transportiert/verarbeitet/bestückt/gemessen/getestet/verpackt) Wo, an welchen Arbeitsplätzen erfolgt welche Handhabung? Welche ESD-empfindlichen Bauelemente (ESDS) werden bereits gehandhabt? Welche Spannungsempfindlichkeitsschwellen sind bei diesen Bauelementen (ESDS) zu beachten? Welche Ladespannungen sind bereits bei welchen Tätigkeiten bekannt?

22 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Human Body Model Klasse Spannungsbereich 0 < 250V 1A 250V bis < 500V 1B 500V bis < 1.000V 1C 1.000V bis < 2.000V V bis < 4.000V 3A 4.000V bis < 8.000V 3B > 8.000V Quelle: IEC :2002

23 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Human Body Model Klasse Spannungsbereich 0 < 250V 1A 250V bis < 500V 1B 500V bis < 1.000V 1C 1.000V bis < 2.000V V bis < 4.000V 3A 4.000V bis < 8.000V 3B > 8.000V Quelle: IEC :2002

24 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Charge Device Model Klasse Spannungsbereich C1 < 125V C2 125V bis < 250V C3 250V bis < 500V C4 500V bis < 1.000V C V bis < 1.500V C V bis < 2.000V C7 > 2.000V

25 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Machine Model Klasse M1 M2 M3 M4 Spannungsbereich < 100V 100V bis < 200V 200V bis < 400V > 400V Quelle: IEC :2002

26 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit ESD-Schutzklassen: 1C, M2, C4

27 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit Klasseneinteilung für ESD-Empfindlichkeiten Achtung: Es gibt unterschiedliche Klassenbenennungen!

28 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit und Klasseneinteilung nach ESDA Device type ESD withstand voltage sensitivity HBM Class MR heads, RF FETs V 0 Power MOSFETs, PIN diodes, laser diodes V 0 Pre VLSI V 1A Modern VSLI V 1C HCMOS V 1C CMOS B Series V 2 Linear MOS V 2 Small geometry older bipolar V 1B Small geometry modern bipolar V 2 Power bipolar V 3A Film resistor V 1C

29 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit, Klasseneinteilung nach ESA

30 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit und Klasseneinteilung nach ESA - Class 1: Sensitivity Range 0 to < Volts - Metal Oxid Semiconductor (MOS) devices, including C, D, N, P, V and other MOS technology without protective circuitry, or protective circuitry. Surface Acoustic Wave (SAW) devices. Operational Amplifiers (OP AMP) with unprotected MOS capacitors. Junction Field Effect Transistors (JFET s) Silicon Controlled Rectifiers (SCR s) with to <0,175 amperes at +100 C ambient temperature. Precision Voltage Regulator Microcircuits: Line or Load Voltage Regulation <0,5%. Microwave and Ultra-High Frequency Semiconductors and Microcircuits: Frequency >1,0 gigahertz. Thin Film resistors (Typ RN) with tolerance of <0,1%; power >0,05W. Thin Film resistors (Typ RN) with tolerance of >0,1%; power <0,05W. Large Scale integrated (LSI) Microcircuits, including microprocessors and memories without protective circuitry, or protective circuitry. (Note: LSI devices usually have 2 to 3 layers of circuitry with metallisation cross-overs and small geometry active elements.) Hybrids utilising Class 1 parts. Quelle: ESA/SCC Basic Specification No

31 2. Phase: Analyse des Sollzustandes Welche Prozesse müssen aus der IST-Analyse geändert werden? Welche Prozesse sind für eine Neueinführung geplant und welche Arbeitsgeschwindigkeiten haben die neuen Prozesse? Welche Ableitwiderstände müssen erreicht werden? Welche neuen Bauelemente werden für neue Produkte verwenden und welche ESD-Empfindlichkeiten weisen diese auf? Welche Lieferanten werden mit der Fertigung von Teilsystemen beauftragt? Welches Personal ist in ESD zu schützenden Prozessen eingesetzt?

32 3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes Handhabung von elektronischen Bauteilen in den Prozessen Der Schutzgrad richtet sich nach den Bauteilen und Prozessschritten Basis-ESD-Schutzprogramm könnte beinhalten: A. Geerdete Arbeitsoberfläche, B. Personal, geerdet mit einem Handgelenkerdungsband, C. ESD-Schutzverpackung, um ESDS von einem Prozess zum nächsten zu transportieren, Komplexes-ESD-Schutzprogramm könnte beinhalten: A. Geerdete Arbeitsoberfläche, B. Personal, geerdet über ein permanent überprüftes Handgelenkerdungsband, C. Personal, geerdet über ESD-Schuhwerk und leitfähiger Fußboden, D. Personal, das geerdet ESD-Kittel trägt, E. Ionisation an jedem Arbeitsplatz

33 3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes Anzustrebender Wertebereich

34 3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes Quelle: Karl H. Helling, Elektrostatik Institut Berlin

35 4. Phase: Realisierung Thesen: 1. Es gibt keinen allgemeinen ESD-Schutz. 2. Schutzmaßnahmen müssen in Abhängigkeit von den konkreten Erfordernissen im Unternehmen aufgebaut, aufrechterhalten und kontinuierlich verbessert werden. 3. Normen (z.b. DIN EN ) sind anwendbare Referenzen und müssen jedoch auf die Erfordernisse im Unternehmen angemessen angewendet werden. 4. Der ESD-Schutz muss ein Teil der geltenden Organisationsregeln werden. 5. Die Organisationsregeln zur Sicherung der Produktqualität sind Bestandteil des Qualitätsmanagementsystems.

36 4. Phase: Realisierung Integration des ESD-Schutzes in das Qualitätsmanagementsystem der Organisation Forderung der DIN EN :2008 Jedes Unternehmen entwickelt sein - eigenes, - unternehmensspezifisches und - mit dem betrieblichen QMS konformes ESD-Schutzprogramm.

37 4. Phase: Realisierung DIN EN ISO 9001:2008 Klärung der Verantwortlichkeiten durch die Oberste Leitung : - Einführung der Schutzvorkehrungen nach DIN EN , - Einsetzen des ESD-Schutzbeauftragten ESD-Schutzbeauftragter: - Verantwortlich für Schutz der ESDS und Umsetzung der DIN EN Erarbeitung des ESD-Schutzprogramms Der ESD-Schutzbeauftragter (Normenbezeichnung: ESD-Beauftragter oder ESD-Koordinator ) kann bei Erfordernis weitere Beauftragte einsetzen.

38 4. Phase: Realisierung DIN EN ISO 9001:2008 QM- Handbuch Angemessenheit der anzufertigenden QM-Darlegungen (Umfang, Darstellungstiefe, Art der Darstellung, Sprache, Formulierungen) Prozess- Beschreibungen ESD-Schutz- Programm AA 01 AA 02 AA 03

39 4. Phase: Realisierung Schaffung von Vertrauen durch eine Zertifizierung des QM-Systems: Zertifikat Nachweis und Bestätigung der Qualitätsfähigkeit von Lieferanten in Übereinstimmung mit einer Referenznorm durch eine unabhängige Stelle

40 5. Phase: Schulung, Training, Motivation des Personals Die Kenntnisse und Motivation des Personals sind die Grundlage für die Akzeptanz der festgelegten Handhabungs- und Prozessschritte. Die kompetente Mitwirkung des Personals ist eine Voraussetzung zur Aufrechterhaltung und kontinuierliche Verbesserung der ESD- Schutzfähigkeit unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit. Schulungsplan

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