Untersuchung der elektrostatischen Eigenschaften von Tiefziehformteilen produziert aus verschiedenen Polystyrolmaterialien

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1 Untersuchung der elektrostatischen Eigenschaften von Tiefziehformteilen produziert aus Rainer Pfeifle, Meir Golane Wolfgang Warmbier, Systeme gegen Elektrostatik, Untere Giesswiesen, 7847 Hilzingen Phone : Fax: Rainer.Pfeifle@warmbier.com Abstract Weltweit werden in der Elektronikindustrie leitfähige oder ableitfähige Tiefziehformteile für den Transport und die Lagerung von ESDS (Electrostatic Sensitive Devices) verwendet. Es gilt diese ESDS vor elektrostatischen Entladungen zu schützen und sicherzustellen, dass diese ESDS keinen elektrostatischen Feldern > 00 V/cm ausgesetzt werden. Aufgeladene ESDS in Berührung mit einer Materialoberfläche sollen definiert zu einem Erdungspunkt entladen werden können. Durch die Messung vieler verschiedener Tiefziehformteile im Rahmen von ESD-Audits wurde festgestellt, dass eine große Anzahl der verwendeten Tiefziehformteile den gewünschten Anforderungen nicht entsprechen, wenn Messungen in den Kavitäten durchgeführt werden. Dieser Bericht zeigt die Messergebnisse von einem Tiefziehformteil, welches aus vier verschiedenen Polystyrol-Materialien für eine Produktqualifizierung hergestellt wurde. Vacuum formed trays are widely used in electronic production for handling and storage of ESD sensitive electronic circuits. These circuits are sensitive to electrostatic discharges and to electrostatic fields exceeding 00 V/cm. ESDS in contact with surfaces shall dissipate their charge in a defined time to ground potential. While checking vacuum formed trays during ESD audits in many different locations, we have realized that a significant quantity of the trays, when tested inside the cavities, do not comply with the norm recommendations regarding the safe handling of ESDS. This report shows test results of a vacuum formed tray that had been produced out of four different Polystyrene materials for a product qualification. Einleitung In der Regel werden für leitfähige oder ableitfähige Tiefziehformteile Materialien aus Polystyrol (PS) oder Polypropylen (PP) verwendet. Das bis heute am häufigsten verwendete Material ist Polystyrol mit Karbon (Ruß) als leitfähiges Additiv. Neuerdings sind weitere Polystyrolmaterialien mit sogenannten ICP-Additiven (ICP - Inherently Conductive Polymers) bzw. IDP-Additiven (IDP-Inherently Dissipative Polymers) als alternative Materialien zum karbongefüllten PS-Material erhältlich. Eine kunststoffverarbeitende Firma hatte für eine Produktfreigabe seitens Ihres Kunden ein Tiefziehformteil aus vier verschiedenen Materialien produziert. Die Firma Warmbier wurde konsultiert, um die ESD-relevanten Messungen an Stichprobenmustern durchzuführen und diese zu bewerten. Das Tiefziehformteil sollte zukünftig für die Lagerung und den Transport innerhalb einer ESD- Schutzzone (EPA), für eine batteriegepufferte Leiterplatte verwendet werden. Seite von 6

2 Anforderungen an das Tiefziehformteil aus PS-Material Da dieses Tiefziehformteil innerhalb einer ESD-Schutzzone für den Transport und die Lagerung von ESDS benutzt wird, gelten nach DIN EN // folgende Anforderungen für den Oberflächenwiderstand R S : Innerhalb einer ESD-Schutzzone (EPA) Direkt anliegende Verpackung Umhüllende Verpackung ESDS Entweder gering aufladbar und elektrostatisch leitfähig ( x 0 R S < x 0 5 Ω) oder Gering aufladbar und elektrostatisch ableitend (ableitfähig) (x 0 5 R S < x 0 Ω) Für batteriegepufferte ESDS: Gering aufladbar und Schirmwirkung gegen elektrostatische Entladung oder Gering aufladbar und elektrostatisch leitfähig oder elektrostatisch ableitend (ableitfähig) Nur gering aufladbar und elektrostatisch ableitend (ableitfähig) (x 0 8 < R S < 0 Ω) Nicht Verpackung geeignet für ESDS oder gering aufladbar ESDS Bei Verwendung von Materialien mit einem Oberflächenwiderstand > 0 9 Ω sollte das Material zusätzlich durch eine Prüfung der elektrostatischen Entladezeit geprüft werden. Anforderung: Entladezeit einer Aufladung (max..000 Volt) auf 0% der Anfangsspannung in weniger als Sekunden. Es ist erlaubt, sofern vom ESD Koordinator freigegeben, Materialien mit einem Oberflächenwiderstand (außen) < 0 4 Ω zu verwenden. Tabelle 0 Anforderung an ESDS-Verpackung innerhalb einer ESD-Schutzzone In unserem Fall ist das Tiefziehformteil eine direkt anliegende Verpackung, d.h. die ESDS liegen in den Kavitäten und berühren die Materialoberfläche. Idealer Widerstandsbereich für direkt anliegende Verpackung Bild 0 Idealer Oberflächenwiderstand - Walther/SIEMENS AG // Der ideale Widerstandsbereich für Oberflächen, welche in direktem Kontakt mit ESDS treten können, liegt im Bereich R S = Ω. Seite von 6

3 Materialien mit einem Oberflächenwiderstand kleiner 0 4 Ω stellen eine Gefahr der harten Entladung dar, wenn diese mit elektrostatisch aufgeladenen ESDS in Berührung kommen. Materialien mit einem Oberflächenwiderstand größer 0 9 Ω müssen durch eine Prüfung der elektrostatischen Entladezeit geprüft werden (Tabelle 0).. Untersuchte Polystyrol-Materialien Polystyrol-Folien Oberflächenwiderstand R S Schichten Leitfähiges Additiv (Dicke mm) (Herstellerangaben) PS Karbon - leitfähig (Schwarz) 0 bis 0 4 Ω Mono-Layer Karbon PS Karbon - ableitfähig (Schwarz) 0 5 bis 0 7 Ω Mono-Layer Karbon ICP-PS - ableitfähig (Grün) 0 5 bis 0 7 Ω Multi-Layer Polyaniline IDP-PS - ableitfähig (Natur/weiß) 0 9 bis 0 0 Ω Multi-Layer IDP-Additiv Tabelle 0 Von allen vier Materialien lagen Chargenmuster der Polystyrolfolien (Rollenware) mit einer Materialdicke von mm vor. Es wurden daraus jeweils mit einer Tiefziehform die vier verschiedenen Polystyrolmaterialien zu Formteilen tiefgezogen. Pro PS-Material lagen 0 Musterformteile für die messtechnische Untersuchung vor. A B C D A PS Karbon / leitfähig B PS Karbon / ableitfähig C IDP-PS / ableitfähig D ICP-PS / ableitfähig Bild 0 Tiefziehformteil aus vier Seite von 6

4 . Messungen a) Messung des Punkt-zu-Punkt-Widerstandes R P nach DIN EN an planen Folienmustern (Chargenmuster der verwendeten Rollen) b) Messung Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P mit Zweipunktelektrode nach ANSI/ESD STM. in den Kavitäten und an der Oberseite des Tiefziehformteiles nach dem Tiefziehprozess c) Messung Ableitwiderstand zu einer Metallplatte R G mit Zweipunktelektrode nach ANSI/ESD STM. in den Kavitäten und an der Oberseite des Tiefziehformteiles nach dem Tiefziehprozess d) Messung der Aufladbarkeit mit einem hochauflösenden Voltmeter nach Reiben mit einer elektrostatisch isolierenden PE-Folie in den Kavitäten Verwendete Messgeräte: Messgerät Tera-Ohmmeter TO-0 Hochohmmeter METRISO000 Messelektroden nach DIN EN Zweipunktelektrode nach ANSI/ESD STM. Hochauflösendes Voltmeter Typ TREK 54--CE Tabelle 0 Detailinformation Messbereich 90 kω bis TΩ (Messspannung 00 Volt) Messbereich kω bis MΩ (Messspannung 0 Volt) Messbereich 00 kω bis TΩ (Messspannung 00 Volt) Gewicht,7 kg mit leitfähigem Gummi (Shorehärte 65 Shore A) Durchmesser 6,5 mm Gefederte Zweipunktelektrode mit leitfähigem Gummi (Shorehärte 55 Shore A) Elektrodenabstand 6,4 mm Messbereich 0 bis Volt Non-contacting voltage measurement with field chopper probe Konditionierung: Nach den Messungen bei Umgebungsbedingungen wurden die Prüfmuster jeweils > 48 Stunden in einer Klimakammer bei einer relativen Luftfeuchte von % +- % und einer Temperatur C +- C konditioniert und danach in der Klimakammer nochmals geprüft. Bild 0 Klimakammer Bild 4 - Tera-Ohmmeter TO-0 Seite 4 von 6

5 a) Punkt-zu-Punkt-Widerstand nach DIN EN an Folienmustern (Chargenmustern) Bild 06 Messelektrode nach DIN EN Bild 05 Messung Punkt-zu-Punkt-Widerstand Messung bei einer relativen Luftfeuchte von 4,5% Prüfmuster PS-Karbon Leitfähig Seite Seite PS-Karbon Seite Seite ICP-PS Seite Seite IDP-PS Seite Seite,8 kω,5 kω 60 kω 580 kω,5 MΩ,4 MΩ,6 GΩ,8 GΩ, kω, kω, MΩ 780 kω,4 MΩ,8 MΩ,8 GΩ, GΩ,7 kω,9 kω 480 kω 60 kω, MΩ, MΩ, GΩ,5 GΩ 4,5 kω,8 kω 80 kω 6,8 MΩ 4, MΩ 5, MΩ, GΩ,9 GΩ 5, kω,8 kω 4, MΩ 8,5 MΩ, MΩ,6 MΩ,6 GΩ, GΩ Tabelle 04 Messung bei einer relativen Luftfeuchte von,5% Messpunkt PS-Karbon Leitfähig Seite Seite PS-Karbon Seite Seite ICP-PS Seite Seite IDP-PS Seite Seite 7, kω 7, kω 70 kω 670 kω,4 MΩ, MΩ 4,6 GΩ 4,8 GΩ 7,8 kω 8, kω, MΩ,5 MΩ 6, MΩ 6,5 MΩ,7 GΩ 5,8 GΩ 6,8 kω 5,9 kω 660 kω 850 kω 4,8 MΩ 4,9 MΩ 5,4 GΩ 6, GΩ 4 8,5 kω 7,6 kω,8 MΩ,5 MΩ 6,9 MΩ 6,8 MΩ 4, GΩ, GΩ 5 6, kω 6,9 kω 7, MΩ 5, MΩ 4, MΩ 6, MΩ 5,4 GΩ 5, GΩ Tabelle 05 Bewertung der Messergebnisse: PS-Karbon (leitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P im Bereich 0 Ω (Messergebnis entspricht den Herstellerangaben) PS-Karbon (ableitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P im Bereich Ω (Messergebnis entspricht den Herstellerangaben) ICP-PS (ableitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P im Bereich 0 6 Ω (Messergebnis entspricht den Herstellerangaben) IDP-PS (ableitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P im Bereich 0 9 Ω (Messergebnis entspricht den Herstellerangaben) Seite 5 von 6

6 b) Punkt-zu-Punkt-Widerstand mit Zweipunktelektrode nach ANSI/ESD STM. in den Kavitäten und an der Oberseite des Tiefziehformteiles nach dem Tiefziehprozess Kavität Kavität Bild 07 - Zweipunktelektrode Kavität Bild 08 Messpunkte Bild 09 Messung in Kavität Messung bei einer relativen Luftfeuchte von 4,5% und,5% Messpunkt = tiefste Stelle in der Kavität (ca. 5 mm unterhalb der Oberseite) Messpunkt = weitere Stelle in der Kavität (ca. 8 mm unterhalb der Oberseite) Messpunkt = Oberseite Tiefziehformteil (flache, nicht tiefgezogene Stelle) Kavität Kavität Kavität Messpunkt Tabelle 06 R.H. PS Karbon (leitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P Muster Muster Muster Muster 4 Muster 5 79 kω 5 kω 0 kω 76 kω 80 kω 0 kω 9 kω 98 kω 0 kω 85 kω 05 kω 45 kω 69 kω 78 kω 89 kω 0 kω 5 kω 85 kω 08 kω kω 65 kω 89 kω 9 kω 5 kω 05 kω kω 48 kω 67 kω 85 kω 87 kω 0 kω 79 kω 89 kω 99 kω 8 kω 87 kω 08 kω 67 kω 7 kω 9 kω 66 kω 85 kω 98 kω 96 kω 8 kω 75 kω 8 kω 96 kω 98 kω 0 kω 8 kω 58 kω 79 kω 86 kω kω 78 kω 98 kω 75 kω 68 kω 08 kω 89 kω 8 kω 9 kω 8 kω 9 kω 08 kω 86 kω 05 kω 79 kω 08 kω 89 kω kω 59 kω 98 kω 45 kω 68 kω 69 kω 87 kω 94 kω 9 kω 05 kω Bewertung der Messergebnisse: Die Punkt-zu-Punkt-Widerstände R P sind sehr homogen im Widerstandsbereich Ω, d.h. auch nach dem Tiefziehprozess sind die Werte noch im leitfähigen Bereich. Seite 6 von 6

7 Kavität Kavität Kavität Messpunkt Tabelle 07 R.H. PS Karbon (ableitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P Muster Muster Muster Muster 4 Muster 5 7,5 GΩ 65 GΩ 4,5 GΩ 98 GΩ 05 kω 55 kω 780 MΩ 6,5 GΩ 460 MΩ 4, GΩ 0 kω 40 kω 8,9 GΩ 7 GΩ 6,5 GΩ 8 GΩ 5 kω 78 kω 50 GW, TW 640 GW 880 GW, MΩ 7,9 MΩ 4 GΩ 55 GΩ 6 GΩ 87 GΩ, MΩ,8 MΩ 0 GW 670 GW 85 GW 0 GW 65 kω 80 kω 5 GW 40 GW 0 GW 650 GW 5 kω 0 kω 5,8 GΩ 9,5 GΩ 4, GΩ 8,6 GΩ 55 kω 67 kω 80 GW 0 GW 40 GW 580 GW 45 kω 89 kω 40 GW 60 GW 560 GW 760 GW 0 kω,5 MΩ 6,5 GΩ GΩ 8,6 GΩ 8 GΩ 70 kω 460 kω 85 GΩ 88 GW 9 GΩ 6 GΩ 0 kω 870 kω 50 GW, TW 560 GW,8 TW 70 kω 90 kω 60 GW 670 GW 540 GW 890 GW 0 kω 70 kω 570 GW, TW 490 GW 80 GW,6 MΩ MΩ Bewertung der Messergebnisse: Die Punkt-zu-Punkt-Widerstände in den Kavitäten sind sehr hochohmig geworden und liegen im Bereich Ω. An den nicht tiefgezogenen Stellen (Oberseite des Tiefziehformteiles), liegen die Werte noch im Bereich Ω. Viele Kavitäten liegen nach dem Tiefziehprozess im elektrostatisch isolierenden Bereich > x 0 W (> 00 GW) Seite 7 von 6

8 Kavität Kavität Kavität Tabelle 08 R.H. ICP-PS Karbon (ableitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P Muster Muster Muster Muster 4 Muster 5 5,8 MΩ 9, MΩ,7 MΩ 6, MΩ 6,6 MΩ 0,8 MΩ 5,4 MΩ 8,8 MΩ 9, MΩ,8 MΩ 6, MΩ 7,8 MΩ,4 MΩ 5,8 MΩ 8,9 MΩ 0,5 MΩ 7,8 MΩ,8 MΩ 8,8 MΩ, MΩ 5,4 MΩ 6, MΩ 6,7 MΩ 9, MΩ 6, MΩ 8,8 MΩ 4,5 MΩ 7,8 MΩ 7, MΩ 8,8 MΩ 6, MΩ 9, MΩ 4,8 MΩ 7,8 MΩ 5,9 MΩ 7, MΩ 5, MΩ 6,8 MΩ 4,4 MΩ 6, MΩ 5,9 MΩ 8,8 MΩ 7, MΩ 9,7 MΩ 7, MΩ 0, MΩ 7,8 MΩ 5, MΩ 6,9 MΩ 9,8 MΩ 5,7 MΩ 8,8 MΩ 5,5 MΩ 0,9 MΩ 4,8 MΩ 6,8 MΩ 6, MΩ 8,8 MΩ 4,9 MΩ 9,8 MΩ 7, MΩ 7,9 MΩ 8, MΩ 8,9 MΩ 6,5 MΩ 8, MΩ 4,9 MΩ 7,8 MΩ 5,7 MΩ 9,8 MΩ 5,4 MΩ 8,5 MΩ 7, MΩ,6 MΩ 6,8 MΩ 9,8 MΩ 7, MΩ 0, MΩ 7, MΩ 8,9 MΩ 4,6 MΩ 6,8 MΩ 5,8 MΩ 8,8 MΩ 6,9 MΩ 9,8 MΩ 6,7 MΩ 9,8 MΩ 5, MΩ 7, MΩ Bewertung der Messergebnisse: Die Punkt-zu-Punkt-Widerstände R P sind sehr homogen im Widerstandsbereich Ω, d.h. auch nach dem Tiefziehprozess sind die Werte noch im idealen ableitfähigen Bereich. Kavität Kavität Kavität Messpunkt Messpunkt Tabelle 09 R.H. IDP-PS Karbon (ableitfähig) Punkt-zu-Punkt-Widerstand R P Muster Muster Muster Muster 4 Muster 5 6, GΩ 0, GΩ 7,4 GΩ, GΩ 6,9 GΩ 0,8 GΩ 6,6 GΩ 9,9 GΩ 7, GΩ 8,9 GΩ 7, GΩ 0, GΩ 7,6 GΩ 9,8 GΩ 8, GΩ, GΩ 6,9 GΩ,4 GΩ 4,9 GΩ 8,8 GΩ 6, GΩ 0, GΩ 5,8 GΩ 9, GΩ 7,8 GΩ, GΩ 8, GΩ,8 GΩ 8,5 GΩ 5, GΩ 8,5 GΩ,9 GΩ 7, GΩ 0, GΩ 7,8 GΩ,4 GΩ 7,4 GΩ 9,8 GΩ 7,6 GΩ, GΩ 6,8 GΩ 0, GΩ 8,7 GΩ, GΩ 7,4 GΩ,4 GΩ 7,6 GΩ,5 GΩ 8, GΩ, GΩ 7,6 GΩ,8 GΩ 8, GΩ,7 GΩ 6, GΩ, GΩ 7, GΩ,5 GΩ 6,8 GΩ 9,8 GΩ 5,5 GΩ 7,8 GΩ 7, GΩ 8,9 GΩ 6,7 GΩ 0,8 GΩ 6,9 GΩ 4,5 GΩ 7,5 GΩ,4 GΩ 5,8 GΩ 7,8 GΩ 5,9 GΩ 8,9 GΩ 7, GΩ 9,8 GΩ 7, GΩ 0,5 GΩ 6,6 GΩ, GΩ 6,8 GΩ 9,8 GΩ 6,9 GΩ 0,5 GΩ 7, GΩ, GΩ 7,8 GΩ,7 GΩ 6, GΩ 9, GΩ Bewertung der Messergebnisse: Die Punkt-zu-Punkt-Widerstände R P sind sehr homogen im Widerstandsbereich Ω, d.h. auch nach dem Tiefziehprozess sind die Werte noch im ableitfähigen Bereich Seite 8 von 6

9 c) Messung Ableitwiderstand in den Kavitäten und an der Oberseite des Tiefziehformteiles zu einer Metallplatte Für diese Messung wurde ein Tiefziehformteil (jeweils Muster 05) auf eine Metallplatte gelegt. Der Ableitwiderstand R G wurde mit einer Messelektrode der Zweipunktelektrode zu dieser Metallplatte gemessen. Kavität Kavität Kavität Messpunkt Tabelle 0 Ableitwiderstand R G (gegen Metallplatte) eine Elektrode der Zweipunktelektrode als aktive Messelektrode Muster 05 R.H. PS-Material Karbon Leitfähig 90 kω 0 kω 0 kω 90 kω 80 kω 90 kω 40 kω 90 kω 0 kω 80 kω 90 kω 0 kω 70 kω 90 kω 60 kω 70 kω 60 kω 05 kω PS-Material Karbon, TW,8 TW, TW,5 TW 460 GW 670 GW, TW, TW, TW, TW 60 GW 40 GW,5 TW,7 TW,9 TW,5 TW 60 TW 80 GW ICP-PS, GΩ 4,8 GΩ 4, GΩ 6,7 GΩ 5,4 GΩ 6, GΩ 6, GΩ 8,9 GΩ,9 GΩ,9 GΩ,9 GΩ 5,6 GΩ 6, GΩ 8,9 GΩ 5,8 GΩ 9, GΩ 4,7 GΩ 6,8 GΩ IDP-PS 8,5 GΩ 0, GΩ 8,8 GΩ 9,5 GΩ 9,6 GΩ, GΩ 9,8 GΩ, GΩ, GΩ 4,5 GΩ, GΩ,8 GΩ,8 GΩ 6, GΩ 8,8 GΩ 0,9 GΩ 9,7 GΩ,8 GΩ Bewertung der Messergebnisse: PS-Karbon (leitfähig) Ableitwiderstände R G im Bereich 0 5 Ω (leitfähiger Bereich) PS-Karbon (ableitfähig) Ableitwiderstände R G im elektrostatisch isolierenden Bereich > 0 W (> 00 GW)! ICP-PS (ableitfähig) Ableitwiderstände R G im Bereich 0 9 Ω (ableitfähiger Bereich) IDP-PS (ableitfähig) Ableitwiderstände R G im Bereich 0 0 Ω (ableitfähiger Bereich) Seite 9 von 6

10 d) Messung Aufladbarkeit mit Voltmeter (interner Test keine Messung nach einem Standard) Hochauflösender Messkopf Bild 0 TREK Voltmeter 54--CE Bild Messung in den Kavitäten In den Kavitäten der verschiedenen Tiefziehformteilen (jeweils Muster 05) wurde mit einer elektrostatisch isolierenden PE-Folie (Oberflächenwiderstand R S > TΩ) versucht eine triboelektrische Aufladung zu erzeugen. Die Messung der Aufladbarkeit erfolgte mit einem elektrostatischen Voltmeter (Bild 0). Es wurde mit einem hochauflösenden Messkopf direkt in der Kavität die Aufladung in Volt gemessen (Bild ). Das Tiefziehformteil lag auf einer geerdeten Metallplatte und die Person war bei der Messung über eine Handgelenkbanderdung geerdet. Punkt-zu-Punkt-Widerstand in der Kavität R P 00 GΩ (R P x 0 Ω) Grafik 0 Messung in Kavitäten PS Karbon (ableitfähig) bei R.H.: 4,5% Das Tiefziehformteil Karbon / ableitfähig war auf >.50 Volt aufladbar. Es fand nach der Aufladung keine akzeptable Entladung zur geerdeten Metallplatte statt. Seite 0 von 6

11 Punkt-zu-Punkt-Widerstand in der Kavität R P 00 GΩ (R P x 0 Ω) Grafik 0 Messung in den Kavitäten PS Karbon (ableitfähig) bei R.H.: % Das Tiefziehformteil Karbon / ableitfähig war auf >.700 Volt aufladbar. Es fand nach der Aufladung keine akzeptable Entladung zur geerdeten Metallplatte statt. Grafik 0 Karbon leitfähig / R.H: % Grafik 04 ICP ableitfähig / RH: % Aufladungen: PS Karbon leitfähig U < 0 Volt ICP-PS ableitfähig IDP-PS ableitfähig U < 0 Volt U < 0 Volt Grafik 05 IDP ableitfähig / RH.: % Seite von 6

12 4. Zusammenfassung der Ergebnisse Material PS Karbon (leitfähig) Punkt-zu-Punkt- Widerstand R P an Folienmustern vor dem Tiefziehen RH: / RH: % 0 Ω Herstellerangaben erfüllt Punkt-zu-Punkt- Widerstand R P mit Zweipunkt-Elektrode in den Kavitäten des Tiefziehformteils RH: / RH: % Ω Ableitwiderstand R G zu einer Metallplatte mit Zweipunkt- Elektrode in den Kavitäten des Tiefziehformteils RH: / RH: % 0 5 Ω Aufladbarkeit Messung Aufladung in Kavität RH: / RH % Aufladung U < 0 Volt PS Karbon (ableitfähig) ICP-PS (ableitfähig) IDP-PS (ableitfähig) Tabelle RH: / RH: % Ω Herstellerangaben erfüllt RH: / RH: % 0 6 Ω Herstellerangaben erfüllt RH: / RH: % 0 9 Ω Herstellerangaben erfüllt RH: / RH: % W (Werte an der Oberseite des Tiefziehformteiles im Bereich Ω) RH: / RH: % Ω RH: / RH: % Ω RH: / RH: % 0 0 W RH: / RH: % 0 9 Ω RH: / RH: % Ω RH : Aufladung U >.00 Volt RH: % Aufladung U >.700 Volt Hinweis: Kavitäten mit R P > 00 GΩ RH: / RH % Aufladung U < 0 Volt RH: / RH % Aufladung U < 0 Volt PS Karbon (leitfähig) tauglich Der Oberflächenwiderstand (Punkt-zu-Punkt-Widerstand) und der Ableitwiderstand liegen im leitfähigen Bereich. Das geerdete Tiefziehformteil war durch die Reibung in den Kavitäten mit einem isolierenden PE- Beutel nicht aufladbar. Jedoch nicht geeignet für batteriegepufferte Leiterplatten. PS Karbon (ableitfähig) nicht tauglich! Der Oberflächenwiderstand (Punkt-zu-Punkt-Widerstand) und der Ableitwiderstand liegen im Bereich leitfähig bis hin zu elektrostatisch isolierend. Das geerdete Tiefziehformteil war durch die Reibung in den Kavitäten sehr hoch aufladbar. Die Aufladung konnte sich aufgrund des schlechten Ableitwiderstandes kaum abbauen. ICP-PS (ableitfähig) tauglich Der Oberflächenwiderstand (Punkt-zu-Punkt-Widerstand) und der Ableitwiderstand liegen im ableitfähigen Bereich. Der Oberflächenwiderstand liegt im idealen Bereich 0 6 bis 0 8 Ω. Der Ableitwiderstand liegt durch den Aufbau als Multi-Layer nicht im Bereich 0 6 bis 0 8 Ω, sondern im Bereich 0 9 bis 0 0 Ω. Das geerdete Tiefziehformteil war durch die Reibung in den Kavitäten mit einem isolierenden PE- Beutel nicht aufladbar. Jedoch nicht geeignet für batteriegepufferte Leiterplatten. IDP-PS (ableitfähig) tauglich Der Oberflächenwiderstand (Punkt-zu-Punkt-Widerstand) und der Ableitwiderstand liegen im ableitfähigen Bereich. Das geerdete Tiefziehformteil war durch die Reibung in den Kavitäten mit einem isolierenden PE- Beutel nicht aufladbar. Für batteriegepufferte Leiterplatten geeignet. Seite von 6

13 5. Problematik karbongefüllter PS-Materialien im Vergleich zu ICP/IDP-Materialien Karbongefüllte Materialien Karbongefüllte PS-Materialien funktionieren aufgrund des Perkolationseffektes, d.h. die verwendeten geperlten Rußpigmente (Bild ) müssen sich berühren, um eine elektrostatische Leitfähigkeit zu erreichen. Die Funktion der Rußkonzentration zur Leitfähigkeit ist nicht linear, sondern verläuft im Bereich einer Karbonkonzentration von 0% bis ca. 0% sehr steil (Bild ) bis der Sättigungsbereich erreicht ist. Bild Bild - Geperlte Rußpigmente Bei dem Polystyrolmaterial mit Karbonanteil (Typ ableitfähig) kommt es nach dem Tiefziehprozess in den Kavitäten zu dem Problem das elektrostatisch isolierende Inseln entstehen. Ursache dafür ist die Zerstörung des Perkolationsnetzwerkes durch den Tiefziehvorgang an den Polystyrolfolien, d.h. die Rußpigmente berühren sich nicht mehr und es entstehen isolierende Bereiche, überwiegend in den tiefgezogenen Bereichen der Kavitäten. Diese Problematik wird in der Praxis oft nicht erkannt, da in der Regel keine Messungen des Punktzu-Punkt-Widerstandes in den Kavitäten durchgeführt werden. Die Messung der Aufladbarkeit in den Kavitäten mit einem konventionellen Elektrofeldmeter (z.b. Feldmühlen-prinzip mit Flügelrad mit einem Durchmesser von oder cm) ist ebenfalls kritisch, da die Messung in der Kavität so nicht möglich ist. Die Messung von Tiefziehformteilen wird bis dato in der Praxis meist nur an den zugänglichen Stellen der Oberseite der Tiefziehformteile mit entsprechenden Norm-Elektroden durchgeführt keine ausreichende Bewertung des Tiefziehformteiles möglich! Seite von 6

14 ICP/IDP-Materialien Die neueren ICP und IDP-Materialien haben gegenüber den karbongefüllten PS-Materialien den Vorteil, dass diese Materialien homogene leitfähige Netzwerkstrukturen bilden (Bild 4), d.h. das leitfähige bzw. ableitfähige Polymer bildet ein permanentes Netzwerk im Substrat aus. Durch einen Tiefziehprozess wird diese Netzwerkstruktur nicht beeinflusst, d.h. die homogene Leitfähigkeit bleibt auch nach einem Tiefziehprozess bestehen. Bild Bild 4 Die Funktion der ICP- bzw. IDP-Konzentration verläuft im Verhältnis zur Leitfähigkeit relativ linear (Bild / 5), d.h. die Leitfähigkeit kann sehr gut eingestellt werden. Die mit ICP-Additiv hergestellten PS-Folien lassen sich im Bereich 0 5 bis 0 9 Ω einstellen (Bild ), die mit IDP-Additiv im Bereich 0 9 bis 0 Ω (Bild 5). Bild 5 Seite 4 von 6

15 6. Weitere Eigenschaften Eigenschaft Karbon ICP IDP Luftfeuchtigkeitsunabhängige Ja Ja Ja keit Dauerhafte keit Ja Ja Ja Gefahr der harten Entladung aufgrund zu leitfähiger Stellen Farblos Ja Nein Nein Nein. Produkte sind schwarz durch Karbon. Nein. Produkte sind grün durch Polyaniline Thermisch stabil Ja Ja Ja Behalten die physikalischen Nein Ja Ja Eigenschaften der Host Matrix Ja. Freie Farbwahl für Produkte Freisetzung von Partikel Ja Nein Nein Reinraum-Kompatibilität Nein Nein Ja Tabelle Gefahr der harten Entladung Gilt für karbongefüllten PS-Materialien, wenn die Oberflächenwiderstände im Bereich < 0 4 Ω aufweisen. Beibehaltung der physikalischen Eigenschaften der Host Matrix Bei zunehmender Karbonkonzentration werden die mechanischen Eigenschaften der karbongefüllten PS-Materialien negativ beeinflusst. Bei den ICP/IDP-Materialien tritt hingegen keine negative Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften auf. Freisetzung von Partikeln Karbongefüllte PS-Materialien können durch Abrieb Rußpartikel (Karbon) freisetzen. Die Rußpartikel sind leitfähig und somit besteht eventuell die Gefahr von Kurzschlüssen auf der zu verpackenden Elektronik. Seite 5 von 6

16 7. Ausblick Karbongefüllte PS-Materialien werden z.t. in drei verschiedenen Ausführungen angeboten Elektrostatisch leitfähig - Oberflächenwiderstand x 0 Ω R S < x 0 4 Ω Elektrostatisch ableitfähig - Oberflächenwiderstand x 0 4 Ω R S < x 0 6 Ω Elektrostatisch ableitfähig - Oberflächenwiderstand x 0 5 Ω R S < x 0 7 Ω Die in diesem Bericht beschriebene Fallstudie zeigt, dass sich die Oberflächenwiderstände dieser Materialien in Abhängigkeit des Tiefziehprozesses (je nach Verstreckungsgrad) zu hochohmigeren Werten ändern können. Dieser Effekt war vor allem beim Typ PS-Karbon/ableitfähig ( x 0 5 Ω R S < x 0 7 Ω) sehr deutlich festzustellen. Ursache ist das Abreißen des Perkolationsnetzwerkes aus Rußpigmenten wenn die Tiefziehformteile beim Tiefziehprozess gestreckt werden. Die bisherigen Erfahrungen haben gezeigt, dass die ICP-PS und die IDP-PS-Materialien auch nach extremen Tiefziehvorgängen ihre sehr homogenen Oberflächenwiderstände (bzw. Punkt-zu-Punkt- Widerstände) durch Ihre Netzwerkstruktur beibehalten. Weitere positive Eigenschaften wie z.b., keine Gefahr harter Entladungen kein freisetzen von leitfähigen Partikeln keine negative Beeinflussung der mechanischen Eigenschaften sind weitere Argumente zukünftig diese ICP bzw. IDP-Materialien verstärkt einzusetzen. Die kunststoffverarbeitende Firma welche uns diese Tiefziehformteile für unsere Bewertung zur Verfügung gestellt hat, nutzt seit 004 die IDP-PS-Version, da eine batteriegepuffertes ESDS in dem Tiefziehformteil gelagert wird. Für die Qualifikation wie auch die periodische Überprüfung von leit- und ableitfähigen Tiefziehformteilen wird eine Messung des Punkt-zu-Punkt-Widerstandes R P, z.b. mit einer Zweipunktelektrode, empfohlen. Literatur // DIN EN (08-00) Elektrostatik Teil 5-: Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene - Allgemeine Anforderungen (IEC : 998) // ESD-Elektrostatische Entladungen H. Baumgärtner / R. Gärtner Oldenbourg Verlag // DIN EN (-000) Elektrostatik-Teil -: Prüfverfahren zur Bestimmung des Widerstandes und des spezifischen Widerstandes von festen planen Werkstoffen, die zur Vermeidung elektrostatischer Aufladung verwendet werden (IEC 640--: 000) /4/ ANSI ESD. ESD Association Standard Test Method fort he Protection of Electrostatic Discharge susceptible Items Two-Point Resistance Measurement Seite 6 von 6

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