Ist das ESD-Risiko beim Verarbeiten von ESDS mit U ESD-CDM < 125 V in automatisierten Fertigungslinien noch beherrschbar?

Transkript

1 Ist das ESD-Risiko beim Verarbeiten von ESDS mit U ESD-CDM < 125 V in automatisierten Fertigungslinien noch beherrschbar? Karl H. Helling GmbH, Rapsstr. 54, Berlin Zusammenfassung Die Beantwortung der im Titel gestellten Frage erfordert zwangsweise weitere Fragen. Z.B.: Ist U ESD-CDM der Empfindlichkeitswert, der zur Beurteilung einer Fertigungslinie überhaupt geeignet ist? Welche Teile einer Fertigungslinie bedürfen besonderer Aufmerksamkeit? Wann ist es notwendig, das Fehlermodell Charged Board Event (CBE) zu beachten? Dieser Beitrag versucht mit Hilfe der ESD- Grundlagen auf einige Fragen Antworten zu geben, die im Fertigungsalltag weiterhelfen; erschöpfend und für jeden Fall anwendbar kann er nicht sein. Da Fertigungslinien jedoch ohne Bestückungsautomaten nicht mehr denkbar sind, ergänzt die Musterprüfung dieser Maschinen diesen Beitrag. Abstract The answer to the headline challenge (Is the ESD risk still controllable processing ESDS with U ESD-CDM < 125 V in automated production lines?) raises mandatory further questions. E.g.: Is U ESD-CDM the sensitivity value which is suitable to the assessment of a production line at all? Which parts of a production line require special attention? When is it necessary the fault model Charged Board Event (CBE) to observe? This contribution tries to give answers on some questions using ESD basics which help in the production routine; it cannot be exhaustingly and applicable at any case. Since production lines, however, are no longer conceivable without automatic placement systems, the sample-assessment of these machines will amend this contribution. 1 Einleitung Bei der Produktion von elektronischen Flachbaugruppen zeichnen sich automatisierte Fertigungslinien und insbesondere moderne Bestückungsautomaten u.a. wegen der hohen Bestückungsleistung, Bestückungsqualität und Bestückungsgenauigkeit aus. Es ist selbstverständlich, dass nicht nur bei der Bestückung von ESDS die eingesetzten Automaten weitgehend elektrostatisch aufladungsfrei funktionieren müssen, darüber hinaus sind alle bekannten Eigenschaften und Maßnahmen zur Verhinderung von statischer Elektrizität notwendig, um ESD-Fehler zu vermeiden. Zu diesen Charakteristika gehören die elektrischen Eigenschaften jeder technischen Ausrüstung, die direkt oder indirekt bei der Verarbeitung von ESDS beteiligt ist. Diese elektrischen Eigenschaften sind elektrische Widerstände der am Prozess beteiligten Teile und Materialien gegen Erde (oder Maschinenmasse) und die Fähigkeit, elektrostatische Ladungen abzuleiten oder gar nicht erst entstehen zu lassen. Die Basisdaten, um eine nahezu elektrostatisch aufladungsfreie Schutzzone (EPA Electrostatic Discharge Protected Area) einzurichten und zu prüfen enthält die Normenreihe DIN EN ff. Die Grundbedingungen für eine EPA enthält die DIN EN [1]. Immer wieder wird bei der ESD-Untersuchung von Fertigungseinrichtungen auch die Frage nach der Personensicherheit gestellt. Da Personen- und Maschinensicherheitsnormen Gesetzeskraft haben, weise ich darauf hin, dass die Richtlinien des Europäischen Parlaments und des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften für Mitgliedstaaten für Persönliche Schutzausrüstungen (PSA) [5] und die Richtlinie für Sicherheitsund Gesundheitsanforderungen an Maschinen [6] für ESD-Untersuchungen nicht angewendet werden können; weil (a) die Elektrostatik- Normenreihe Personenschutz und Maschinensicherheit nicht beschreibt und (b) in beiden Richtlinien dieser Rechtsvorschriften nicht gelistet ist. Um die Richtlinien des Europäischen Parlaments und des Rates (Amtsblätter) mit dem Stand der Wissenschaft und Technik zu untermauern, enthalten sie stets eine Liste der Normen, die nach der Veröffentlichung der Richtlinien einzuhalten sind. Die in EU-Amtsblättern gelisteten Normen (Behörden-Formulierung) haben Gesetzeskraft.

2 2 Bedingungen in der EPA Abb. 1: Nur wenige Mitarbeiter/Innen arbeiten in einer Halle mit automatisierten Fertigungslinien. Fertigungen, die hauptsächlich Flachbaugruppen (FBG, PCB oder PWB) mit geringen Serien aber großen Stückzahlen produzieren, benötigen wegen der Automatisierung immer weniger Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter (MA). Nicht nur aber auch dadurch hat sich die ESD-Problematik von den Mitarbeitern auf die Prozessanlagen verschoben, denn die Mitarbeiter haben durch konsequente Schulung und Kontrolle gelernt, dass das Nichtbeachten von ESDS-Schutzmaßnahmen beträchtliche Schädigungen am Produkt hervorrufen kann (oft auch zur Abmahnung oder gar Kündigung führt). Zudem kann in den meisten Fabriken die EPA nur nach der Schuherdungsprüfung betreten werden. Abb. 2: Zutritt nur nach der Schuherdungsprüfung 3 ESDS und Datenblattangaben zur ESD-Empfindlichkeit Im Falle von plötzlich auftretenden ESD- Fehlern in einer seit längerem fehlerfrei laufenden automatisierten Fertigungslinie stellt sich meistens heraus, dass ein ESDS mit geringer ESD- Empfindlichkeit durch ein empfindlicheres ersetzt wurde, die Prozessanlage selbst aber unverändert blieb. Oder die Bauelemente sind immer noch die gleichen, aber die Fertigungslinie wurde gewartet oder repariert, oder ein ansonsten richtig installierter Ionisator fiel aus. Die Fehleranalyse, um den Fehlerort zu finden, ist in beiden Fällen nicht trivial. Unter Punkt 4 wird darauf näher eingegangen. Bevor jedoch Messgeräte für diese Arbeit vorbereitet werden, wird die ESD- Risikountersuchung immer damit beginnen, das Layout der Leiterplatte (LP) und die zu bestückenden ESDS zu studieren. Dabei stellt sich (fast immer) heraus, dass nur ein einziges IC mit einem ESD-Fehler festgestellt wurde. Und im Datenblatt dieses IC s findet man Angaben wie 50V MM, oder 250V HBM, oder 150V CDM, manchmal fehlen diese Angaben auch. Welche Bedeutung haben die beispielhaft genannten U ESD -Werte? Nähere Erläuterungen hierzu geben die Vortragstexte aus der 1. Sitzung dieses Forums. 3.1 Maschinenmodell (MM) und Human Body Modell (HBM) MM spricht den gleichen Fehlermechanismus bei niedrigeren Testspannungen an wie HBM. MM- Fehler können aber nur dort vorkommen, wo ein einzelnes ESDS zum Prüfen oder Programmieren kontaktiert wird (folglich nur, wenn nach dem Wareneingang eine Funktionsprüfung mit ESDS durchgeführt wird, danach haben wir es mit Baugruppen und nicht mehr mit Bauteilen zu tun). Die Gefahr, ESDS durch die Auswirkung von elektrostatisch aufgeladener Kleidung der MA zu zerstören, ist seit der Einführung von Elektronikschutzzonen zwar erheblich zurückgegangen, aber dadurch noch nicht beseitigt. Ebenso wichtig wie die korrekt eingerichtete EPA ist die Arbeitsweise der MA, die die Handhabungsregeln, die sie in jährlichen Schulungen wiederholt kennenlernen, einhalten müssen. MA laden ihre Kleidung und Schuhsohlen beim Arbeiten unvermeidbar elektrostatisch auf, es entsteht dabei ein Haut/Körperpotential durch das von der Ladung ausgehende elektrostatische Feld (Influenz) gegen Erde, wenn sie nicht unterbrechungsfrei geerdet sind. Ist eine Person, wie zuvor beschrieben aufgeladen und nicht ableitfähig geerdet, wird sie beim Berühren eines leitenden Gegenstandes durch einen Stromstoß (HBM- Entladung), der erst ab einem Potential von ca V zu spüren ist, entladen. ESDS sind jedoch schon weit unterhalb dieses Schwellenwertes zerstörbar, den zerstörerischen Entladungsvorgang könnten MA aber dann nicht bemerken, wenn sie den Pin eines ESDS berühren.

3 Damit MA nicht trotz korrekter Erdung ESDS gefährden oder gar zerstören - sie müssen diese Bauelemente schließlich mit einem Werkzeug (z.b. Pinzette) oder mit den Fingern berühren, muss auch die Umgebung des Arbeitsplatzes den EPA-Regeln entsprechend eingerichtet sein, [1]. Für ESDS mit einer Datenblattangabe U ESD-HBM 500V stellen die meisten dem Stand der Technik entsprechenden Fertigungslinien keine Gefahr dar. Charged Device Modell (CDM) und Field induced CDM (FCDM) Die größte Gefahr beim Verarbeiten von ESDS entsteht durch elektrostatische Aufladungen in der Arbeitsumgebung (FCDM), aber auch durch aufgeladene Bauelement-Gehäuse (CDM), dann und nur dann, wenn das durch die Aufladungen entstandene elektrostatische Feld direkt im Bauelement selbst und/oder in der Elektronik der zu bestückenden Flachbaugruppe inklusive der Kabel und Leitungen Ladungsverschiebungen verursacht. In der Prozessanlage (Roboterarme, Bestückungsautomaten) können elektrostatische Felder entstehen und Ladungsverschiebungen durch Influenz, wie schon zuvor beschrieben, in allen elektrisch leitenden Teilen der Elektronik verursachen. Je nach Vorzeichen des Feldes werden Elektronen von diesem angezogen oder weggedrückt und an das Feld gebunden, es entsteht dabei ein Potential gegen Erde. In den meisten Fällen wird diese Ladungsverschiebung ohne Folgen bleiben, es sei denn, dass (hauptsächlich vor anderen Mechanismen) die Ladungsverschiebung mit einem kurzen Stromstoß (möglicherweise >> 1 Ampère in Picosekunden) durch einen Kontakt mit Erde, einem metallischen Werkzeug oder einer Leiterbahn entladen wird und dabei der Entladungsstrom über einen empfindlichen Pin eines ESDS fließt. Bei dieser CDM-Entladung ist wesentlich weniger Energie im Entladungspuls als bei der HBM- Entladung, durch sie entsteht jedoch der oben beschriebene Strompuls mit einer sehr steilen Pulsanstiegsflanke. Durch diesen hohen Strompuls entsteht in der Schaltung im Entladungspfad an Isolationsstrecken (z.b. an Gateoxiden oder PN- Übergängen) ein hoher Spannungsabfall, der die Gate-Isolation durchschlagen, oder an PN- Übergängen die Sperrspannungsgrenze weit übersteigen kann, was meist zu lokalen Schmelzkratern führt. Abb. 3: CFY 254 (Gallium Arsenid FET), ESD vermutlich beim Abkneifen des Gateanschlusses. Aufgrund von beinahe unzähligen Randbedingungen und Zufällen, sind derartige Auf- und Entladungen nicht reproduzierbar und abschätzbar. In keinen anderen wie den oben beschriebenen Fällen ist es notwendiger, alle ESDS- Schutzmaßnahmen konsequent einzuhalten, um ESD-Fehler vermeiden zu können. Das White Paper 2 [2] vom Industry Council on ESD Target Levels enthält Hinweise zu den ESDS-Gefährdungsklassen: Tabelle 1: CDM classification level und Schutzmaßnahmen Tabelle 1 zeigt, bei welchen ESDS-Empfindlichkeiten Prozessanlagen elektrostatisch fehlerfrei funktionieren müssen. Doch der rot markierte Bereich in Tab. 1 zeigt nicht nur den Stand der Technik, sondern auch, dass in jedem Prozess-

4 schritt einer Flachbaugruppenfertigung Maßnahmen zu ergreifen sind, um elektrostatische Aufund Entladungen zu minimieren, bzw. zu vermeiden. Eine dieser Maßnahmen ist eine elektrostatisch einwandfreie Fertigungslinie, die die nicht vermeidbaren Aufladungen (Beispielsweise durch Kontakt und Trennung von Saugpipette und ESDS beim Pick and Place-Prozess) immer und unterbrechungsfrei gegen Erde ableitet. Da der Anwender einer automatisierten Fertigungslinie aber mit elektrostatisch aufladbaren Komponenten arbeiten muss (z.b. Leiterplatten aus FR4-Material und IC-Gehäuse), sind gegebenenfalls zusätzliche Maßnahmen zum Schutz von ESDS von Seiten des Anwenders notwendig. 3.2 Charged Board Event ESD (CBE) Ein allgemein gültiges Modell für aufgeladene Flachbaugruppen (Charged Board Model - CBM) zu entwickeln, um, wie bei den bekannten Modellen für einzelne Bauelemente (HBM, CDM, MM etc.), die ESD-Gefährdung und daraus abgeleitet die erforderlichen Schutzmaßnahmen schon vor dem Herstellungsprozess zu erkennen, ist nicht möglich. Die Komplexität und Vielfalt der Flachbaugruppen (FBG) lässt sich nicht mit einem einzigen Modell beschreiben. Um die ESD- Gefährdung einer speziellen FBG und den darauf empfindlichsten ESD-Pfad zu erkennen, bedarf es umfangreicher und kostspieliger Untersuchungen bereits vor der Serienfertigung. Die Überlegungen zum CBE geben Hilfestellung zum Vermeiden von ESD-Schäden. In [2], Appendix E, Seiten 133ff, finden wir dazu folgende Anmerkungen (ins Deutsche übertragen mit kursiv geschriebenen Anmerkungen vom Autor). [Zitat Anfang]: Die Entladung einer elektrostatisch aufgeladenen Flachbaugruppe (Charged Board Event ESD) ist nicht so gut dokumentiert wie andere ESD Modelle, aber sie stellt eine größere reale ESD Gefahr dar bei der Herstellung von Elektronik- Baugruppen. Selbst wenn alle für eine Flachbaugruppe verwendeten einzelnen ESDS eine hohe ESD Robustheit haben, kann es sein, dass diese Bauelemente nach dem Bestücken auf eine Leiterplatte sehr ESD-empfindlich sind. Da ein PCB eine viel höhere Kapazität als ein einzelnes Bauelement hat, kann der CBE-Schaden viel schwerwiegender sein als ein CDM Schaden. Durch die bestückten ESDS wird das Potential auf der FBG (meistens) immer größer. Wird das Potential so groß, dass es beim Setzen eines weiteren ESDS zu einem dann zerstörenden Umladungs- Stromstoß von der FBG ins ESDS kommt, sind Maßnahmen zur FBG-Entladung beim Bestückungsvorgang dringend notwendig. Dies ist umso dringender, je mehr ESDS bestückt werden und je größer die Fläche der FBG ist, denn bei dem Umladungs-Stromstoß handelt es sich um eine dem CDM vergleichbare Entladung (darum ist die CDM-Empfindlichkeit der ESDS die wichtigste Größe bei der Risikobewertung einer Fertigungslinie). Neben der Oberflächenspannung ist die durch die Bestückungen ständig größer werdende Kapazität der FBG und damit die gespeicherte Energie für den zerstörenden Umladungs- Stromstoß maßgeblich. Deshalb sollte geprüft werden, bevor ein IC- Ausfall auf einem PCB auf EOS (Electrical Overstress) zurückgeführt wird, ob der Ausfall von der Entladung einer aufgeladenen Flachbaugruppe verursacht wurde. Das Einhalten eines zertifizierten ESD Schutzprogramms (wie S20.20 von der ESD Association [oder DIN EN ]) beim Bestücken oder Handhaben von Leiterplatten und Einsetzen der Baugruppen in Systeme kann helfen, solche Ausfälle zu verhindern. Aber im Fehlerfall ist eine weitere Analyse der Herstellungsumgebung äußerst wichtig, um die Ladungsentstehung und die anschließende rasche Entladung von Baugruppen zu verstehen. Empfehlungen [2]: Identifizieren und Reduzieren von aufgeladenen Baugruppen und (CBE) Ausfällen. IC's sind für CBE ESD Schäden am anfälligsten, wenn eine der folgenden Bedingungen zutrifft (oder mehrere zutreffen): 1. Das IC grenzt an große Schutzisolierungen wie Kunststoff-Sockel, -Abdeckungen oder -Stecker, die Aufladungen entwickeln können. 2. Das IC ist nahe an PCB-Rändern, besonders nahe an PCB-Randanschlüssen, Befestigungslöchern oder Testpunkten. 3. Das IC hat zahlreiche Versorgungs- und Massepins, die gelötet (verbunden) werden mit Versorgungs- und Masseleitungen der Baugruppe, besonders dann, wenn die Versorgungs- und Masseleitungen relativ groß sind im Vergleich zum IC. 4. Das IC hat einen großen Chip, was einen sehr niedrigen Impedanz-Entladungspfad ergibt, besonders wenn das IC der Hauptentladungspfad für die Baugruppe (PCB) ist. 5. Das PCB hat keinen expliziten EOS/ESD Schutz wie Transient Spannungsunterdrücker und Schottky Dioden über den Versorgungsleiterbahnen. [Zitat Ende].

5 Abb. 4: CBE- und CDM-Entladung In Abb. 4 (Quelle [2]) sind die Stromkurven einer CBE- und CDM-Entladung bei jeweils gleichem Potential im Vergleich dargestellt. Der deutlich höhere CBE-Entladestrom unterstreicht die o.g. Anmerkungen. Nun wird deutlich geworden sein, wie komplex und schwierig (eigentlich unmöglich) es ist, mit den Datenblattwerten U CDM oder gar U MM oder U HBM das ESD-Risiko einer Fertigungslinie zu bestimmen. Aber dennoch ist es wichtig, die Empfindlichkeitsschwellen der einzusetzenden ESDS zu kennen, um das Gefährdungspotential nach standortbezogenen Regeln einordnen zu können. Die Ausführungen in [2] sind dafür eine geeignete Hilfe, ESDS zu klassifizieren: unempfindlich U CDM 250V, empfindlich 125V U CDM <250V, hochempfindlich U CDM <125V. 4 Automatisierte Fertigungslinien Der Beitrag über eine neue Richtlinie des ESD- Forums [4] zeigt von den physikalischen Grundlagen bis zur Vorgehensweise bei der Prüfung von Prozessanlagen auf, wie komplex automatisierte Fertigungslinien sein können und welche physikalischen Kenntnisse notwendig sind, um komplexe Elektrostatik-Zusammenhänge erkennen zu können. In Fertigungen, in denen mit häufigem Wechsel kleine Serien mit kleinen Stückzahlen und wechselnder Nutzengröße gearbeitet wird, ist es nicht einfach, permanent installierte Schutzmaßnahmen zu verwenden. Dennoch ist es immer häufiger notwendig, das ESD-Risiko in einer automatisierten Fertigung abzuschätzen, weil sich der Kunde, der in dieser Fertigung seine Baugruppe produzieren lässt, und der Produzent vergewissern wollen, dass die ESD- Bedingungen gut sind, bzw. die Baugruppen ESDfehlerfrei gefertigt werden können. Um dieses ESD-Risiko für ein Produkt in einer Linie, mit einem gleichbleibenden ESDS- Spektrum, bei störungsfreiem Lauf der Linie und bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von maximal 50% (je geringer die r.f. ist, umso sicherer ist die Risikobewertung) bestimmen zu können, empfehle ich die folgende Arbeitsweise (beachte vor allem Punkt 4 in [4]). Um die Grundvoraussetzungen für eine elektrostatisch potentialfrei arbeitende Linie zu erfassen, werden zunächst die elektrischen Widerstandswerte der Anlagenteile gegen Erde (Masse der Prozessanlage) gemessen, die in den unmittelbaren Kontakt mit der zu bestückenden Leiterplatte kommen. Die wichtigsten sind die Förderbänder, die die LP vom Anfang bis zum Ende der Linie transportieren und vor allem die Bestückungsautomaten, die unbedingt mit unterbrechungsfreien Verbindungen von den Saugpipetten über den Bestückkopf zur Erde beim Bestückprozess funktionieren müssen. Doch diese Widerstandswerte allein, vorausgesetzt dass sie nicht zu beanstanden sind, reichen für die Beurteilung einer Linie nicht aus, denn zum einen werden alle Maschinenabläufe und Bewegungen elektrisch gesteuert und die Komponenten mit Strom versorgt (Bildung von elektromagnetischen Feldern) und zum anderen erzeugen die Bewegungsabläufe selbst elektrostatische Aufladungen, die nicht immer vermeidbar sind. 4.1 ESD-Risikoabschätzung Unter 3.3 wurde ausgeführt: Durch die bestückten ESDS wird das Potential auf der FBG (meistens) immer größer. Wird das Potential so groß, dass es beim Setzen eines weiteren ESDS zu einem dann zerstörenden Umladungs-Stromstoß von der FBG ins ESDS kommt, sind Maßnahmen zur FBG- Entladung beim Bestückungsvorgang dringend notwendig. Um folglich erkennen zu können, wie sich das Potential der LP vom Einlegen derselben in den Zuführpaternoster bis zur Ausgabe entwickelt, sind Potentialmessungen erforderlich. Am besten wäre es, wenn man einen Sensor, der den gesamten Prozess nicht stören kann, auf der LP durch die Linie mitschicken könnte und die Ergebnisse drahtlos zum Messsystem übertragen würden. Da ich das leider mit meinen Mitteln nicht kann, gehe ich wie folgt vor: Abb. 5 ESD- Messkopf, E- Feldöffnung an der Seitenfläche

6 Oberflächen-Potential Oberflächen-Potential Abb. 6: ESD- Messkopf, E- Feldöffnung an der Stirnfläche gesamten Bestückungsvorgangs bestehen bleibt und anschließend die Baugruppe annähernd ladungsfrei weiter transportiert wird. Mit dem Messkopf eines Elektrostatik-Voltmeters (Abb. 5+6) wird mäanderförmig in einem Abstand von wenigen Millimetern bis zu 1 cm über den Leiterplatten das Potential berührungslos gemessen und mit einem Digital-Oszilloskop gespeichert. Das Ergebnis einer solchen Potentialmessung von einer LP vor einem Bestückungsvorgang zeigt die folgende Abbildung [V] Automatisierte Fertigungslinie In der Bstückungszone vor dem Setzen des gefährdeten ICs Abb. 8: Ableitfähiger Pinsel auf dem Magnetsockel eines Abstandhalters aus feinen, leitfähigen Fasern, er wird über 1M geerdet (Prüf- und Testvariante des Autors). Mit einer solchen Pinselerdung (Abb. 8) wurde die nachstehend in Abb. 9 gezeigte Messung durchgeführt Potential der LP nach dem Transport in die Bestückungszone Zeit [s] Abb. 7: Potential der LP mit bis zu 200V gefährdet ein zu bestückendes IC mit U ESD-CDM =100V In einer untersuchten Linie entstanden nach der Einführung eines empfindlichen ICs ESD-Fehler im Prozentbereich, was aus Abbildung 7 verständlich wird. 4.2 Abhilfemaßnahmen Eine LP durch ionisierte Luft zu entladen, bevor sie bestückt wird, ist eine gute Empfehlung dann, wenn die Ionisierungszeiten ausreichen, bevor die LP in die Bestückungszone (oder einen sonst entladungs-gefährdeten Bereich) gefahren wird. Bei den heute angestrebten Bestückungsleistungen ist dieses Verfahren möglicherweise nicht geeignet. Ein anderes, seit Anfang der 90er Jahre bewährtes Verfahren bei der ESD-Fehlersuche in Fertigungslinien ist die Erdung der Ground (GND)- Leiterbahn einer zu bestückenden LP mit einem ableitfähigen Pinsel aus feinen, leitfähigen Fasern beim Einfahren der LP in die Bestückungsposition. Der Pinsel kann aber auch so positioniert werden, dass diese GND-Verbindung während des [V] Automatisierte Fertigungslinie In der Beszückungszone vor dem Setzen des gefährdeten ICs mit Erdungspinsel Potential der LP nach dem Transport in die Bestückungszone Zeit [s] Abb. 9: Potential der LP ca. 0V, das zu bestückende IC mit U ESD-CDM =100V ist damit nicht mehr gefährdet. Dieses Beispiel kann selbstverständlich durch andere Varianten ergänzt oder ersetzt werden. Jeder Betrieb hat eigene Forderungen, eigene Hilfsmittel oder auch eine eigene ESD-Schutzphilosophie. Letztlich ist aber entscheidend, die Maßnahmen auszuwählen, die es ermöglichen, ein hoch sensibles ESDS fehlerfrei zu verarbeiten. Und auch hier gilt wieder die Empfehlung, sich mit der Richtlinie des ESD-Forums [4] auseinanderzusetzen.

7 5 ESD-Musterprüfung Bestückungsautomat Die Musterprüfung eines Bestückungsautomaten unterscheidet sich wesentlich von der Prüfung eines solchen in einer Linie mit einer LP und diversen unterschiedlichen ESDS. Um die Grundvoraussetzungen für eine elektrostatisch potentialfrei arbeitende Maschine zu erfassen, müssen zunächst die elektrischen Widerstandswerte, wie in der Linie auch, gemessen werden. Doch diese Widerstandswerte allein reichen für die Beurteilung einer Maschine auch nicht aus, siehe Punkt 4. Die Zustände, bzw. die elektrischen und mit dem Fokus bei dieser Arbeit auf die elektrostatischen Zustände im Arbeitsbereich der Maschine müssen derart beschaffen sein, dass ESDS ohne ESD-Gefährdung verarbeitet werden können. Um diese Zustände zu prüfen, können vier verschiedene Untersuchungs-Methoden angewendet werden: 1. Bestückungssimulation: Messung der von der Maschine übertragenen Potentiale auf eine Prüfleiterplatte ohne zu verarbeitende ESDS, 2. E-Feld-Untersuchung im Bestückungsbereich ohne zu verarbeitende ESDS, 3. Leiterplattenaufladung beim Transport einer Leiterplatte ohne zu verarbeitende ESDS, 4. Potentialmessungen an allen anderen Komponenten, die eigentlich schon bei der E-Feld- Untersuchung im Bestückungsbereich erfasst wurden. Für die Bestückungssimulation und E-Feld- Messungen verwende ich eine PLP (Abb. 10). Diese PLP ist eine einseitig kaschierte und vergoldete LP, die aufgrund ihrer Größe und dem Abstand zum Hubtisch in der Bestückungszone eine Kapazität gegenüber dem Hubtisch hat gemäß C=ε 0 * ε r *A/d. Abb. 11: Prüfleiterplatte mit Messkopf, diese Trennung beim Messen des PLP-Potentials ist notwendig, damit durch die Rückkopplung des Messwertes auf das Gehäuse des Messkopfes das Messergebnis nicht aufschaukelt. Die vergoldete Fläche der PLP (Abb. 11) hat zwei Funktionen: a) Bei der Prüfung, ob elektrische Felder durch die arbeitende Maschine im Bestückungsbereich auf ESDS influenzierend einwirken können, hat sie die gleiche Funktion wie die Sensorfläche eines Elektrofeldmeters, die durch die Influenzwirkung eines E-Feldes ein Potential gegen Erde annimmt. Ebenso werden elektrostatische Felder in der Bestückungszone erfasst, indem mit dem Messkopf des Elektrostatikvoltmeters das PLP-Potential berührungslos gemessen wird. Dafür wird über eine kurze Drahtverbindung auf ein kleines Messingplättchen das PLP-Potential übertragen. b) Wird die Bestückungsmaschine so programmiert, dass der Bestückkopf mit den Pipetten des Bestückkopfes die PLP berührt, wird beim vielfach wiederholten Kontakt der PLP messbar, ob die Maschine die PLP elektrostatisch auflädt oder nicht (eine zusätzliche Möglichkeit bietet sich bei dieser Prüfung, nämlich die Messung des elektrischen Widerstandes von der PLP über Pipetten und Kopf zur Erde (Maschinenmasse). Unter Punkt 4 wurde empfohlen, die Risikobewertung einer automatisierten Fertigungslinie nicht bei einer relativen Luftfeuchte von 50% durchzuführen. Umso wichtiger ist es, die Musterprüfung eines so wichtigen Teils wie den Bestückungsautomaten in klimatisierter Umgebung durchzuführen (Abb. 12). Abb. 10: Prinzip der Prüfleiterplatte Abb. 12: ESD-Musterprüfung eines Bestückungsautomaten.

8 Beachte die Einheiten im Text Potential auf der Prüf-LP Potential 5.1 Risikobewertung Bestückungsautomat Allein der Vorgang Trennung (Abheben) der Pipetten von der PLP muss die PLP aufladen. Diese Aufladung (sie entsteht nach jedem Kontakt zweier Materialien bei der Trennung!) wird jedoch von der unterbrechungsfreien Erdung der Pipetten beim Folgekontakt wieder entladen etc. etc. etc. Durch diese kurzen Aufladungen entstehen Potentialspitzen, die für die Klassifizierung auswertbar sind (Abb. 13). Bei dieser Untersuchung ändert sich weder die Kapazität noch die Ladung der PLP, im Gegensatz zum realen Prozess in einer FBG-Fertigung. [V] ESD-Forum Bestückungssimulation in der Klimakammer Prüf-LP steht am Eingangsstopper, Transportband läuft mit maximaler Geschwindigkeit, Dauerlauf der Maschine, Pipetten kontaktieren die PLP, Dauerlauf ohne Kontakt der Pipetten mit der PLP Messreihe rot Pipetten vom Typ "A" kontaktieren im Dauerlauf die Prüf-LP Pipetten vom Typ "B" kontaktieren im Dauerlauf die Prüf-LP Maschine im Dauerlauf ohne die Prüf-LP zu kontaktieren Zeit [s] Abb. 13: Ergebnis der Bestückungssimulation und Influenzprüfung, die höchsten Potentialspitzen berühren die 2V-Linie. Q=U*C! Die mit den Potentialspitzen von 2V berechnete Ladung (Abb. 14) wird angesetzt, um das ESD-Risiko zu erkennen und ein Klassifizierungsergebnis zu erhalten. 1E-9 1E-10 1E-11 1E-12 ESD-Forum 2011 a) b) Kapazität und Ladung verschiedener PCB-Formate mit dem PLP-Potential 2 V Q C Ladung der LP [As] Kapazität der LP [As/V] a) kleinste Standard-Leiterplatte 50x50 = 0,0025m² b) Prüf-Leiterplatte (PLP) 160x280 = 0,0448m² a) größte Standard-Leiterplatte 450x560 = 0,252m² 1E-13 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 Fläche der Leiterplatten [m²] Abb. 14: Änderung von Kapazität und Ladung bei Änderung der LP-Fläche Die Kapazität der PLP und die Ladung derselben verändert sich nicht, wenn die Funktionalität des Bestückkopfes etc. sich nicht verändert. Beim realen Bestücken einer LP nimmt durch die gesetzten Bauelemente die Kapazität und auch die Ladung c) der LP zu. Bei dieser hier beschriebenen Untersuchung mit der PLP trifft das nicht zu, Kapazität und Ladung bleiben stets gleich, egal wie lange die Maschine läuft. Es geht hier auch nicht darum, festzustellen, welche Aufladungen beim Bestücken von Bauelementen (die Vielfalt derselben ist riesengroß) gemessen werden können, sondern darum, was die Maschine selbst ohne weiteren äußeren Einfluss an elektrostatischen Aufladungen generiert. Aus dieser Betrachtung kann abgeleitet werden, mit welchem ESD-Risiko beim Einsatz eines solchen Automaten gerechnet werden muss. [V] ESD-Forum 2011 kleinste LP Prüf-LP Potential mit verschiedenen PCB-Formaten mit der Ladung der Prüf-LP P Bei den kleinst möglichen LP-Formaten können bis zu 35V entstehen. Der Einsatz solch kleiner PCBs wird aus Gründen der Wirtschaftlichkeit im Nutzen gefertigt. Die Problematik beim Bestücken einer Nutzen-LP bedarf der gesonderten Betrachtung. größte LP 0-5 0,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 0,12 0,14 0,16 0,18 0,20 0,22 0,24 Fläche der Leiterplatten [m²] Abb. 15: Risikoabschätzung in Abhängigkeit von der LP-Größe Bis zur größtmöglichen LP mit den Maßen 450mm*560mm und einer sich daraus ergebenden Fläche von 0,252m² stellt diese Maschine allein bei der Verarbeitung von ESDS mit U ESD- CDM 125V kein Risiko dar, vorausgesetzt die ESDS sind robuster als 2V. Werden jedoch die kleinstmöglichen FBGn mit 50mm*50mm und einer Fläche von 0,0025m² bestückt, beginnt das ESD-Risiko bei 35V (Abb. 15). Eine zentrale Frage bleibt, nämlich, ob die Kapazität der Prüf-Leiterplatte nicht vergleichsweise viel zu hoch ist. Um diese aufzuladen, bedarf es schon erheblicher Energie. Wäre die Prüfleiterplatte in mehrere kleinere Inseln unterteilt, könnten sich diese je nach Abstand zum Aufladungspunkt unterschiedlich stark aufladen und der erforderliche Energieübertrag wäre weit geringer. Umgekehrt stellt sich somit die Frage, ob bei Verwendung einer durchgehend flächig metallisierten Prüfleiterplatte das Verfahren gegenüber der Realität nicht zu unempfindlich wird. Dies führt zwangsläufig zu der Frage nach dem ESD-Risiko bei der Bestückung von Leiterplatten, die im Nutzen hergestellt werden und damit zurück zur automatisierten Fertigungslinie.

9 5.2 Musterprüfung und automatisierte Fertigungslinie Eine Nutzen-LP besteht aus mehreren kleinen LPn, die elektrisch nicht miteinander verbunden sind, folglich aus einzeln zu betrachtenden kleinen konduktiven und normalen Kapazitäten. In diesem Fall wird es leider kompliziert: Es überlagern sich konduktive und normale, abstandsabhängige Kapazitäten, wobei bei gegebener Nähe zu metallischen Teilen der Prozessanlage letztere überwiegen. Das Oberflächenpotential solcher Platinen variiert nach erfolgter Initialaufladung dann je nach Abstand zu benachbarten geerdeten Teilen: Je weiter die LP von diesen entfernt ist, umso höher wird die Spannung (Q bleibt gleich, d wird möglicherweise, je nach Anzahl der einzelnen Nutzen, die in der Mitte und nicht am Rand des ganzen Nutzens liegen, höher). Wie beim geladenen Plattenkondensator, dessen Platten man auseinanderzieht wobei die Spannung ansteigt (vergleiche Abb. 15). Das Ergebnis der Musterprüfung einer Prozessanlage wie bei dem Beispiel Bestückungsautomaten sagt lediglich aus, dass dieser Hersteller seine Hausaufgaben gemacht hat und sein Produkt in die Schutzklasse C0 (nach [4]) fällt. Mit dem Ergebnis eines mustergeprüften Bestückungsautomaten lässt sich die reale Welt einer automatisierten Fertigungslinie aber nicht beschreiben. Es hat sich allerdings bewährt, bei der Fehlersuche und Risikoanalyse in der automatisierten Fertigungslinie die Methoden der Musterprüfung in den Bestückstationen der Linie einzusetzen. 6 Schlussbetrachtung und Ausblick Die Antwort auf die provokative Titel-Frage wurde mit physikalisch-technischen Hinweisen aufbauend vorbereitet und es wurde gezeigt, dass es möglich ist, ESDS mit U ESD-CDM 125V ESDfehlerfrei in automatisierten Fertigungslinien zu verarbeiten (Abb. 7-9). Zwei wichtige Punkte sind aber noch festzuhalten: a) Selbst dann, wenn die automatisierten Linien bestens ausgestattet sind, bedarf es nach wie vor eines geschulten, mit den komplexen Details der Elektrostatik-Phänomene vertrauten Personals, um eine ausreichende ESD-Prävention in den zunehmend automatisierten Prozessabläufen gewährleisten zu können. b) Die Partnerschaften zwischen den Herstellern von Prozessanlagen jeder Art auf der einen Seite und den Produzenten von ESDS und Flachbaugruppen auf der anderen Seite werden immer wichtiger. Denn nur mit einem gegenseitigen Verständnis für das technisch Notwendige und Machbare beim ESDS-Schutz in der gesamten Produktionskette lassen sich marktfähige, zuverlässige und kostengünstige Elektronik-Produkte fertigen. Literatur [1] DIN EN , , Elektrostatik, Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene, Allgemeine Anforderungen [2] Industry Council on ESD Target Levels White Paper 2, A Case for Lowering Component Level CDM ESD Specification and Requirements, Download: [3] ESD association standard practice for Protection of Electrostatic Discharge Susceptible Items Automated Handling Equipment (AHE), ESD SP [4] P. Jacob und andere, Richtlinie des ESD Forum e.v. für die Vorgehensweise bei der ESD-Risikobewertung für ESD-gerechte Maschinen und Anlagen, Tagungsband vom 12. ESD-Forum 2011 in München [5] Richtlinie 89/686/EWG, 1989, Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaft, Richtlinie des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften für Mitgliedstaaten für Persönliche Schutzausrüstungen (PSA) [6] Richtlinie 98/37/EG, Juni 1998, Amtsblatt der Europäischen Gemeinschaft, Richtlinie des Europäischen Parlaments und des Rates zur Angleichung der Rechtsvorschriften für Mitgliedstaaten für Maschinen Sicherheitsund Gesundheitsanforderungen