Aktuelle Tendenzen. im ESD-Schutzmanagement. Dr.-Ing. Bernd Schildwach Ingenieurbüro für Qualitäts- und Projektmanagement, Berlin

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1 Aktuelle Tendenzen im ESD-Schutzmanagement Dr.-Ing. Bernd Schildwach Ingenieurbüro für Qualitäts- und Projektmanagement, Berlin Dipl.-Kfm. (FH) Michael Günther Ing.-Gesellschaft Günther und Partner ESD Consult & Service, Strausberg Neue Veröffentlichungen ESD? 2. neubearbeitete Auflage Erschienen: 2012 (Sudienarbeit aus dem Jahre 2009) Erschienen:

2 Industry Council White Papers White Paper 1, 10/2010: A Case for Lowering Component Level HBM/MM ESD Specifications and Requirements. White Paper 2, 04/2010: A Case for Lowering Component Level CDM ESD Specifications and Requirements White Paper 3: System Level ESD Part I, 12/2010: Common Misconceptions and Recommended Basic Approaches Part II, 09/2012: Implementation of Effective ESD Robust Designs White Paper 4, 08/2016: Understanding Electrical Overstress 2

3 White-Paper-4-Understanding-Electrical-Overstress 1. November 2016, Regionalgruppe Berlin des FED e.v. Charge Device Model, CDM (2. White Paper) 3

4 Thermische Schädigungen durch Electrical Overstress (EOS) 1. White Paper Ursache: Electrostatic Discharge, ESD? Falsche Anwendung? electromagnetic interference (EMI)? Stand: 2000 EOS-Ursachen 4. White Paper Stand:

5 Thermische Belastung durch - Elektrische Überlastung (electrical overstress, EOS) Wenn elektronische Bauelemente außerhalb ihrer spezifizierten Belastungswerte betrieben werden kommt es zu einer thermischen Überlastung. Bei Überschreitung der spezifizierten maximalen Spannung oder Stroms durch Fehler in der Schaltung tritt eine Überlastung auf, die sich durch Überhitzung des Bauelements bemerkbar macht und dieses beschädigen oder zerstören kann. Diese Überlastung kann während der Operation einer Schaltung kurzfristig für wenige Millisekunden aber auch über einen längeren Zeitraum auftreten und die Funktion eines Bauelements langsam beeinträchtigen, bzw. zerstören. In der Regel wird davon ausgegangen, dass EOS mit niedrigen Spannungen <100V und Spitzenströmen von >10A mit einer Dauer von >1ms auftritt. - Elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharge, ESD) ESD tritt durch eine kurzfristige Überlastung mit <1µs und einer Spannung von >500V und Strömen >10A auf. Diese Überlastung setzt nicht die Operation einer Schaltung voraus. Die spezifizierten Belastungsgrenzen/Empfindlichkeiten der elektronischen Bauelemente für ESD für HBM und CDM haben keinen Einfluss auf die Effekte durch EOS. (Referenz: JEDEC publications JEP155 and JEP157) 30% der Fehler an elektronischen Baugruppen haben ihre Ursache in EOS (electrical overstress, EOS) Stromversorgung: - Überspannungen, - Einschaltreihenfolge der Stromversorgung, - fehlerhafte Arbeitspunkteinstellung. Spezifizierte maximale Leistungswerte von Bauelementen: (Absolute Maximum Rating (AMR): - Nichtbeachtung der AMR-Angaben in den Datenblättern, - Überschreiten von AMR-Werten, - Fehlen oder Missachtung von Designregeln, z.b. Derating, Thermobilanzen. Elektrostatische Entladungen (ESD): - Nichtbeachtung der ESD-Empfindlichkeiten von elektronischen Bauelementen beim Aufbau einer EPA, - fehlende Kenntnisse, bzw. Ignorierung von Entladungsmodellen (z.b. Kabelentladungen). Sonstige Ursachen: - fehlerhafte Entwürfe von Leiterplatten, - fehlerhafte Hanhabung von Leiterplatten. 5

6 Beispiele von thermischen Schädigungen durch ESD Quelle: IBM, Kraterdurchmesser µm (menschliches Haar ca. 100µm) Beispiel einer thermische Schädigungen EOS oder ESD? Quelle: K.T. Kaschani., R. Gärtner 11. ESD Forum,

7 Michas Einsatz Frage: Was sind die Ursachen für EOS im Fehlerfall bei einer Prozessbetrachtung? 7

8 Prozesskette Schadhafte Lieferungen Qualität der Lieferung Wareneingang Lagerhaltung Montage Bestückung Montage Kontaktieren Schadhafte Produkte Qualität des Produktes Versand Verpackung Operative Qualitätskontrolle (Tests) Visuelle Qualitätskontrolle Möglichkeiten für EOS-Schädigung: - ESD - EOS Referenzen zu Anforderungen DIN EN :2008 (Entwurf seit 2011) Schutz von elektronischen Bauelementen gegen elektrostatische Phänomene DIN EN ,Beiblatt 1:2009, bzw. Benutzerhandbuch im Entwurf seit 2016) (IEC/TR :2009) ANSI/ESD S For the Development of an Electrostatic Discharge Control Program for Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies and Equipment (Excluding Electrically Initiated Explosive Devices) DIN EN ISO 9001:2015 Qualitätsmanagementsysteme Anforderungen 8

9 Forderung an das QM-System in der ISO 9001 Handhabung von elektronischen Bauteilen in den Prozessen IST-Risiko-Analyse ESD-Schädigung EOS-Schädigung Festlegungen zu Verbesserungen Maßnahmeplan Innovationen Soll-Definition Auditierung des QM-Systems zur Zertifizierung - Grundlagen des Audits sind die Forderungen der DIN EN ISO 9001:2015 als international verbindliche Normengrundlage, - Existenz von akkreditierten Zertifizierungsstellen zur Auditierung, - Eine international definierter Umfang (Tagewerke, Anzahl der Prozesse), - Es erfolgen Stichprobenprüfung von Managementmaßnahmen, - Es werden keine technischen Parametern geprüft. Auditierung des ESD-Schutzes - Grundlagen des Audits sind DIN EN :2008 (Entwurf seit 2011) DIN EN , Beiblatt 1 (Entwurf seit 2016), (IEC/TR :2009) (Empfehlungen aber keine Forderungen) - Es existieren keine akkreditierten Zertifizierungsstellen für ESD-Schutzaudits, - Es sind Kenntnisse über das empfindlichste ESDS erforderlich, - Es muss eine relevante Prozesskette mit den Auswahlkriterien für Lieferanten von Bauteilen und Modulen bewertet werden, - Es müssen konkrete kritische Prozessschritte umfassend bewertet werden. 9

10 Geltungsbereich Beurteilung des ESD-Schutzes ESD- Schutzprogramm konform zu DIN EN Ziele Technische Anforderungen, zum Beispiel: - Erarbeitung neuer Vorschläge zur Gestaltung des ESD-Schutzes oder - Realisierung und Durchsetzung der notwendigen Maßnahmen zum ESD-Schutz? Administrative Anforderungen: Welche Geschäftsstellen? Welche Bereiche? Welche Prozesse? Welche Verantwortungsbereiche? Inhalt des ESD-Schutzprogramms geplante Anforderungen an: (lt. Normentwurf) 1. Schulungsplan 2. Überprüfung der Einhaltung 3. Erdungs-/Anschlusssysteme 4. Personenerdung 5. Schutzzonenanforderungen 6. Verpackungssysteme 7. Kennzeichnungen ESD- Schutzprogramm konform zu DIN EN

11 Überprüfung und Bewertung des ESD-Schutzprogramms und seine Wirksamkeit durch Audits Audit (DIN EN ISO 9000:2015) Systematischer, unabhängiger und dokumentierter Prozess zum Erlangen von objektiven Nachweisen und zu derer objektiver Auswertung, um zu bestimmen, inwieweit Auditkriterien erfüllt sind. Klärung des Umfangs eines Audits: - Welche Prozesse? - Welche Auditkriterien? - Lieferanten? Klärung der Durchführung eines Audits: - Wann? - Welche unabhängigen Auditoren (Auditteam)? DIN EN ISO 19011:2011 Leitfaden zur Auditierung von Managementsystemen 11

12 Präventive Ziele von Audits Auditprogramm Planung der Verifikation und Validation (Überprüfungen und Freigaben) z.b.: Eignung/Qualität der Mess- und Prüfmittel und -verfahren, Nachweise zu ESD-Schutzfähigkeiten, Freigabe (erstmalig, zyklisch) von Materialien, Ausrüstungen in der EPA und ESDS, Zulassungen (erstmalig, zyklisch) von Personal in der EPA, einschließlich Zugangskontrolle, Schulungs- und Trainingsunterlagen (erstmalig, zyklisch) für die Zulassung des Personals in der EPA. ESD- Schutzprogramm konform zu DIN EN Planung von Audits Audit- Checklisten - Bereichsbezogene Fragen und Messpunkte, - Kriterien für Bewertung der Prüfergebnisse Audit- Pläne - konkrete Planung des Umfangs, - Festlegungen zu Zeitpunkt und Dauer, - Verantwortlichkeiten - Vorlagen für Ergebnisaufzeichnungen, - Vorlage für den Auditbericht Auditprogramm 12

13 Seminarangebot des FED e.v. 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 :

14 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 Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Machine Model Klasse Spannungsbereich M1 < 100V M2 100V bis < 200V M3 200V bis < 400V M4 > 400V Quelle: IEC :

15 ESD-Empfindlichkeit nach ESA/SCC Basic Specification No 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. Beachtung der ESD-Schutzwirkung von Erdungsmaßnahmen Maximale menschliche Arbeitsgeschwindigkeit U kv 10 8 Parameter für HBM: R = 1GOhm C = 200pF 6 U = U o* e t/r*c 4 2 0,1 0,3 0,5 1,0 1,5 t s 15

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