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ESD Schutz
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ESD-Schutz
Voraussetzung fr den erfolgreichen Aufbau zuverlssiger elektronischer
Systeme
14.08.2012, FED-Regionaltreffen Berlin
Hans-Joachim Gnther, ESD-Consult&ServiceDr.-Ing. Bernd Schildwach, Ing.-Bro QUAPRO
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Der Physiker sagt:ESD-Schutz ist ganz einfach
2. Sicherung einer langsamen Entladung, so dass die dabei entstehende Stromstrke keine Schden verursacht.
1. Vermeidungen von Aufladungen, die mit ihrem Spannungswert ein Bauelement gefhrden knnen.
Der Praktiker wei:Das Radfahren ist auch ganz einfach:Treten, Treten und Lenken. Aber wie lange bentigt mancher dies zu beherrschen?
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Triboelektrizitt
C = * A/dU = Q / C
C = Kapazitt; Q = Gesamtladung; U = Spannung
= Dielektrizittskonstante; A = Berhrungsflche; d = Abstand
U = Q*d*A
U1 = 1 mV
d1 = 1nm
----
++++
----
++++
d = 0,1m
U1 > 1 kV
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Einflussfaktoren fr Triboelektrizitt
Q*d*AU =
AAbstandstand
Material(Cohnsche Tabelle)
Berhrungsflche(Klar-sichthllen))
Weitere Faktoren:
o Reibung (Triboelektrizitt=Reibungselektrizitt)o Anpressdrucko Trenngeschwindigkeit
Gesamtladung
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LuftMenschlicher KrperGlasMenschliches HaarNylon WolleSeideAluminiumPapierBaumwolleEisenHolzHartgummiNickel KupferMessing SilberGold PlatinKunstseidePolysterenPolyesterSilizium
Cohnsche Tabelle
+positiv
-
negativ
Mensch
und
Umfeld
Auf
ladu
ng
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Influenz
++++
++++++
----
------
--------
Polarisation eines elektrisch leitfhigenKrpers, der sich isoliert in einem
elektrostatischen Feld befindet
-++-
-++--+
-+-+
-++--+
nach Verlassen des elektrostatischen Feldes gleichen sich die Ladungen
wieder aus
++++++ ++
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Risiko durch Influenz
----
------
--------
--
---
--
---
bei kurzzeitiger Erdung wird die positive Ladung durch den Erdkontakt ausgeglichen
nach Verlassen des elektrostatischen Feldes berwiegen die negativen Ladungstrger
++++++ ++
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Einfluss der Luftfeuchte
A: Laufen auf einer Gummimatte
B: Aufnehmen eines Plastik-beutels von der Werkbank
C: Laufen auf einem Vinyl-Bodenber eine Entfernung von 6m
D: Aufstehen von einem Stuhl
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Mollirdiagramm
Relative Luftfeuchte
10 20 30 40 50Rel. Luftfeuchte auen RH1 [%]
10
20
30
40
50
Rel
. Luf
tfeuc
hte
inne
n R
H2
[%]
(Inne
ntem
pera
tur:
22
C)
-10C
0C
10C
20C
25
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mJ
10
1
0,1
0,01
0,001
0,0001
CMOS schnelle Trs. low-Power Trs. kl. Gleichr. Z-Dioden 0,3 1 3 10 (kV)
im Menschen gespeicherte Energie ( W = 0,5 C*U2 , Kap. des Menschen ca. 200 pF )
Strungs-/Zerstrungs-
energie in mJ
min/ max-Schwelle
Energieempfindlichkeiten
Das Risiko
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ESD-Hufigkeiten und Risikobereiche (Entwicklungsumgebung)
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
%kV
36 28 208 5 2 1
Wahrnehmungsschwelle90% 10%
MOSFET
JFET
BIPOL. TRS.
SCHOTTKY-TTL
CMOS
Quelle: Baumgrtner/Grtner ESD-Elektrostatische Entladungen
Das Risiko
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Ziel:Erarbeitung eines ESD-Schutzprogramms
Referenzen: - DIN EN 61340-5-1:2008- DIN EN 61340-5-1, Beiblatt 1
(IEC/TR 61340-5-2:2007)- ANSI/ESD S20.20-2007Durchsetzung wirksamer Manahmen
fr den durchgngigen ESD-Schutz
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DIN EN 61340-2-1:2003, Elektrostatik, Messverfahren Fhigkeit von Materialien und Erzeugnissen, elektrostatische Ladungen abzuleiten
DIN EN 61340-2-3: 2000,Elektrostatik, Prfverfahren zur Bestimmung des Widerstandes und des spezifischen Widerstandes von festen planen Werkstoffen, die zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen verwendet werden.
DIN EN 61340-3-1:2003Elektrostatik, Verfahren zur Simulation elektrostatischer Entladungen Human Body Model (HBM) Bauelementeprfung
DIN EN 61340-3-2:2003Elektrostatik, Verfahren zur Simulation elektrostatischer Entladungen Machine Model (MM) - Bauelementeprfung
Referenzen
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ESD-Schutzprogramm-
Plan
Welche Geschftsstellen?Welche Bereiche?Welche Prozesse?Welche Verantwortungsbereiche?
Gel
tung
sber
eich
Zum Beispiel:- Erarbeitung neuer Vorschlge zur Gestaltung des
ESD-Schutzesoder
- Realisierung und Durchsetzung der notwendigen Manahmen zum ESD-Schutz ?
ESD-Schutzprogramm
Ziele
Voraussetzungen
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ESD-Schutzprogramm
Planung der Anforderungen an:
1. Schulungsplan2. berprfung der Einhaltung3. Erdungs-/Anschlusssysteme4. Personenerdung5. Schutzzonenanforderungen6. Verpackungssysteme7. Kennzeichnungen
Von der Norm empfohlene Inhalte eines
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Das Risiko
Aufladungen lassen sich in Arbeitsprozessen nicht vermeiden, jedoch schdigende Potenzialunterschiede, die zu ESD fhren knnen.
Es muss ein gelenkter Potenzialausgleich realisiert werden, der sichert, dass die Entladung nicht ber gefhrdete elektronische Bauelemente erfolgt und dabei die Geschwindigkeit der vorhandenen Arbeitsprozesse beachtet.
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Schutzmanahmen, die wir heute treffen, knnen bereits morgen durch Technologieentwicklungen unwirksam sein.
Entwicklung von Halbleiterstrukturen1985: 1500nm1990: 700nm1998: 200nm2000: 130nm2002: 90nm2005: 65nm 2007: 45nm 2008: 32nm2010: 28nm2012: 20nm
Das Risiko
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1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
2. Phase: Analyse des SOLL-Zustandes3. Phase: Konzeption einer nachhaltigen und angemessenen ESD-
geschtzten Handhabung von elektronischen Bauelementen
4. Phase: Beschaffung, Realisierung, Sicherung der ESD-Schutzmanahmen durch das QM-System
5. Phase: Schulung, Training, Motivation des Personals
6. Phase: kontinuierliche Verbesserungen, Analysen, Audits
Projektlebenszykluszum Aufbau und kontinuierlichen Verbesserung eines
ESD-Schutzprogramms
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Entwicklung,Design
Material,elektr.
Kompo-nenten
Fertigung Prfung Lagerung,Vertrieb
Schwachstellen, Fehlerquellen-Analyse, z.B.:Wo sind ESDS-gefhrdende Prozesse vorhanden?
Sind die Schutzmanahmen ausreichend?
Beschaffung
Analyse im geplanten Geltungsbereich
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
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Analyse aller verwendeten elektronischen Bauelemente / Baugruppen
Analyse der Kenntnisse des Personals
Analyse der Technologien und Ablufe
Analyse bereits vorhandener ESD-Schutzmanahmen und deren Wirksamkeit
Analyse von bereits aufgetretenen Fehlern
Analyse des notwendigen Publikumsverkehrs
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
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Welche elektronischen Bauelemente werden im Geltungsbereichgehandhabt ?(beschafft/transportiert/verarbeitet/bestckt/gemessen/getestet/verpackt)
Wo, an welchen Arbeitspltzen 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 Ttigkeiten bekannt?
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
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Klasse Spannungsbereich
Human Body Model
0 < 250V1A 250V bis < 500V1B 500V bis < 1.000V1C 1.000V bis < 2.000V2 2.000V bis < 4.000V3A 4.000V bis < 8.000V3B > 8.000V
Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association
Quelle: IEC 61340-3-1:2002
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
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Klasse Spannungsbereich
Human Body Model
0 < 250V1A 250V bis < 500V1B 500V bis < 1.000V1C 1.000V bis < 2.000V2 2.000V bis < 4.000V3A 4.000V bis < 8.000V3B > 8.000V
Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association
Quelle: IEC 61340-3-1:2002
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
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Klasse Spannungsbereich
Charge Device Model
C1 < 125VC2 125V bis < 250VC3 250V bis < 500VC4 500V bis < 1.000VC5 1.000V bis < 1.500VC6 1.500V bis < 2.000VC7 > 2.000V
Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
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Klasse Spannungsbereich
Machine Model
M1 < 100VM2 100V bis < 200VM3 200V bis < 400VM4 > 400V
Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association
Quelle: IEC 61340-3-2:2002
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
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ESD-Schutzklassen:1C, M2, C4
ESD-Empfindlichkeit
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
Copyright by
Klasseneinteilung fr ESD-Empfindlichkeiten
Achtung:Es gibt unterschiedliche Klassenbenennungen!
ESD-Empfindlichkeit
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
Copyright by
Device type ESD withstand voltage sensitivity HBM
Class
MR heads, RF FETs 10 - 100 V 0
Power MOSFETs, PIN diodes, laser diodes 100 - 300 V 0
Pre - 1990 VLSI 400 - 1000 V 1A
Modern VSLI 1.000 - 3.000 V 1C
HCMOS 1.500 - 3.000 V 1C
CMOS B Series 2.000 - 5.000 V 2
Linear MOS 800 - 4.000 V 2
Small geometry older bipolar 600 - 6.000 V 1B
Small geometry modern bipolar 2.000 - 8.000 V 2
Power bipolar 7.000 - 25.000 V 3A
Film resistor 1.000 - 5.000 V 1C
ESD-Empfindlichkeit und Klasseneinteilung nach ESDA
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
Copyright by
ESD-Empfindlichkeit, Klasseneinteilung nach ESA
1. Phase: Analyse des IST-Zustandes
Copyright by
- Class 1: Sensitivity Range 0 to < 1.000 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 (JFETs) Silicon Controlled Rectifiers (SCRs) with to 0,1%; power
Copyright by
Welche Prozesse mssen aus der IST-Analyse gendert werden?
Welche Prozesse sind fr eine Neueinfhrung geplant und welche Arbeitsgeschwindigkeiten haben die neuen Prozesse?
Welche Ableitwiderstnde mssen erreicht werden?
Welche neuen Bauelemente werden fr 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 schtzenden Prozessen eingesetzt?
2. Phase: Analyse des Sollzustandes
Copyright by
Basis-ESD-Schutzprogramm knnte beinhalten:A. Geerdete Arbeitsoberflche,B. Personal, geerdet mit einem Handgelenkerdungsband,C. ESD-Schutzverpackung, um ESDS von einem Prozess zum
nchsten zu transportieren,
Komplexes-ESD-Schutzprogramm knnte beinhalten:A. Geerdete Arbeitsoberflche,B. Personal, geerdet ber ein permanent berprftes
Handgelenkerdungsband,C. Personal, geerdet ber ESD-Schuhwerk und leitfhiger Fuboden,D. Personal, das geerdet ESD-Kittel trgt,E. Ionisation an jedem Arbeitsplatz
Handhabung von elektronischen Bauteilen in den Prozessen
3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes
Der Schutzgrad richtet sich nach den Bauteilen und Prozessschritten
Copyright by
Anzustrebender Wertebereich
3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes
Copyright byQuelle: Karl H. Helling, Elektrostatik Institut Berlin
3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes
Copyright by
1. Es gibt keinen allgemeinen ESD-Schutz.
2. Schutzmanahmen mssen in Abhngigkeit von den konkreten Erfordernissen im Unternehmen aufgebaut, aufrechterhalten und kontinuierlich verbessert werden.
3. Normen (z.B. DIN EN 61340-5-1) sind anwendbare Referenzen und mssen 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 Produktqualitt sind Bestandteil des Qualittsmanagementsystems.
Thesen:
4. Phase: Realisierung
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Integration des ESD-Schutzes in das Qualittsmanagementsystem der Organisation
Forderung der DIN EN 61340-5-1:2008Jedes Unternehmen entwickelt sein - eigenes, - unternehmensspezifisches und - mit dem betrieblichen QMS konformes ESD-Schutzprogramm.
4. Phase: Realisierung
Copyright by
Klrung der Verantwortlichkeiten durch die Oberste Leitung:- Einfhrung der Schutzvorkehrungen nach DIN EN 61340-5-1, - Einsetzen des ESD-Schutzbeauftragten
ESD-Schutzbeauftragter:- Verantwortlich fr Schutz der ESDS und Umsetzung der
DIN EN 61340-5-1- Erarbeitung des ESD-Schutzprogramms
Der ESD-Schutzbeauftragter (Normenbezeichnung: ESD-Beauftragter oder ESD-Koordinator ) kann bei Erfordernis weitere Beauftragte einsetzen.
4. Phase: Realisierung
DIN EN ISO 9001:2008
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Angemessenheit der anzufertigenden QM-Darlegungen
(Umfang, Darstellungstiefe, Art der Darstellung, Sprache, Formulierungen)
AA01
Prozess-Beschreibungen
QM-Handbuch
AA02
AA03
ESD-Schutz-Programm
4. Phase: Realisierung
DIN EN ISO 9001:2008
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Schaffung von Vertrauen durch eineZertifizierung des QM-Systems:
Nachweis und Besttigung der Qualittsfhigkeit von Lieferantenin bereinstimmung mit einer Referenznorm durch eine unabhngige Stelle
Zertifikat
4. Phase: Realisierung
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5. Phase: Schulung, Training, Motivation des Personals
Die Kenntnisse und Motivation des Personals sind die Grundlage fr die Akzeptanz der festgelegten Handhabungs- und Prozessschritte.
Die kompetente Mitwirkung des Personals ist eine Voraussetzung zur Aufrechterhaltung und kontinuierliche Verbesserung der ESD-Schutzfhigkeit unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit.
Schulungs-plan
Copyright by
Nchster Termin: 16.-18.10.2012in Erlangen
ESD-Schutz-managementmit Zertifizierung
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