ESD Schutz in der EMS Fertigung

ESD Schutz in der EMS Fertigung, kurz erklärt:

ESD Schutz in der EMS Fertigung verhindert, dass elektrostatische Entladungen empfindliche Bauteile und Baugruppen beschädigen. Er umfasst die gesamte EMS Prozesskette von der Materialannahme über Bestückung und Prüfung bis zur Verpackung. Die zentrale Grundlage bildet die IEC 613040-5-1:2024.
Ein wirksamer ESD Schutz besteht nicht nur aus Erdungsarmbändern oder ableitfähigen Arbeitsflächen. Er verbindet geeignete Produktionsbereiche, geschulte Mitarbeitende, kontrollierte Prozesse, regelmäßige Messungen und eine ESD gerechte Verpackung.

Was bedeutet ESD in der EMS Fertigung?

ESD steht für Electrostatic Discharge und bezeichnet eine elektrostatische Entladung. Sie entsteht, wenn sich elektrische Ladungen zwischen Körpern mit unterschiedlichen Potenzialen ausgleichen.

Menschen nehmen elektrostatische Entladungen häufig erst bei vergleichsweise hohen Spannungen wahr. Empfindliche Halbleiter können dagegen bereits durch deutlich kleinere und für Menschen nicht wahrnehmbare Entladungsereignisse geschädigt werden. Deshalb darf sich ein EMS Dienstleister nicht auf die menschliche Wahrnehmung verlassen.

Die Aufladung entsteht beispielsweise durch:

• Bewegung von Personen
• Reibung unterschiedlicher Materialien
• Abziehen von Schutzfolien
• Transport von Leiterplatten
• Kunststoffbehälter
• Bauteilzuführungen
• Verpackungsmaterialien
• Reinigungsprozesse
• automatisierte Handhabung
• niedrige Luftfeuchtigkeit

Die IEC 61340-5-1 definiert administrative und technische Anforderungen zum Schutz empfindlicher elektronischer Bauteile, Baugruppen und Geräte vor elektrostatischen Erscheinungen. (IEC 61340-5-1:2024)

Warum ist ESD Schutz in der EMS Fertigung wichtig?

Moderne elektronische Bauteile arbeiten mit kleinen Strukturen, niedrigen Betriebsspannungen und hohen Packungsdichten. Dadurch können einzelne Bereiche eines Halbleiters besonders empfindlich gegenüber kurzzeitigen elektrischen Belastungen reagieren.

Ein ESD Ereignis kann unterschiedliche Folgen verursachen:

• sofortiger Ausfall eines Bauteils
• vollständiger Funktionsverlust einer Baugruppe
• latente Vorschädigung
• veränderte elektrische Kennwerte
• sporadische Funktionsstörungen
• verkürzte Lebensdauer
• Ausfall unter Temperatur oder Belastung
• erhöhte Reklamations und Folgekosten

Besonders kritisch sind latente Schäden. Die betroffene Baugruppe kann den Funktionstest zunächst bestehen und erst später beim Kunden ausfallen. Dadurch lassen sich Ursache, Entstehungszeitpunkt und betroffener Prozessschritt oft nur schwer bestimmen.

ESD Schutz ist deshalb nicht nur eine Qualitätsmaßnahme. Er schützt auch Lieferfähigkeit, Zuverlässigkeit und Lebensdauer des elektronischen Produkts.

Welche drei Ebenen des ESD Schutzes müssen unterschieden werden?

Das Human Body Model, kurz HBM, bildet die Entladung eines Menschen auf ein Bauteil nach.

Das Charged Device Model, kurz CDM, betrachtet dagegen die schnelle Entladung eines aufgeladenen Bauteils. CDM Risiken entstehen besonders in automatisierten Handhabungs und Bestückungsprozessen.

Die Prüfung des fertigen Geräts, beispielsweise nach IEC 61000-4-2, bildet eine weitere Ebene. Ein hoher HBM Wert eines Bauteils garantiert keine ausreichende ESD Festigkeit des vollständigen Produkts.

Bei der Bewertung eines ESD Risikos müssen Entwicklung, Einkauf und EMS Fertigung drei Ebenen voneinander trennen.

Schutz des einzelnen Bauteils

Hersteller klassifizieren empfindliche Halbleiter häufig nach standardisierten Prüfmodellen. Dazu gehören vor allem das Human Body Model und das Charged Device Model.

Die Werte beschreiben die Empfindlichkeit eines Bauteils unter den Bedingungen des jeweiligen Prüfverfahrens. Sie sagen jedoch nicht automatisch aus, wie störfest das vollständige Gerät im späteren Einsatz ist.

Schutz der Baugruppe während der Fertigung

Während der EMS Fertigung muss der Dienstleister verhindern, dass empfindliche Bauteile und ungeschützte Baugruppen unzulässigen elektrostatischen Belastungen ausgesetzt werden.

Dazu gehören kontrollierte Bedingungen bei:

• Wareneingang
• Lagerung
• Materialbereitstellung
• SMD Bestückung
• THT Bestückung
• Handlötung
• Prüfung
• Nacharbeit
• Reparatur
• Nutzentrennung
• Verpackung
• Transport

IPC betrachtet ausdrücklich das Handhaben, Lagern und Transportieren ESD empfindlicher Komponenten als Bestandteil eines wirksamen Schutzkonzepts für die Elektronikfertigung.

ESD Festigkeit des fertigen Geräts

Beim fertigen Gerät geht es um die Störfestigkeit gegenüber Entladungen während der vorgesehenen Verwendung. Kritische Stellen können Steckverbinder, Bedienelemente, Gehäuseöffnungen, Displays und andere von außen erreichbare Bereiche sein.

Die Prüfung auf Geräteebene erfolgt typischerweise nach IEC 61000-4-2 oder nach einer produktspezifischen Norm. Sie verfolgt ein anderes Ziel als die HBM und CDM Klassifizierung einzelner Komponenten.

Eine hohe HBM Festigkeit eines Bauteils garantiert deshalb keine hohe ESD Festigkeit des fertigen Geräts. Die EOS/ESD Association weist darauf hin, dass Bauteilprüfungen und Systemprüfungen unterschiedliche Belastungen abbilden und nicht unmittelbar miteinander korrelieren.

Wie schützt ein EMS Dienstleister Baugruppen?

Eine ESD Schutzzone verbindet mehrere Maßnahmen:

• Erdung von Personen und Betriebsmitteln
• ableitfähige Arbeitsflächen und Böden
• geeignete Kleidung, Behälter und Werkzeuge
• Vermeidung unnötiger Isolatoren
• Ionisation nicht erdbarer Materialien
• regelmäßige Messungen und dokumentierte Kontrollen

Auch Lagerung, Nacharbeit, Reparatur und Transport müssen einbezogen werden. Die Anforderungen an geeignete Schutzverpackungen beschreibt die IEC 61340-5-3:2022.

Was kann JORATEC für den ESD Schutz in der EMS Fertigung leisten?

JORATEC stimmt ESD Anforderungen bereits vor dem Serienstart mit dem Kunden ab. Dazu gehören Bauteilempfindlichkeit, kontrollierte Verarbeitung, Prüfung, Nacharbeit und Verpackung.

Wenn JORATEC empfindliche Komponenten frühzeitig kennt, dann kann das Unternehmen geeignete Maßnahmen einplanen. Wenn Entwicklung, Einkauf und Fertigung gemeinsam handeln, dann entsteht ein durchgängiges ESD Schutzkonzept.

Häufige Fragen zu ESD Schutz in der EMS Fertigung

ESD Fehler schwer zu analysieren. Ein harter Ausfall lässt sich häufig leichter lokalisieren als eine latente Vorschädigung. Das Bauteil kann äußerlich unauffällig bleiben und zunächst weiterhin funktionieren.

Mögliche Fehlerbilder sind:

• erhöhte Leckströme
• verschobene Schaltschwellen
• sporadische Kommunikationsfehler
• reduzierte Belastbarkeit
• temperaturabhängiges Verhalten
• steigende Ausfallwahrscheinlichkeit
• vollständiger Ausfall nach weiterer Belastung

Hinzu kommt die Abgrenzung gegenüber Electrical Overstress. EOS beschreibt eine elektrische Überlastung, die beispielsweise durch Überspannung, Fehlpolung, Überstrom oder ein ungeeignetes Prüfmittel entstehen kann. ESD und EOS können ähnliche Schadensbilder erzeugen, obwohl die Ursachen und zeitlichen Verläufe unterschiedlich sind.

Eine belastbare Fehleranalyse verbindet deshalb Prozessdaten, elektrische Messungen und technische Untersuchungen. Die EOS/ESD Association behandelt die Analyse und Abgrenzung von ESD und EOS Schäden auf Bauteil, Baugruppen und Systemebene.