ESD-Schutz
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ESD-Schutz
ESD-Schutz Voraussetzung für den erfolgreichen Aufbau zuverlässiger elektronischer Systeme Hans-Joachim Günther, ESD-Consult&Service Dr.-Ing. Bernd Schildwach, Ing.-Büro QUAPRO 14.08.2012, FED-Regionaltreffen Berlin © Copyright by Der Physiker sagt: ESD-Schutz ist ganz einfach… 1. Vermeidungen von Aufladungen, die mit ihrem Spannungswert ein Bauelement gefährden können. 2. Sicherung einer langsamen Entladung, so dass die dabei entstehende Stromstärke keine Schäden verursacht. Der Praktiker weiß: Das Radfahren ist auch ganz einfach: Treten, Treten und Lenken. Aber wie lange benötigt mancher dies zu beherrschen? © Copyright by Triboelektrizität - - + + + + + + + + d1 = 1nm d = 0,1m U1 = 1 mV U1 > 1 kV U=Q/C C = ε * A/d U= Q*d ε*A C = Kapazität; Q = Gesamtladung; U = Spannung ε = Dielektrizitätskonstante; A = Berührungsfläche; d = Abstand © Copyright by Einflussfaktoren für Triboelektrizität AAbstandstand Gesamtladung Q*d U = ε*A Material (Cohn´sche Tabelle) Berührungsfläche („Klar“-sichthüllen)) Weitere Faktoren: o Reibung (Triboelektrizität=„Reibungselektrizität“) o Anpressdruck o Trenngeschwindigkeit © Copyright by + positiv negativ - Aufladung Cohn´sche Tabelle Luft Menschlicher Körper Glas Menschliches Haar Nylon Wolle Seide Aluminium Papier Baumwolle Eisen Holz Hartgummi Nickel Kupfer Messing Silber Gold Platin Kunstseide Polysteren Polyester … Silizium Mensch und Umfeld © Copyright by Influenz Polarisation eines elektrisch leitfähigen Körpers, der sich isoliert in einem elektrostatischen Feld befindet ----- ++ ++ --- ++ ++ ++ ---- nach Verlassen des elektrostatischen Feldes gleichen sich die Ladungen wieder aus -+ ++ ++ ++ ++ © Copyright by +- -+ -+ -+ +-+ -+ +-+ Risiko durch Influenz bei kurzzeitiger Erdung wird die positive Ladung nach Verlassen des elektrostatischen Feldes durch den Erdkontakt ausgeglichen überwiegen die negativen Ladungsträger ----- ------ ++ ++ ++ ++ © Copyright by - - - - Einfluss der Luftfeuchte A: Laufen auf einer Gummimatte B: Aufnehmen eines Plastikbeutels von der Werkbank C: Laufen auf einem Vinyl-Boden über eine Entfernung von 6m D: Aufstehen von einem Stuhl © Copyright by Relative Luftfeuchte Rel. Luftfeuchte innen RH2 [%] (Innentemperatur: 22°C) 50 Molliérdiagramm 20°C 40 30 25 20 10°C 0°C 10 -10°C 10 20 30 Rel. Luftfeuchte außen RH1 [%] © Copyright by 40 50 Das Risiko Energieempfindlichkeiten mJ 10 Störungs-/Zerstörungsenegie in mJ r min/ max-Schwelle 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 ) © Copyright by Das Risiko ESD-Häufigkeiten und Risikobereiche (Entwicklungsumgebung) 36 % 28 20 8 0-0,5kV 0,5 -1,0 1,0-1,7 5 1,7-3,0 3,0-5,0 2 1 5,0-8,0 >8,0 kV MOSFET JFET BIPOL. TRS. SCHOTTKY-TTL CMOS 90% Wahrnehmungsschwelle Quelle: Baumgärtner/Gärtner „ESD-Elektrostatische Entladungen“ © Copyright by 10% 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 wirksamer S20.20-2007 Maßnahmen Durchsetzung für den durchgängigen ESD-Schutz © Copyright by Referenzen DIN EN 61340-2-1:2003, Elektrostatik, Messverfahren – Fähigkeit von Materialien und Erzeugnissen, elektrostatische Ladungen abzuleiten DIN EN 61340-2-3: 2000, Elektrostatik, Prüfverfahren zur Bestimmung des Widerstandes und des spezifischen Widerstandes von festen planen Werkstoffen, die zur Vermeidung elektrostatischer Aufladungen verwendet werden. DIN EN 61340-3-1:2003 Elektrostatik, Verfahren zur Simulation elektrostatischer Entladungen – Human Body Model (HBM) – Bauelementeprüfung DIN EN 61340-3-2:2003 Elektrostatik, Verfahren zur Simulation elektrostatischer Entladungen – Machine Model (MM) - Bauelementeprüfung © Copyright by Voraussetzungen Geltungsbereich ESDSchutzprogrammPlan Ziele Zum Beispiel: - Erarbeitung neuer Vorschläge zur Gestaltung des ESD-Schutzes oder - Realisierung und Durchsetzung der notwendigen Maßnahmen zum ESD-Schutz ? ESDSchutzprogramm Welche Geschäftsstellen? Welche Bereiche? Welche Prozesse? Welche Verantwortungsbereiche? © Copyright by Von der Norm empfohlene Inhalte eines ESDSchutzprogramm Planung der Anforderungen an: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Schulungsplan Überprüfung der Einhaltung Erdungs-/Anschlusssysteme Personenerdung Schutzzonenanforderungen Verpackungssysteme Kennzeichnungen © Copyright by Das Risiko Aufladungen lassen sich in Arbeitsprozessen nicht vermeiden, jedoch schädigende Potenzialunterschiede, die zu ESD führen können. Es muss ein gelenkter Potenzialausgleich realisiert werden, der sichert, dass die Entladung nicht über gefährdete elektronische Bauelemente erfolgt und dabei die Geschwindigkeit der vorhandenen Arbeitsprozesse beachtet. © Copyright by Das Risiko Schutzmaßnahmen, die wir heute treffen, können bereits morgen durch Technologieentwicklungen unwirksam sein. Entwicklung von Halbleiterstrukturen 1985: 1500nm 1990: 700nm 1998: 200nm 2000: 130nm 2002: 90nm 2005: 65nm 2007: 45nm 2008: 32nm 2010: 28nm 2012: 20nm © Copyright by Projektlebenszyklus zum Aufbau und kontinuierlichen Verbesserung eines ESD-Schutzprogramms 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes 2. Phase: Analyse des SOLL-Zustandes 3. Phase: Konzeption einer nachhaltigen und angemessenen ESDgeschützten Handhabung von elektronischen Bauelementen 4. Phase: Beschaffung, Realisierung, Sicherung der ESD-Schutzmaßnahmen durch das QM-System 5. Phase: Schulung, Training, Motivation des Personals 6. Phase: kontinuierliche Verbesserungen, Analysen, Audits © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Analyse im geplanten Geltungsbereich Entwicklung, Design Material, elektr. Komponenten Beschaffung Fertigung Prüfung Lagerung, Vertrieb Schwachstellen, Fehlerquellen-Analyse, z.B.: Wo sind ESDS-gefährdende Prozesse vorhanden? Sind die Schutzmaßnahmen ausreichend? © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes • Analyse aller verwendeten elektronischen Bauelemente / Baugruppen • Analyse der Kenntnisse des Personals • Analyse der Technologien und Abläufe • Analyse bereits vorhandener ESD-Schutzmaßnahmen und deren Wirksamkeit • Analyse von bereits aufgetretenen Fehlern • Analyse des notwendigen „Publikumsverkehrs“ © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes • Welche elektronischen Bauelemente werden im Geltungsbereich gehandhabt ? (beschafft/transportiert/verarbeitet/bestückt/gemessen/getestet/verpackt) • Wo, an welchen Arbeitsplätzen 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 Tätigkeiten bekannt? © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Human Body Model Klasse 0 1A 1B 1C 2 3A 3B Spannungsbereich < 250V 250V bis < 500V 500V bis < 1.000V 1.000V bis < 2.000V 2.000V bis < 4.000V 4.000V bis < 8.000V > 8.000V Quelle: IEC 61340-3-1:2002 © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Human Body Model Klasse 0 1A 1B 1C 2 3A 3B Spannungsbereich < 250V 250V bis < 500V 500V bis < 1.000V 1.000V bis < 2.000V 2.000V bis < 4.000V 4.000V bis < 8.000V > 8.000V Quelle: IEC 61340-3-1:2002 © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Charge Device Model Klasse C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 Spannungsbereich < 125V 125V bis < 250V 250V bis < 500V 500V bis < 1.000V 1.000V bis < 1.500V 1.500V bis < 2.000V > 2.000V © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes Spannungsempfindlichkeitsklassen nach ESD Association Machine Model Klasse M1 M2 M3 M4 Spannungsbereich < 100V 100V bis < 200V 200V bis < 400V > 400V Quelle: IEC 61340-3-2:2002 © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit ESD-Schutzklassen: 1C, M2, C4 © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit Klasseneinteilung für ESD-Empfindlichkeiten Achtung: Es gibt unterschiedliche Klassenbenennungen! © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit und Klasseneinteilung nach ESDA 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 © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit, Klasseneinteilung nach ESA © Copyright by 1. Phase: Analyse des IST-Zustandes ESD-Empfindlichkeit und Klasseneinteilung nach ESA - 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 (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. Quelle: ESA/SCC Basic Specification No. 23800 © Copyright by 2. Phase: Analyse des Sollzustandes • Welche Prozesse müssen aus der IST-Analyse geändert werden? • Welche Prozesse sind für eine Neueinführung geplant und welche Arbeitsgeschwindigkeiten haben die neuen Prozesse? • Welche Ableitwiderstände müssen erreicht werden? • Welche neuen Bauelemente werden für 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 schützenden Prozessen eingesetzt? © Copyright by 3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes Handhabung von elektronischen Bauteilen in den Prozessen Der Schutzgrad richtet sich nach den Bauteilen und Prozessschritten Basis-ESD-Schutzprogramm könnte beinhalten: A. Geerdete Arbeitsoberfläche, B. Personal, geerdet mit einem Handgelenkerdungsband, C. ESD-Schutzverpackung, um ESDS von einem Prozess zum nächsten zu transportieren, Komplexes-ESD-Schutzprogramm könnte beinhalten: A. Geerdete Arbeitsoberfläche, B. Personal, geerdet über ein permanent überprüftes Handgelenkerdungsband, C. Personal, geerdet über ESD-Schuhwerk und leitfähiger Fußboden, D. Personal, das geerdet ESD-Kittel trägt, E. Ionisation an jedem Arbeitsplatz © Copyright by 3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes Anzustrebender Wertebereich © Copyright by 3. Phase: Konzeption des ESD-Schutzes Quelle: Karl H. Helling, Elektrostatik Institut Berlin © Copyright by 4. Phase: Realisierung Thesen: 1. Es gibt keinen allgemeinen ESD-Schutz. 2. Schutzmaßnahmen müssen in Abhängigkeit 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 müssen 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 Produktqualität sind Bestandteil des Qualitätsmanagementsystems. © Copyright by 4. Phase: Realisierung Integration des ESD-Schutzes in das Qualitätsmanagementsystem der Organisation Forderung der DIN EN 61340-5-1:2008 Jedes Unternehmen entwickelt sein - eigenes, - unternehmensspezifisches und - mit dem betrieblichen QMS konformes ESD-Schutzprogramm. © Copyright by 4. Phase: Realisierung DIN EN ISO 9001:2008 Klärung der Verantwortlichkeiten durch die „Oberste Leitung“: - Einführung der Schutzvorkehrungen nach DIN EN 61340-5-1, - Einsetzen des ESD-Schutzbeauftragten ESD-Schutzbeauftragter: - Verantwortlich für 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. © Copyright by 4. Phase: Realisierung Angemessenheit der anzufertigenden QM-Darlegungen DIN EN ISO 9001:2008 (Umfang, Darstellungstiefe, Art der Darstellung, Sprache, Formulierungen) QMHandbuch ESD-SchutzProgramm ProzessBeschreibungen AA 01 AA 02 AA 03 © Copyright by 4. Phase: Realisierung Zertifikat Schaffung von Vertrauen durch eine Zertifizierung des QM-Systems: Nachweis und Bestätigung der Qualitätsfähigkeit von Lieferanten in Übereinstimmung mit einer Referenznorm durch eine unabhängige „Stelle“ © Copyright by 5. Phase: Schulung, Training, Motivation des Personals Die Kenntnisse und Motivation des Personals sind die Grundlage für die Akzeptanz der festgelegten Handhabungs- und Prozessschritte. Die kompetente Mitwirkung des Personals ist eine Voraussetzung zur Aufrechterhaltung und kontinuierliche Verbesserung der ESDSchutzfähigkeit unter Beachtung der Wirtschaftlichkeit. Schulungsplan © Copyright by ESD-Schutzmanagement mit Zertifizierung Nächster Termin: 16.-18.10.2012 in Erlangen © Copyright by