Nahezu alle elektronischen, elektrischen, und optoelektronischen Bauelemente zählen zu den ESD-empfindlichen Bauelementen (ESDS, engl. electrostatic discharge sensitive). Zum Schutz vor einer Beschädigung bzw. Zerstörung der empfindlichen Bauelemente ist ein effektiver ESD-Schutz notwendig. Dieser ist in der DIN EN Normenreihe 61340 beschrieben und hat in den letzten Monaten einige interessante Neuerungen erfahren.

Einleitung

Der Schutz elektronischer Bauelemente vor den Gefahren einer elektrostatischen Entladung ist aus der zuverlässigen Elektroindustrie nicht mehr wegzudenken. Viel zu groß sind die Gefahren einer Beschädigung der sensiblen elektronischen Produkte und ein damit verbundener großer betriebswirtschaftlicher Schaden. Durch alltägliche Bewegungsabläufe laden sich ungeschützte Mitarbeiter im Produktionsumfeld schnell auf Spannungen von mehreren tausend Volt auf. Auch ungeeignete Materialien und Arbeitsflächen stellen ebenso ein unkalkulierbares Risiko dar und laden sich unbemerkt hoch auf. Eine unkontrollierte Entladung der Personen oder Gegenstände auf die empfindlichen Bauelemente beschädigt die inneren Strukturen und führt damit zu einer verkürzten Lebensdauer, Frühausfälle und Fehlfunktionen. Typischerweise fallen beschädigte Bauelemente jedoch nicht sofort aus. Durch die Schwächung der Strukturen sind die betroffenen Komponenten nicht mehr für eine Dauerbelastung geeignet und fallen Tage, Wochen oder auch erst Monate später aus. Zu diesem Zeitpunkt sind die Produkte in der Regel bereits beim Kunden im Einsatz. Die mangelhafte Produktqualität ist damit für den Endkunden direkt sichtbar und erzeugt neben den Reparaturkosten noch zusätzliche hohe Aufwände, Imageschäden und Frust beim Endkunden. Mit steigender Komplexität und MiniaturisieAusfallrate ESD-Schadenrung der Halbleiterbauelemente werden auch die Leiterbahnstrukturen der Komponenten kleiner und es können bereits bei Spannung unter 100 Volt erste Schäden auftreten. Für den Menschen wahrnehmbar sind hingegen elektrostatische Entladungen erst ab einem Potential von ca. 3.000 Volt, in dessen Folge über 90 % der elektrischen Entladungen vom Menschen nicht wahrgenommen werden. Auch sind die entstandenen Schäden nur mit großem technischem Aufwand nachweisbar, so dass die Gefahren durch mangelnden ESD-Schutz nur schwer zu greifen sind. Eine Auswertung eines Halbleiterherstellers hat jedoch ergeben, dass etwa ein Viertel der defekten Bauelemente einen ESD-Schaden vorweisen.

ESD-Schutz ist in der Normenreihe Din EN 61340 zu finden

Für eine gleichbleibende hohe Produktqualität ist ein professioneller ESD-Schutz notwendig, welcher in Deutschland in der Normenreihe DIN EN 61340 beschrieben ist. Die ausgewählten ESD-Schutzmaßnahmen müssen jedoch auf Ihr Produkt und Ihr Umfeld abgestimmt sein, um einen wirksamen ESD-Schutz bei gleichzeitig geringen Kosten zu gewährleisten. Die Normenreihe besteht aus insgesamt 18 einzelnen Dokumenten, welche die unterschiedlichen Messverfahren beschreiben. Das für den Anwender wichtigste Dokument ist die DIN EN 61340-5-1, welches die allgemeinen Anforderungen und gültigen Grenzwerte beschreibt sowie auf das jeweils gültige Prüfverfahren verweist.

Neuerungen DIN EN 61340-5-1; Juli 2017

Nachdem auf internationaler Ebene bereits im Mai 2016 die neue Ausgabe der IEC 61340-5-1 herausgegeben wurde, ist nun auch das Deutsche Institut für Normung (kurz DIN) dem nachgekommen und hat die DIN EN 61340-5-1 einer Aktualisierung unterzogen.

Die für den Anwender bedeutendsten Anpassungen sind wohl in den Tabellen 2 und 3 zu finden, welche die gültigen Grenzwerte und Prüfmethoden für die ESD-Kontrollelemente (z.B. Arbeitsoberflächen, Bekleidung und ESD-Boden) vorgibt. Hier wurden in der neuen Ausgabe Grenzwerte harmonisiert und für das Handgelenkserdungsband, Sitzgelegenheiten, Bekleidung und Ionisatoren weiter verschärft. Gerade die Verschärfung der Grenzwerte bei den Sitzgelegenheiten und Bekleidungen kann zur Auswirkung haben, dass bei einzelnen in die Jahre gekommenen Sitzgelegenheiten und Bekleidungsartikel Schwierigkeiten auftreten können, diese Anforderungen zu erfüllen.

Auch die Anforderungen an den ESD-Boden wurden verändert. In der neuen Ausgabe wird nun nicht nur der obere Grenzw

ert für den Ableitwiderstand vorgegeben, sondern auch das Thema Körperspannung steht nun im Fokus. Wo in der alten Ausgabe noch eine einfache Widerstandsmessung ausreichte und der sogenannte Walking Test (Begehtest), also die Messung der Körperspannung beim Laufen über den ESD-Boden, nur bei höheren Ableitwiderstandswerten Pflicht war, ist er nun fester Bestandteil. Als Folge benötigen nun die Unternehmen, welche bisher nur ein Hochohmmeter besitzen, noch ein weiteres Messgerät zur Ausführung des Walking Tests.

Neben den gültigen Grenzwerten wurde auch inhaltlich an der DIN EN gearbeitet. Die Anforderungen an das ESD-Kontrollprogramm haben ein neues Kapitel für die Produktqualifizierung erhalten. Zukünftig müssen Unternehmen alle ESD-Kontrollelemente, welche ausgewählt wurden, qualifizieren und diese Produktqualifizierung dokumentieren. Mit dem neuen Kapitel sollen die unterschiedlichen Qualifizierungsbedingungen der Hersteller vereinheitlicht werden. Produkte, welche unter günstigen Umweltbedingungen wie einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit qualifiziert wurden, hatten in der Vergangenheit die Grenzwerte, unter kritischen Einsatzbedingungen wie einer geringen relativen Luftfeuchtigkeit, nicht einhalten können. Mit den neuen Anforderungen sind hier klare Qualifizierungsbedingungen vorgegeben.

Für die Produktqualifizierung stehen den Unternehmen vier Verfahren zur Auswahl:

  • Produktdatenblätter des Herstellers
  • Prüfberichte eines unabhängigen Labors
  • Interne Prüfberichte eines unabhängigen
  • Für bereits installierte ESD-Kontrollelemente reicht eine laufende Aufzeichnung der vergangenen Kontrollmessungen als Nachweis.

Welches Verfahren ausgewählt wird, bleibt den Unternehmen überlassen. In dem ausgewählten Dokument müssen die ermittelten Grenzwerte sowie das verwendete Prüfverfahren enthalten und die Mindestforderungen der IEC Normen erfüllen.

Ein weiteres Thema, welches mehr in den Fokus gerückt ist, sind mögliche Isolatoren und Quellen für elektrostatische Felder in den Schutzbereichen. Hier sind nun eindeutige Grenzwerte und Mindestabstände definiert worden. Gerade die neuen Vorgaben für die Isolatoren helfen den Anwendern, isolierende Materialien, welche jedoch für den Fertigungsprozess notwendig sind, auf ihr Risiko einzuschätzen.

Als letzte große Änderung für den Anwender erhält nun auch die relative Luftfeuchtigkeit ein gutes Stück mehr an Bedeutung in den ESD-Kontrollprogrammen. In vielen Unternehmen ist die relative Luftfeuchtigkeit nicht über eine Klimasteuerung konstant und unterliegt damit einer saisonalen Schwankung. Gerade im Winter erreicht die relative Raumluftfeuchtigkeit durch die Heizungen einen oft sehr geringen Wert. Da eine niedrige Luftfeuchtigkeit sich negativ auf die Leitfähigkeit von Materialien auswirken kann, wird nun durch die DIN EN 61340-5-1 gefordert, dass ein Teil der zyklischen Messungen auch zu diesem Zeitpunkt stattfinden sollen.

Mit der Veröffentlichung der neuen Ausgabe gilt es nun für die Anwenderunternehmen die Änderungen der DIN EN 61340-5-1 zu bewerten und in ihren unternehmensspezifischen ESD-Kontrollprogrammen einzuarbeiten und umzusetzen. Für die Umsetzung der neuen Anforderungen haben die betroffenen Unternehmen jedoch bis zum 19.11.2019 Zeit, solange behält die alte Ausgabe nämlich noch Ihre Gültigkeit.

Weitere Änderungen in der NormenreiheESD Risiko durch elektrostatische Aufladung

Neben der Neuauflage der DIN 61340-5-1 im letzten Jahr ist nun auch die gültige Vorschrift für das Prüfverfahren von Ionisatoren aktualisiert worden. Die DIN EN 61340-4-7 ist seit dem Januar 2018 veröffentlich und für die Anwender von Ionisationsgeräten interessant.

Und auch bei dem Schuhwerk wird es in absehbarer Zeit eine Änderung der gültigen DIN EN Norm geben. Das international gültige IEC Dokument 61340-4-3 ist in englischer und französischer Sprache neu veröffentlicht worden, was vermuten lässt, dass auch das Deutsche Institut für Normung mit ihren Vorschriften in naher Zukunft diesen Änderungen folgen wird.

Fazit

Die Bewegungen im Bereich der gültigen Normen für den ESD-Schutz stellen die Unternehmen vor neue Herausforderungen, die es nun zu bewältigen gilt. Die Anpassungen müssen von den Unternehmen bewertet und im firmenspezifischen ESD-Kontrollprogramm umgesetzt werden, was natürlich Personalressourcen bindet, teilweise müssen aber auch Investitionen in neues Messequipment getätigt und Mitarbeiter im deren Umgang geschult werden. Neben den Investitionen in das Messequipment werden auch die einen oder anderen in die Jahre gekommenen Stühle oder ESD-Bekleidungsartikel einem Nachfolger Platz machen müssen, was den einen oder anderen Nutzer positiv stimmen wird.

Auch wenn der Einführungszeitraum bis Ende 2019 noch lange erscheint, wird es in einigen Unternehmen erfahrungsgemäß kurz vor Ende der Frist hektisch werden. Die Auswirkungen strecken ihre Fühler nicht nur in die Produktionsprozesse aus, sondern betreffen auch viele Randprozesse wie den Einkauf von Produktionsmitteln.

Für einige ESD-Verantwortliche liefern die Änderungen nun auch die Argumente welche schon lange gesucht wurden um grenzwertige Kontrollelemente nun endgültig in den Ruhestand zu schicken oder um beim Beschaffungsprozess mehr Gehör zu finden. Egal von welcher Seite man die Änderungen betrachtet, sie werden die ESD-Welt noch einige Zeit beschäftigen.

 

Dieser Artikel wurde in der SMT 01/2018 veröffentlicht