ESD-Kontrolle nachweisen: Ladung, Luftfeuchte und Ionisatorleistung messen

Ein ESD-Schutz, der nur auf dem Papier steht, hilft im Audit wenig. ESD-Koordinatoren und Qualitätsingenieure in der Elektronikfertigung müssen zeigen können, dass Leiterplatten, Bauteile und Werkzeuge unter dem Grenzwert des Werks bleiben und dass jeder Ionisator noch arbeitet. Dieser Beitrag behandelt die Messung als Nachweis: auf dem Rundgang, vor der Schicht, dauerhaft in geschlossenen Anlagen und als Dokument. Warum man vor dem Entladen misst und wie eine Ladungslandkarte entsteht, beschreibt der Beitrag zur statischen Aufladung im Verpackungsdruck. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; die meisten sind Anfragen, Rundgänge und geplante Versuche.

Wichtige Punkte im Überblick

Audits fragen selten, ob ein Ionisator vorhanden ist, sondern ob er wirkt und ob sich das zeigen lässt.
Ein geladenes Kunststoffteil in der Nähe einer Leiterplatte lädt die Platine durch elektrostatische Induktion auf, auch wenn der Werker geerdet ist.
Ladung und Luftfeuchte werden am selben Ort und zur selben Zeit gemessen, weil die Feuchte im selben Raum nicht überall gleich ist und nahe wärmeren Anlagen oft niedriger liegt.
Ob ein Ionisator noch arbeitet, zeigen Abklingzeit und Ionengleichgewicht, die das Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK-H mit der separat erhältlichen Ionisator-Überwachungseinheit misst.
Der Nachweis entsteht in zwei Schichten: Das Protokoll des Ionisators zeigt, dass das Gerät lief, die Messung am Objekt zeigt, dass die Leiterplatte tatsächlich entladen ankam.

Das Audit fragt nach dem Beleg: Werkzeuge, Arbeitsplätze, Anlagen

Audits fragen selten, ob ein Ionisator vorhanden ist. Sie fragen, ob er wirkt und ob sich das zeigen lässt. Ein Beispiel aus dem Hauptartikel: In einem Betrieb müssen Sonderwerkzeuge, die keine ESD-Werkzeuge sind, laut Audit gemessen werden.

Ähnliche Fragen kommen aus anderen Ecken der Elektronikfertigung. Der ESD-Verantwortliche eines Betriebs für Steckverbinder interessiert sich für ein Messgerät; ihm gefiel vor allem, dass die Geräte ihre Werte visualisieren. In einem Projekt zur Kontaktierung von Steckverbindern wird ein Messgerät gewünscht. In einer neuen Linie, die Kompressoren mit eigener Steuerelektronik fertigt, ist ein einfaches Feldmessgerät schon vorhanden, und in einer zugelieferten Maschine ist bereits ein Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700 verbaut.

Daraus ergeben sich drei Messorte, die ein Auditplan abdecken sollte: das Werkzeug und der Arbeitsplatz, an dem der Werker die Leiterplatte berührt; die Anlage, in der Teile ohne Hand bewegt werden; und der Ionisator selbst. Für jeden Ort braucht es ein anderes Messmittel. Eine Normaussage ist damit nicht verbunden; welche Grenzwerte gelten, legt Ihr Werk fest.

Rundgang mit dem Handmessgerät: wo Leiterplatten geladen sind

Ein Rundgang mit dem Handmessgerät zeigt, wo die Ladung tatsächlich sitzt. In dokumentierten Anwendungen wurden dabei bis zu etwa 4 kV an Leiterplatten beim Bestücken und bei der Arbeit an der Platine gemessen. In einer Leiterplattenmontage zeigte ein Teil rund 3 kV, ein anderes rund 500 V. Bei einem Hersteller von Wärmepumpen lagen Platinen über 160 V, obwohl ESD-Matten und Erdungsbänder vorhanden sind.

Der letzte Fall zeigt eine Grenze der Erdung. Ein geladenes Kunststoffteil in der Nähe einer Leiterplatte lädt die Platine durch elektrostatische Induktion auf, auch wenn der Werker geerdet ist; laut einem Technical Guide von KEYENCE kann das selbst bei geerdeten Leitern geschehen. Berührt die Platine danach etwas Leitfähiges, entlädt sie sich. Erdung leitet ab, was Kontakt hat; den Nichtleiter daneben erreicht sie nicht. Deshalb gehören Erdung und Ionisator zusammen, und der Rundgang misst beide Seiten: die Platine und die Teile um sie herum.

Das Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK-H eignet sich für solche Rundgänge. Zwei Laser-Pointer helfen laut Katalog, den optimalen Messabstand zu finden, sodass Messungen an verschiedenen Stellen vergleichbar bleiben. Notieren Sie zu jedem Wert Ort, Arbeitsschritt und Uhrzeit. Ein Wert ohne Arbeitsschritt sagt im Audit wenig.

Ladung und Luftfeuchte zugleich: warum der Winter zählt

Ladung hängt an der Luftfeuchte. Der Hauptartikel nennt einen Betrieb mit fast nur Handarbeitsplätzen, in dem ESD-Defekte selten und dann im Winter bei niedriger Luftfeuchte auftreten. Ein Messwert vom Sommer belegt deshalb wenig über den Januar.

Die Modellreihe SK-H misst laut Katalog Ladung und Luftfeuchte zugleich, im Bereich von 10 bis 85 % relativer Feuchte. Über etwa 60 % relativer Feuchte ist statische Aufladung laut Katalog weniger wahrscheinlich. Wichtig für den Nachweis: Die Feuchte ist im selben Raum nicht überall gleich und nahe an Fertigungsanlagen, die wärmer laufen, oft niedriger. Ein Hygrometer an der Wand sagt deshalb wenig über die Feuchte an der Werkbank.

Auch eine vorhandene Befeuchtung ersetzt die Messung nicht. In einer Endmontage mit Befeuchtung sollen die Ergebnisse einer Flächenionisierung trotzdem für die interne Dokumentation und das Audit aufgezeichnet werden. Messen Sie Ladung und Feuchte am selben Ort und zur selben Zeit, und wiederholen Sie die Messung in der trockenen Jahreszeit.

Arbeitet der Ionisator noch? Abklingzeit und Ionengleichgewicht vor der Schicht

Ein Ionisator kann laufen und trotzdem nachlassen. Zwei Kennwerte zeigen das: die Abklingzeit, also wie schnell er eine definierte Ladung abbaut, und das Ionengleichgewicht, also ob er selbst eine Restladung erzeugt. Eine Schichtprüfung an Handarbeitsplätzen beschreibt bereits der Hauptartikel.

Mit der separat erhältlichen Ionisator-Überwachungseinheit misst das Messgerät der Modellreihe SK-H beide Werte. Das Ionengleichgewicht erfasst es laut Katalog im Bereich von ±1 kV mit einer Genauigkeit von ±10 V innerhalb von ±100 V. In einer Qualitätsabteilung, die mehrere Anlagen zum Bestücken von Chips betreut, wird die Aufladung regelmäßig gemessen; die vorhandenen Ionisatoren werden dort halbjährlich gewartet, und das Interesse gilt Messgerät und Überwachungseinheit. Ein Betrieb mit Reinigungsanlagen für Wafer interessiert sich für das Messgerät mit derselben Überwachungseinheit.

Für den Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700 nennt der Katalog eine automatische Reinigung von Elektroden und Bürsten mit Selbstdiagnose; unter normalen Betriebsbedingungen ist er laut Katalog wartungsfrei. Ein Feedback-Sensor hält das Ionengleichgewicht laut Katalog bei ±1 V und misst Temperatur und Feuchte im Wirkbereich. Die Schichtprüfung mit dem Handgerät bleibt trotzdem der unabhängige Beleg.

Wenn die Anlage geschlossen ist: Inline-Messkopf statt Handgerät

Das Handgerät erreicht nicht jede Stelle. Der Hauptartikel beschreibt eine Fräsanlage für Leiterplatten, deren Ionisatoren erst bei geschlossener Maschine starten; dort entstand die Idee fester Messköpfe, an die zum Audit eine Auswerteeinheit angeschlossen wird.

Das Inline-Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK ist laut Katalog für kontinuierliche Messung ausgelegt. Der Messkopf passt in enge Bauräume, das Auswertegerät lässt sich getrennt davon installieren. Der Referenzabstand beträgt 25 mm im Hochpräzisionsmodus mit ±2 kV oder 100 mm im Weitbereich mit ±50 kV; kann der Kopf nicht im Referenzabstand sitzen, passt ein Korrekturwert die Anzeige an. Bis zu acht Auswertegeräte lassen sich kombinieren, das spart Verdrahtung bei mehreren Messstellen. Für die Überwachung des Ionengleichgewichts braucht die Modellreihe eine Option.

Vor und hinter dem Ionisator gesetzt, zeigt das Messgerät laut Katalog die Wirkung über die Zeit, nützlich bei Installation, Umstellung und regelmäßiger Inspektion. Der Katalog nennt auch den Grund für die dauerhafte Messung: Findet eine monatliche Prüfung einen Wert außerhalb der Grenze, bleibt offen, seit wann er dort lag. In einer Abschlussarbeit soll mit diesem Messgerät die Aufladung im Inneren von Bestückungsautomaten untersucht werden.

Messdaten als Dokument: Protokoll des Ionisators und Feldbus

Ein Audit verlangt Werte über einen Zeitraum, nicht einen Augenblick. Der Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700 speichert laut Katalog Ionenpegel, Luftstrom und Fehlerstatus im internen Speicher, mit Feedback-Sensor auch Ionengleichgewicht, Temperatur und Luftfeuchte. Die Daten lassen sich später auslesen, ohne dass dauerhaft ein PC oder eine Steuerung angeschlossen ist. Über eine Software lassen sich laut Katalog bis zu 100 Geräte von einem PC aus überwachen.

In der Anwendungspraxis wird dieses Protokoll ausdrücklich als Auditthema genannt. Ein Konstrukteur für Halbleiteranlagen bezeichnet die Prozessdaten des Ionisators als interessantes Thema für Audits. Ein Elektronikentwickler fragt nach einer Inline-Messung mit EtherCAT; der Katalog führt EtherCAT unter den Ausgabeoptionen der Modellreihe SK.

Damit entsteht ein Nachweis in zwei Schichten. Das Protokoll des Ionisators zeigt, dass das Gerät lief und im Gleichgewicht war. Die Messung am Objekt, mit dem Handgerät oder dem Inline-Kopf, zeigt, dass die Leiterplatte tatsächlich entladen ankam. Legen Sie beide Quellen im selben Auditordner ab, mit Ort, Datum und Grenzwert Ihres Werks.

Häufige Fragen

F Welche Messwerte gehören in einen ESD-Nachweis?

In der Anwendungspraxis sind es die Ladung an Leiterplatten, Bauteilen und Werkzeugen, die Luftfeuchte am Arbeitsplatz sowie Abklingzeit und Ionengleichgewicht jedes Ionisators. Welche Grenzwerte gelten, legt Ihr Werk fest. Eine Normaussage ist mit der Messung allein nicht verbunden.

F Wie oft sollte ein Ionisator geprüft werden?

Dokumentierte Anwendungen reichen von einer Prüfung vor jeder Schicht bis zu einer halbjährlichen Wartung. Der Katalog der Modellreihe SK weist darauf hin, dass eine monatliche Prüfung offenlässt, seit wann ein Wert außerhalb der Grenze lag. Wo das zählt, ist eine dauerhafte Messung die Alternative.

F Wann reicht ein Handmessgerät nicht mehr aus?

Wenn die Ionisatoren nur bei geschlossener Anlage laufen oder die Messstelle nicht zugänglich ist. Dann sitzt ein Inline-Messkopf fest in der Anlage, das Auswertegerät außerhalb.

F Wie nah muss der Messkopf am Objekt sitzen?

Beim Inline-Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK beträgt der Referenzabstand laut Katalog 25 mm im Hochpräzisionsmodus oder 100 mm im Weitbereich. Kann der Kopf nicht im Referenzabstand sitzen, gleicht ein Korrekturwert die Anzeige an.

F Lassen sich Messwerte an die Steuerung übertragen?

Der Katalog nennt EtherCAT unter den Ausgabeoptionen der Modellreihe SK. Der Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700 speichert seine Betriebsdaten zusätzlich im internen Speicher, sodass sie sich später ohne dauerhafte Verbindung auslesen lassen.

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