ESD-Schutz in der Elektronik- und Halbleiterfertigung: Leiterplatten, Bauteile und Wafer vor elektrostatischer Entladung schützen

Eine Leiterplatte, die eine Entladung abbekommen hat, sieht aus wie jede andere. Der Schaden zeigt sich später, beim Prüfen oder erst beim Kunden. ESD-Koordinatoren, Qualitätsingenieure und Prozessverantwortliche in der Elektronikmontage, in SMT-Linien und in der Halbleiterfertigung fragen deshalb drei Dinge: wo im Ablauf Ladung entsteht, welcher Ionisator an diese Stelle passt und wie sich belegen lässt, dass der Schutz wirkt. Dieser Leitfaden folgt den Orten, an denen Elektronik gehandhabt wird: der Handarbeitsplatz, die Linie mit Anlage und Prüfer, der Reinraum. Er endet beim Nachweis. Die Beispiele stammen aus dokumentierten Anwendungen; die meisten sind Anfragen, Konzepte und Tests.

Wichtige Punkte im Überblick

Eine Leiterplatte, die eine Entladung abbekommen hat, sieht aus wie jede andere, der Schaden zeigt sich später beim Prüfen oder erst beim Kunden.
Armband und Matte bleiben, der Ionisator ergänzt sie dort, wo die Erdung nicht hinkommt: bei Nichtleitern wie Klebeband, Folie und Kunststoffgehäuse sowie bei Teilen ohne Kontakt.
In einem Versuch waren Deckel nach der Spritzgießmaschine auf 0 V entladen und trugen nach Wiegen, Einlagern und Auslagern teilweise wieder bis zu etwa 2.000 V, deshalb soll dort ionisiert werden, wo der Deckel die Platine berührt.
Die Bauform richtet sich nach dem Ort: Am Handarbeitsplatz zählen Geräusch, Zugluft und fehlende Druckluft, im Halbleiterumfeld bestimmen Druckluft und Elektrodenmaterial die Auswahl.
Wo das Handgerät nicht hinkommt, etwa in einer Fräsanlage, deren Ionisatoren erst bei geschlossener Maschine starten, zeigt das Inline-Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK vor und hinter dem Ionisator die Wirkung über die Zeit.

Schaden ohne sichtbare Spur: was ESD-Schutz in der Fertigung leisten muss

Geschützt wird hier die Elektronik: Leiterplatte, Baugruppe, Bauteil, Steckverbinder, Display und Wafer. Das gilt auch dort, wo Elektronik in einer anderen Branche montiert wird, etwa die Steuerelektronik eines Kompressors, die Platine einer Wärmepumpe oder ein Steuergerät für Fahrzeuge.

Häufig ist gar nicht die Platine geladen, sondern das Teil, das sie berührt: ein Deckel, ein Gehäuse, eine Scheibe, ein Werkzeug. Deshalb fragt der ESD-Schutz nicht nur, wo Ladung entsteht, sondern auch, in welchem Moment ein geladenes Teil die Elektronik erreicht.

Statische Aufladung als Prozessproblem, also klebende Folien, Staub oder Schläge am Personal, behandeln die anderen Beiträge dieses Themenbereichs. Warum Isolatoren Ladung halten und welche Bauform wofür taugt, erklären die Übersicht und der Beitrag zur statischen Aufladung im Verpackungsdruck.

Erdung und Ionisierung: wer welchen Teil der Ladung übernimmt

Ein Technical Guide von KEYENCE trennt zwei Fälle. Ist das geladene Teil ein Leiter und kann es etwas berühren, ist die Erdung wirksam. Bei Nichtleitern, oder wenn auf dem Transportweg kein Kontakt möglich ist, nennt der Guide den Ionisator als beste Gegenmaßnahme. Gegen die Entladung über den menschlichen Körper beschreibt er Erdung über antistatische Kleidung, leitfähige Schuhe, Matten und Armbänder. Weil ein Werker mit Armband nicht frei gehen kann, lassen sich Ionisatoren zusätzlich entlang von Laufwegen anordnen.

Für die Praxis heißt das: Armband und Matte bleiben, der Ionisator ergänzt sie dort, wo die Erdung nicht hinkommt. Ein Kunststoffgehäuse, ein abgezogenes Klebeband oder eine Leiterplatte, die gerade nicht aufliegt, werden über das Armband nicht entladen. Bei einem Rundgang in einer Montage wurden an Leiterplatten Werte über 160 V gemessen. Ein Getriebemotorenhersteller, der Elektronikbauteile verbaut, wünscht sich, ohne Armband und Matte auszukommen; der Guide führt Erdung und Ionisierung dagegen als zwei Maßnahmen nebeneinander.

Am Handarbeitsplatz: wo der Werker die Leiterplatte in der Hand hat

Am Handarbeitsplatz erzeugt der Werker die Ladung oft selbst. Ein nicht leitendes Klebeband lädt sich beim Abziehen stark auf, ein rückverfolgbarer Klebecode wird von kleinen Platinen abgezogen, eine Schutzfolie vom Display. In einem Fall sollen Gehäuse und Scheibe ionisiert werden, bevor die Leiterplatte hineinkommt; ein Kompakter Düsen-Ionisator der Modellreihe SJ-LM soll dafür über eine Lichtschranke ausgelöst werden.

Die Randbedingungen sind eigen. An einem Arbeitsplatz für Leiterplatten und elektrische Teile reagieren die Mitarbeitenden empfindlich auf Geräusche und Zugluft, deshalb ist dort mit Lüftern und Druckluft schwer zu arbeiten. Am Abroller kommt dort ein Kompaktes Entladungsgebläse der Modellreihe SJ-LF in Frage, das mit kleiner Bauform und leisem Lüfter punktete. Druckluft fehlt an vielen Werkbänken. Für die ganze Bank nennen mehrere Anfragen den Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700; laut Katalog erreicht er allein ein Ionengleichgewicht von ±3 V und mit Feedback-Sensor ±1 V.

Breite Flächen brauchen andere Bauformen. Montagebänke von bis zu rund 1,5 m in einer Flowbox mit Laminarströmung und Stickstoff sollen frei von Partikeln und Ladung bleiben; in der Endmontage von Elektronikgeräten auf einer Fläche von 8 bis 10 m kommen Zulieferteile mit etwa 6 bis 7 kV an. Dort kommen ein Druckluftfreier Stabionisator der Modellreihe SJ-H oder ein Effizienter High-Speed Stabionisator der Modellreihe SJ-E in Frage.

In Linie, Anlage und Prüfer: ionisieren, wo das Teil die Leiterplatte berührt

Der deutlichste Befund kommt von einem ESD-Beauftragten. Im Versuch an den Spritzgießmaschinen sank die Ladung von Deckeln im Behälter auf 0 V. Beim anschließenden Wiegen, Einlagern und Auslagern stieg sie teilweise wieder auf bis zu etwa 2.000 V. Weil der Deckel in dem Moment entladen sein muss, in dem er die Platine berührt, soll die Ionisierung zusätzlich an dieser Position in der Montagelinie stattfinden. Nach derselben Logik darf ein Kunststoffgehäuse, in das eine Leiterplatte eingesetzt wird, in einer Anfrage höchstens 50 V tragen; gemessen wurden rund 500 V, Druckluft ist dort nicht möglich.

An einer Reinigungsstation für unbestückte Leiterplatten wird ein Ionengleichgewicht von ±35 V bei 25 mm Abstand verlangt, Druckluft ist möglich. Geplant sind dafür Stabionisatoren im Nahbereich. Ein Präziser High-Speed Stabionisator der Modellreihe SJ-Q lässt sich laut Katalog ab 10 mm montieren, andere Modelle brauchen 50 bis 300 mm; als Stabbauform braucht er Druckluft. Steckverbinder, die mit 2 bis 3 kV in einem Rundtopf kleben, sollen ohne Druckluft aus etwa 2 m unter 100 V kommen.

Ein Test an einem Gummiband mit eingeklebtem Chip ergab bei über 7 kV Ausgangsladung: ein Kompaktes Entladungsgebläse in 85 mm Abstand neutralisierte beide Seiten in kurzer Zeit. Bei einem Betrieb, für den eine neue Montageanlage mit Platinen entsteht, läuft bereits ein Multi-Sensor Ionisator von KEYENCE; festgehalten ist dort eine Entladung von 1.000 V auf 100 V in 1,2 s auf der niedrigsten Stufe.

Im Reinraum: unter der Filterdecke und dort, wo Wafer getrennt werden

Dass im Halbleiterumfeld Druckluft und Elektrodenmaterial die Auswahl bestimmen, beschreibt der Beitrag zur Defektprüfung an Wafern. Hier geht es um den Einbauort. Ein Hersteller von Gebläse-Filter-Einheiten plant Ionisierstäbe unter dem Filter, direkt über dem Wafer; ob ein Stab reicht oder zwei nötig sind, soll eine Gegenmessung klären. An einem Handlingsystem für 12-Zoll-Wafer ist ein Stab von mindestens 1.000 mm gewünscht, möglichst ohne Druckluft, unterstützt durch die Abwärtsströmung der Decke.

Für solche Orte beschreibt der Katalog den High-Speed-Ionisator auf Siliziumbasis ohne Druckluft der Modellreihe SJ-HC: Elektrode aus einkristallinem Silizium für Umgebungen, in denen Metallkontamination zu vermeiden ist, ISO-Klasse 2 nach ISO 14644-1, Arbeitsabstand 50 bis 2.000 mm, geprüft ohne Luftzufuhr in einer Abwärtsströmung von 0,4 m/s. Die Modellreihe SJ-H arbeitet laut Anleitung mit Wolfram-Elektroden.

An einer Anlage zum Trocknen von Wafern lagen die Partikelzahlen über dem Grenzwert. Im Test neutralisierten Stabionisatoren der Modellreihe SJ-Q eine aufgeladene Horde sofort auf 0. Wo getrennt wird, entsteht neue Ladung: an der Debondfront, an der eine Klinge ein verklebtes Waferpaar trennt, und an einem Folienstapel einer Verpackstation, dessen Zwischenlagen aneinanderkleben. Für beide Stellen sind kompakte Düsen vorgesehen; je kleiner, desto besser.

Nachweisen statt annehmen: Messung im Audit und vor der Schicht

Audits fragen nach Belegen. In einem Betrieb müssen Sonderwerkzeuge, die keine ESD-Werkzeuge sind, laut Audit gemessen werden. Ein anderer Betrieb will vor jeder Schicht prüfen, ob die Ionisatoren an den Handarbeitsplätzen arbeiten. Dafür misst das Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK-H mit der separat erhältlichen Ionisator-Überwachungseinheit die Abklinggeschwindigkeit der Ladung und das Ionengleichgewicht.

Das Handgerät erreicht nicht jede Stelle. In einer Fräsanlage für Leiterplatten starten die Ionisatoren erst, wenn die Maschine geschlossen ist. Die Idee dort: feste Inline-Messköpfe an mehreren Anlagen, an die nur zum Audit eine Auswerteeinheit angeschlossen wird. Das Inline-Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK ist laut Katalog für kontinuierliche Messung ausgelegt, die Köpfe passen in enge Bauräume, bis zu acht Auswertegeräte lassen sich kombinieren, EtherCAT ist eine der Ausgabeoptionen. Vor und hinter dem Ionisator gesetzt, zeigt es die Wirkung über die Zeit.

Die Luftfeuchte gehört dazu. Ein Betrieb mit fast nur Handarbeitsplätzen maß nicht mehr als 100 V, Defekte treten selten und dann im Winter bei niedriger Luftfeuchte auf. Die Modellreihe SK-H misst Ladung und Luftfeuchte zugleich; über etwa 60 % relativer Feuchte ist statische Aufladung laut Katalog weniger wahrscheinlich. Der Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700 protokolliert zudem Ionenpegel und Fehlerstatus im internen Speicher, mit Feedback-Sensor auch Ionengleichgewicht, Temperatur und Luftfeuchte.

Von der Einzelstation zum Werksstandard

Aus der einzelnen Station wird schnell eine Regel für das Werk. Ein Betrieb mit vielen ESD-Handarbeitsplätzen will die Plätze zuerst nach der Empfindlichkeit der Bauteile in Kategorien einordnen. Nach einem Audit muss an einer Station entladen werden: gemessen wurden 50 bis 500 V auf Leiterplatten, verlangt sind unter 50 V. Der Betrieb mit der Reinigungsstation für unbestückte Leiterplatten will für alle seine Reinigungsstationen einen neuen Standard festlegen.

Ein tragfähiger Standard hält je Kategorie fest, welcher Grenzwert gilt, welche Bauform an welchem Platztyp sitzt, ob Druckluft verfügbar ist und wie oft und womit geprüft wird.

Häufige Fragen

F Ersetzt ein Ionisator Erdungsband und ESD-Matte?

Nein. Erdung leitet die Ladung leitfähiger Teile und des Werkers ab, die Kontakt haben. Der Ionisator neutralisiert Nichtleiter wie Klebeband, Folie und Kunststoffgehäuse sowie Teile ohne Kontakt. Beide Maßnahmen ergänzen sich.

F Welcher Ionisator passt an einen Handarbeitsplatz ohne Druckluft?

In dokumentierten Anwendungen werden dafür der Multi-Sensor Ionisator der Modellreihe SJ-F700 als Gerät für die ganze Bank und das Kompakte Entladungsgebläse der Modellreihe SJ-LF für enge Stellen wie einen Abroller genannt. Für breite Bänke kommt der Druckluftfreie Stabionisator der Modellreihe SJ-H in Frage. Geräusch und Luftzug sollten vorab mit den Mitarbeitenden geklärt werden.

F Wie lässt sich nachweisen, dass ein Ionisator noch arbeitet?

Mit dem Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK-H und der Ionisator-Überwachungseinheit werden Abklinggeschwindigkeit und Ionengleichgewicht gemessen, etwa vor Schichtbeginn. In geschlossenen Anlagen misst das Inline-Elektrostatik-Messgerät der Modellreihe SK fest vor und hinter dem Ionisator.

F Warum spielt die Luftfeuchte beim ESD-Schutz eine Rolle?

Bei niedriger Luftfeuchte steigt die Neigung zur Aufladung; in der Anwendungspraxis treten Defekte gehäuft im Winter auf. Laut Katalog ist die Feuchte im selben Raum nicht überall gleich und nahe wärmeren Anlagen oft niedriger. Deshalb lohnt es sich, Ladung und Luftfeuchte am selben Ort zu messen.

F Kann ein Ionisator direkt über dem Wafer unter der Filterdecke sitzen?

Für diesen Einbauort beschreibt der Katalog der Modellreihe SJ-HC eine Silizium-Elektrode, einen Arbeitsabstand von 50 bis 2.000 mm und einen Test ohne Luftzufuhr in der Abwärtsströmung. Ob ein Stab genügt, klärt eine Gegenmessung an der Anlage.

Weiterführende Artikel

Übergeordnete Themenseite: Statische Aufladung in der Produktion: Ladung erkennen, messen und mit dem passenden Ionisator entladen

Weiterer Artikel im Thema: Ionisierung am ESD-Handarbeitsplatz: Leiterplatten, Gehäuse und Displays in der manuellen Montage entladen

Weiterer Artikel im Thema: Leiterplatten in Linie und Anlage entladen: Bestückung, Reinigungsstation, Prüfer und Werkstückträger

Weiterer Artikel im Thema: Ionisierung im Reinraum der Halbleiterfertigung: Filterdecke, Nassprozess und das Trennen von Wafern

Weiterer Artikel im Thema: ESD-Kontrolle nachweisen: Ladung, Luftfeuchte und Ionisatorleistung messen