Schutz elektronischer Bauteile und Maschinen vor elektrostatischen Entladungen

31. Januar 2019, 09:00 Uhr
Autor: Tom Westcott, Leiter Quality and Legislation bei Distrelec

Bei der Fertigung elektronischer Geräte erscheint der Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD) mitunter als unnötiger Mehraufwand. Wird dieser Aspekt jedoch vernachlässigt, kann das zu ernsthaften Qualitätsproblemen führen, die unter Umständen erst Tage, Wochen oder sogar Monate nach Auslieferung des Produktes an den Kunden auftreten. Tom Westcott, Leiter des Bereichs Quality and Legislation bei Distrelec, erläutert, wie die rechtzeitige Berücksichtigung von ESD-Risiken Ausfälle beim späteren Einsatz der Produkte verhindern und die Gesamtqualität des Montageprozesses verbessern kann.

Ursachen und Folgen elektrostatischer Entladungen
Die Ursachen elektrostatischer Entladungen sind vielfältig und zum Teil überraschend. Beispielsweise können sich an Klebebandrollen oder Klebebandabrollern Spannungen von bis zu einigen Tausend Volt aufbauen. Das liegt vor allem an den isolierenden Eigenschaften, die solche Gegenstände meist aufweisen und durch die sich elektrische Potenziale aufbauen können. Selbst Plastikbeutel, die elektronische Komponenten enthalten, können eine statische Aufladung bewirken, die zwischen einigen Hundert Volt und über 1000 Volt liegen kann. Wenn sich diese Spannung an Halbleiterbauelementen entlädt, kann dies zu einer Reihe von Problemen führen.
Ist der induzierte Strom stark genug, kann es beispielsweise zu einem Defekt der Halbleiter-Sperrschicht kommen. Bei den neuen Hochleistungsbauelementen mit Strukturgrößen von 10 nm und 7 nm ist das Risiko sogar noch grösser. Diese weisen Gate-Oxide auf, die nur wenige Nanometer dick sind und mit niedrigen Spannungen operieren – damit sind sie noch anfälliger für Schäden durch hohe ESD-Spannungsdurchschläge.
Auch wenn es nicht sofort zu einem Totalausfall kommt, kann die Sperrschicht geschwächt werden, da der Stromimpuls die Oxidschicht beschädigt. Das verkürzt die Lebensdauer des Bauelements und kann zu einem Ausfall im laufenden Betrieb führen oder wichtige Parameter wie Schaltgeschwindigkeit oder Stromverbrauch ändern.
Durch eine hohe Entladung kann auch die Isolierung durchbrennen und es können Kurzschlüsse in der Metallisierung unterschiedlichster Bauteile auftreten, nicht nur bei Halbleitern. Dadurch verringert sich der reale MTBF-Wert (Mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen) des Moduls oder Subsystems im Vergleich zum berechneten MTBF-Wert und auch hier kann es später zu verfrühten Ausfällen im laufenden Betrieb kommen.
Auch elektrostatische Entladungen von Maschinen können ESD-Schäden verursachen. Dazu kommt es, wenn ein nicht geerdetes Teil einer Maschine oder eines Werkzeugs während der Montage mit einem ESD-empfindlichen Teil in Berührung kommt – ein Risiko, das manchmal übersehen wird.
Eine dritte Ursache, die berücksichtigt werden sollte, sind die elektrostatischen Entladungen geladener Geräte. Dazu kommt es, wenn ein Bauteil oder Gerät selbst eine elektrische Ladung aufbaut und dann mit einer leitfähigen Oberfläche in Berührung kommt. Die schnelle Entladung, zu der es dabei kommt, kann ein ESD-empfindliches Teil beschädigen. 
 
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