Kontrolle statischer Elektrizität: A 50

Es ist allgemein bekannt, dass statische Elektrizität uns schon immer begleitet. Unser Bewusstsein für Probleme im Zusammenhang mit statischer Elektrizität entstand wahrscheinlich mit der Erfindung des Schießpulvers, als es zweifellos zu einigen mysteriösen Entzündungen kam, die beim Mischen von Chemikalien auftraten und die damals nicht erklärt werden konnten.

Das Auftreten statischer Elektrizitätsprobleme in einem industriellen Umfeld begann wahrscheinlich mit Gutenbergs Erfindung der automatischen Druckmaschine im Jahr 1440.1 Das Zusammenkleben von Papier und Velum (zwei verschiedene Materialien) musste ein Problem sein. Irgendwann wurde wahrscheinlich beobachtet, dass ein Feuer in der Nähe der Druckmaschine das Papier auf magische Weise weniger klebrig machen konnte. Die Flammbehandlung wurde damals in industriellen Druckmaschinen und in Zeitungsdruckmaschinen bis weit in die 1950er Jahre, in manchen Bereichen vielleicht sogar noch länger, eingesetzt.

Die Kontrolle statischer Elektrizität wird seit langem in der Munitionsindustrie, der modernen Pyrotechnik, der Erdölverarbeitung und anderen Industriezweigen praktiziert, die mit explosiven und brennbaren Materialien arbeiten. Die Erdung von Prozesswerkzeugen, Geräten und Personal wird seit Ben Franklins Zeiten praktiziert.

Die Branche, mit der wir heute hauptsächlich zu tun haben, die Elektronikbranche, meldete bis Ende der 1960er Jahre keine nennenswerten Probleme im Zusammenhang mit statischer Elektrizität. Änderungen der Widerstandswerte einiger Lieferungen von Kohlewiderständen scheinen das erste gemeldete Problem im Zusammenhang mit statischer Elektrizität in elektrischen oder elektronischen Produkten zu sein. Die Entwicklung von Metalloxid-Halbleiterbauelementen (MOS) verursachte in den Anfängen der modernen Elektronikfertigung viele Probleme. Frühe Fortschritte in der Festplattentechnologie und der Herstellung von Schreib-Lese-Köpfen kamen in den Unternehmen aufgrund der Folgen statischer Schäden nahezu zum Erliegen.

Unser Rückblick auf die Geschichte der modernen statischen Kontrolle beginnt in den späten 1960er Jahren. Die ersten Materialien, die damals zur statischen Kontrolle verwendet wurden, waren kohlenstoffgefüllte leitfähige Kunststoffe und organisch behandelte Kunststoffe, die schwach aufladbare Materialien erzeugten (damals als antistatische Materialien bekannt). Diese Materialien unterschieden sich deutlich in Leistung und Anwendungsanforderungen. Wenn diese Materialtypen in Kombination zum Verpacken elektronischer Teile für Lagerung und Versand verwendet wurden, ergaben sie ein hochwirksames Verpackungsprodukt zur statischen Kontrolle. Dies geschah jedoch aufgrund der Konkurrenz zwischen den Unternehmen, die diese Materialien herstellten, selten.

Erdungssysteme für Menschen gab es bereits, und Innovatoren entwickelten neue Konzepte für Handgelenkbänder und Schuherdungsgeräte. Verschiedene dieser Systeme und Konzepte wurden schon seit langem in Munitions- und Chemieverarbeitungsanlagen eingesetzt, waren jedoch bei der typischen Elektronikmontage etwas umständlich und unbequem in der Anwendung. Die neuen Designs waren leichter und benutzerfreundlicher und wurden daher zur ersten Produktlinie zur statischen Kontrolle in der wachsenden Elektronikindustrie.

Ab Mitte der 1970er-Jahre kamen spezielle Materialien für Arbeitsflächen und Bodenbeläge auf den Markt und trugen dazu bei, das zu etablieren, was wir heute als elektrostatische Schutzzone (EPA) kennen. Etwa zur gleichen Zeit kamen Standards für militärische und verteidigungsbezogene Anwendungen auf den Markt, die die Entwicklung von Industriespezifikationen für Arbeitsplatz- und Verpackungsmaterialien unterstützten. Schäden an elektronischen Teilen wurden Ende der 1970er Jahre zu einem bedeutenden Zuverlässigkeitsproblem. Tatsächlich wurde 1979 in Denver das erste EOS/ESD-Symposium einberufen, um die damaligen Themen zu diskutieren, vor allem solche, die sich mit militärischer Elektronik befassten.

Verpackungsinnovationen führten schließlich zur Erfindung transparenter statischer Abschirmfolien, die zur Herstellung von Schutzbeuteln zur Abschirmung statischer Entladungen verwendet wurden. In den frühen 1980er Jahren waren diese Folienmaterialien in der gesamten Elektronikindustrie allgegenwärtig, und die Notwendigkeit einer weiteren Standardisierung der Elektronikverpackung wurde immer offensichtlicher. Als Reaktion darauf entstanden zu dieser Zeit mehrere Branchengruppen. Vorreiter war die Electronics Industry Association (EIA), die das Packaging of Electronics for Shipment Committee (PEPS) gründete. Das EIA-PEPS-Komitee entwarf schließlich EIA-541–1988, Verpackungsmaterialstandards für ESD-empfindliche Gegenstände, den ersten kommerziellen Standard für Verpackungsmaterialien, die bei der Lagerung und dem Versand von ESD-empfindlichen elektronischen Geräten verwendet werden.

Die EOS/ESD Association, Inc. (ESDA) wurde 1982 nach dem Erfolg der ersten EOS/ESD-Symposien gegründet. Die Gründungsmitglieder der ESDA glaubten naiv, dass die Vereinigung und ihr jährliches Symposium nur für ein paar Jahre benötigt würden und danach aufgelöst werden könnten. Dies war jedoch nicht der Fall, und die Pläne für das 44. EOS/ESD-Symposium sind derzeit in Arbeit, derzeit für September 2022 geplant.

Die ESDA gründete 1982 ihr eigenes Normungskomitee und begann sofort mit der Arbeit an der Norm Nr. 1, Handschlaufen, da diese damals als vorderste Schutzmaßnahme galt. Dieser Standard diente in den darauffolgenden 40 Jahren als Grundlage für die Entwicklung anderer Standards, Standardtestmethoden, Standardpraktiken und Beratungsdokumente, die dazu beigetragen haben, Spezifikationen für die meisten Produkte zum Schutz und zur Reduzierung statischer Elektrizität festzulegen. Und das Aufkommen automatisierter Handhabungs- und Montagevorgänge erforderte die Entwicklung neuer ESD-Kontrollstandards und Testmethoden zum Umgang mit statischer Elektrizität, die in solchen Geräten entsteht.

In der Zeit von Ende der 1980er bis Ende der 1990er Jahre wurde massiv an der Standardisierung gearbeitet. Nahezu alle heute verfügbaren Produkte zur statischen Kontrolle waren in dieser Zeit Gegenstand einiger Normungsaktivitäten. Im Laufe der Zeit wurden viele der ESDA-Standards, Testmethoden, Standardpraktiken und technischen Berichte seit ihrer ursprünglichen Veröffentlichung mehrmals überprüft und überarbeitet. Auch heute noch sind die Anstrengungen zur Entwicklung von Standards innerhalb der ESDA mit der Beteiligung von 200 aktiven Mitgliedern weltweit weiterhin intensiv.

Im gleichen Zeitraum verlagerte die Elektronikindustrie große Teile ihrer Fertigungsaktivitäten an Standorte auf der ganzen Welt. Es entstanden große Fabriken, in denen Tausende von Menschen für manuelle Montagearbeiten beschäftigt waren. Es gab jedoch eine steile Lernkurve bei den Bemühungen, eine hohe Zuverlässigkeit bei der Geräteherstellung (Wafer-Fabs), der Leiterplattenmontage und der Gerätemontage zu erreichen. Große Offshore-Fabriken mit einer großen Anzahl an Mitarbeitern erforderten umfassende Schulungen, die umfangreiche Installation von elektrostatischen Schutzprodukten und -materialien sowie häufige Reisen des Unternehmensmanagements und des technischen Personals, um die Produktkontrolle zu überwachen und die Qualität aufrechtzuerhalten.

In den späten 1990er bis frühen 2000er Jahren wurde die Entwicklung lokaler Fachkenntnisse zur Bewältigung statischer Kontrollprobleme zu einer Priorität, und viele der derzeitigen Mitglieder der ESD Association vertreten Unternehmen und Betriebe außerhalb der USA. Dies ist wohl die weitreichendste statische Kontrolle Die Standardisierungsaktivitäten fanden 1995 statt, als das US-Verteidigungsministerium (DoD) die ESD Association offiziell aufforderte, die Führung bei der Entwicklung eines neuen, hochmodernen ESD-Kontrollprogrammstandards für kommerzielle und militärische Benutzer zu übernehmen. Diese Bemühungen führten schließlich zur Einführung von ANSI/ESD S20.20–1999, Schutz von elektrischen und elektronischen Teilen, Baugruppen und Geräten (mit Ausnahme elektrisch initiierter Sprengkörper), das schnell vom Verteidigungsministerium und mehreren Zweigen des Militärs übernommen wurde.

Um das Jahr 2000 schlug DNV, eine ISO 9001-Zertifizierungsstelle, der ESDA vor, ein Anlagenauditprogramm in Verbindung mit ANSI/ESD S20.20 einzuführen, was schließlich zum ESD-Anlagenzertifizierungsprogramm führte. Heute gibt es weltweit mehrere hundert zertifizierte Einrichtungen. Im Anschluss an diese anfänglichen Bemühungen wurden weitere Zertifizierungsprogramme entwickelt, insbesondere die Zertifizierung zum ESD Certified Professional Program Manager und die Zertifizierung zum ESD TR53 Certified Technician.

Da die Elektronikindustrie Standards und Materialien zur Kontrolle statischer Elektrizität entwickelte, wurden Messwerkzeuge zur Validierung der Materialien und zur Bewertung der Herstellungsprozesse benötigt. Die ursprüngliche Validierungsausrüstung bestand typischerweise aus einem Hochwiderstandsmessgerät, einem sogenannten Megger, und einem Messgerät für elektrostatische Felder. Der Megger wurde für die Messung des Widerstands des elektrischen Systems gegen Erde (oder Isolation) entwickelt. Die typischen Spannungen, die zunächst zur Messung verwendet wurden, lagen bei 500 bis 1000 Volt. Im Zuge der Weiterentwicklung von Materialien zur Kontrolle statischer Elektrizität und der Standards zu deren Messung wurden die Widerstandsmessspannungen auf 10 und 100 Volt geändert, um eine höhere Messempfindlichkeit zu erreichen und sicherzustellen, dass die Materialien und Produkte ihre beabsichtigte Funktion in einer EPA erfüllen können.

Die Bewertung statischer Kontrollmaterialien bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit ist ebenfalls zu einer Anforderung geworden, um sicherzustellen, dass das Produkt seine Spezifikationen und Leistungsmerkmale bei der niedrigsten zu erwartenden Umgebungsfeuchtigkeit beibehält. Elektrostatische Voltmeter wurden zusammen mit einem Gerät namens Ladungsplattenmonitor zur Messung der Ionisierung entwickelt.

Der Schwerpunkt liegt heute im Vergleich zu den Anfängen auf der automatisierten Elektronikverarbeitung. Es versteht sich von selbst, dass das Personal beim Umgang mit ungeschützten empfindlichen Gegenständen ständig geerdet sein muss. Die bedeutendste Änderung bei der Erdung des Personals war die zunehmende Abhängigkeit von Schuhen und Bodenbelägen. Handgelenkschlaufen werden jedes Jahr immer noch millionenfach verwendet, da sie in den Entwicklungsstandards ANSI/ESD S20.20 und IEC 61340-5-1, Elektrostatik – Teil 5-1: Schutz elektronischer Geräte, für den Betrieb im Sitzen erforderlich sind aus elektrostatischen Phänomenen – Allgemeine Anforderungen.

Testmethoden für Schuhe und Bodenbeläge sind mittlerweile von großer Bedeutung, da für die Bedienung und Wartung automatisierter Prozessanlagen und Montagelinien mobiles Personal erforderlich ist. Der elektrische Widerstand gegen Erde und die Spannung des Personals während der Bewegung sind wichtige Überlegungen für die moderne EPA. Die Instrumente zum Messen und Aufzeichnen der Spannung am Menschen sind wohl das wichtigste Werkzeug im Werkzeugkasten des ESD-Kontrollpraktikers geworden.

Die Prüfung der Anfälligkeit von Geräten gegenüber ESD-Ereignissen ist seit weit über 50 Jahren Gegenstand der Standardisierung. Für die Bewertung des Human Body Model (HBM) existierten lange Zeit eigene Industriestandards. Heute wurden die HBM-Anforderungen und -Spezifikationen durch eine gemeinsame Anstrengung der JEDEC Solid State Technology Organization und der ESDA in einem einzigen harmonisierten HBM-Standard harmonisiert.2

Ebenso wurde die Anfälligkeit von Geräten während der automatisierten Handhabung in einem CDM-Standard (Joint Charged Device Model) harmonisiert.3 Die als Maschinenmodell (MM) bekannte ESD-Anfälligkeitstestmethode wurde als Gerätequalifizierungsstandard gestrichen, da der Schadensmechanismus viel ist das gleiche wie HBM, nur mit einem niedrigeren Schwellenwert.

In den letzten 5 bis 8 Jahren gab es Weiterentwicklungen, um Gerätetestspezifikationen und Anfälligkeitsstufen mit den Vorgängen in der Fabrik während der Produktion zu verknüpfen. Die sogenannte Prozessbewertung ist zu einer der wichtigen Aktivitäten der ESDA-Standardisierungsaktivität geworden. Das Ziel besteht darin, Testmethoden und -techniken für die Bewertung elektrostatischer Aufladung und ESD-Ereignisse innerhalb automatisierter Handhabungsgeräte bereitzustellen. Ein technischer Bericht ist jetzt verfügbar4 und eine Standardpraxis5 wurde 2021 veröffentlicht.

Diese Dokumente werden zusammen mit neuen Messinstrumenten wie dem Hochimpedanz-Kontaktvoltmeter und Ereignisdetektorgeräten sachkundigen Praktikern wertvolle Werkzeuge und Einblicke für die Bewertung der Fähigkeiten automatisierter Handhabungsgeräte bieten. Die Frage „Welche Empfindlichkeits-/Anfälligkeitsstufe des Geräts kann mein Prozess bewältigen?“ werden mit den neuen Dokumenten und neuen Tools einfacher zu beantworten sein.

Die Physik der Elektrostatik hat sich im Laufe der Jahrzehnte nicht verändert, wohl aber die Fähigkeit, dieses Phänomen zu messen und zu schützen. Materialwissenschaft und Innovation haben zu enormen Verbesserungen bei Produkten geführt, die zur Kontrolle statischer Elektrizität am Arbeitsplatz eingesetzt werden. ESD-Standards und Testmethoden haben ein Maß an Verständnis in einen Bereich gebracht, der einst als schwarze Magie galt.

David Swenson ist seit 1984 Mitglied der ESD Association und hatte im Laufe seiner langen Karriere mehrere wichtige Führungspositionen der Association inne. Für seine Arbeit erhielt er zahlreiche Auszeichnungen von Verbänden und der Industrie, zuletzt den EOS/ESD Symposium David F. Barber Sr. Memorial Award im Jahr 2018. Swenson ist außerdem Vorsitzender der gemeinsamen Arbeitsgruppe 13 von TC101 und TC40 (Kondensatoren und Widerstände).

John Kinnear ist ein leitender IBM-Ingenieur mit Spezialisierung auf Prozess- und Systemtechnologie sowie Anlagenzertifizierung gemäß ANSI/ESD S20.20. Er ist seit mehr als 30 Jahren Mitglied der ESDA. Kinnear fungiert außerdem als ernannter technischer Berater des US National Committee/IEC Technical Committee 101, wo er daran arbeitet, die internationale Einführung von ANSI/ESD S20.20 zu unterstützen.

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Die 1982 gegründete EOS/ESD Association, Inc. ist eine gemeinnützige, professionelle Organisation, die sich der Aufklärung und Förderung der Technologie zur Kontrolle und Prävention elektrostatischer Entladung (ESD) widmet. Die EOS/ESD Association, Inc. sponsert Bildungsprogramme, entwickelt ESD-Kontroll- und Messstandards, veranstaltet internationale technische Symposien, Workshops und Tutorials und fördert den Austausch technischer Informationen zwischen ihren Mitgliedern und anderen.

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