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Für die Simulationsdurchführung wurden Aufbauten mit einem Van-de-Graaff-Generator, auch Bandgenerator genannt, durchgeführt.
Mit dem Ereigniszähler ließen sich die Werte zweifelsfrei ermitteln.
Bei den Messungen mit dem Bandgenerator wird der Poltopf mit der Kugel des Bandgenerators kontaktiert, aufgeladen und wieder entfernt.
Weitere Simulationsdurchführung wurde mit der Wimshurst-Influenzmaschine durchgeführt. Im Bild werden Messungen durchgeführt.
Der Überschlag auf den Motor mit offenen Kontakten war Inhalt der fünften Versuchsreihe.
Beim HMM-Versuch wird die Entladung über einen metallischen Rundstift durchgeführt, den die Person in der Hand hält.

Wird es künftig unausweichlich sein, alle mit elektronischen Komponenten bestückten Leiterplatten, elektronischen Baugruppen oder Module in ESD-gerechten Verpackungen (Electrostatic Discharge, elektrostatische Entladung) zu liefern? Für ESD-empfindliche Bauelemente und Platinen ist diese Anforderung sinnvoll und auch eindeutig – ESD-gerechte Trays, Gurte, geschirmte Beutel oder Dry-Pack-Hüllen dienen als Verpackung und werden üblicherweise erst vor der Bestückung entfernt.

Ganz anders verhält es sich mit Leiterplatten, die in ein Gehäuse montiert und nur noch mittels Steckverbindung in eine Applikation eingebaut und kontaktiert werden. Hier beginnt der Abwägungsmarathon: Handelt es sich bereits um eine ESDS-Komponente (ESDS= Electrostatic Discharge Sensitive), die entsprechend zu schützen ist oder liegt jetzt eine Komponente vor, die den Anforderungen nicht mehr unterliegt? Ab wann also erfolgt in einem Produktionsablauf der Schritt von einer ESDS- zu einer Nicht-ESDS-Komponente? In einer Mischproduktion wird gewöhnlich nicht die gesamte Fertigungslinie als ESDS-Schutzzone ausgewiesen, sondern nur bestimmte Bereiche. Interessant wird es nun, wenn beim Zusammenbau der Einzelkomponenten isolierende Teile mit den ESDS-Komponenten zusammengefügt werden. Isolierende Teile werden nicht in ESD-Verpackungen angeliefert, sondern in normalen Kunststoff- oder Pappbehältern. Noch schlimmer aus ESD-Sicht sind Kunststoffbeutel. In diesen Verpackungseinheiten treten schnell Potentiale von mehr als 15 kV auf.

Besteht durch elektrostatisch aktive Kunststoffe eine Gefährdung? Reicht bei einer Entladung der Leistungseintrag für eine Schädigung aus? Diese Fragen zu klären war Ziel einer Untersuchung, um erhebliche Kosten durch Umstellung auf ESD-konforme Verpackungseinheiten zu vermeiden. Da solche Tests nicht in der Linie selbst durchgeführt werden können, wurden die Untersuchungen in einem Labor durchgeführt. Die Simulation wurde an verschiedenen Motoren vorgenommen, die das gleiche funktionelle Bauteil in unterschiedlicher Technologie beinhalteten. Es wurden Motoren mit durch einen Steckerrand geschützten Kontaktbereichen  und mit direktem Kontaktzugang untersucht.

Materialvoruntersuchung, Versuchsaufbau und Durchführung

An verschiedenen Kunststoffmaterialien wurde zunächst deren mögliches Aufladungspotential gemessen und zwar bei Raumtemperatur von 22 bis 25°C und einer Luftfeuchte von 46 bis 49 % RH. Mit Katzenfell wurden die folgenden Materialien hoch aufgeladen wobei sich die aufgeführten Potenziale ergaben:

  • Komponentenkisten A: -40 kV,
  • mit ESD Material 106 Ω: -1,2 kV,
  • Kisten B: -5 kV,Vlies: -1,2 kV,
  • Beutel für Getriebegehäuse: -14 kV,
  • Feuchteschutzbeutel: -16 kV,
  • Styroluxmaterial A: -10 kV,
  • Styroluxmaterial B: -41 kV,
  • Pappe: -360 V.

An den Systemkomponenten wurden maximal -5 kV gemessen. Somit wurde der höchstmögliche Wert in der Realität von -40 kV ermittelt.

Für die Simulationsdurchführung wurden Aufbauten mit einem Van-de-Graaff-Generator, auch Bandgenerator genannt, und einer Wimshurst-Influenzmaschine verwendet, mit denen – in Anlehnung an die Modelle HBM, CDM und HMM – Entladungsereignisse nachgestellt wurden, welche die in der Praxis maximal möglichen Spannungen und Stromstärken weit übertrafen. Als Eingangstest wurde ein Testmotor mit einer Plexiglasstange direkt an die Kugel des Bandgenerators gehalten (Potential ca. 300 kV) und danach elektrisch geprüft. Auch nach mehrmaligen Berührungen ließ sich kein Fehler beim Motor feststellen.

Messungen mit dem Bandgenerator

Bei der ersten Versuchsreihe wurde der Entladungsversuch nach CDM (Charge Device Model, ESD-Simulationsmodell) am Bandgenerator vorbereitet. Dabei wurde das Prüfobjekt auf einer 2 m langen Plexiglasstange befestigt und am Bandgenerator aufgeladen, der ein Potential von 300 kV hatte. Dazu wurde der Poltopf mit der Kugel des Bandgenerators kontaktiert, aufgeladen und wieder entfernt (Kontaktzeit ca. 1 s). Sodann wurde mit einem geerdeten, gerundeten Metallstift das aufgeladene Bauteil über die Anschlusspins des Steckers entladen. Der Versuch wurde jeweils 10 Mal wiederholt. Die bei der Entladung zu beobachteten Funkenlängen zwischen 1 und 5 cm lassen auf CDM-Spannungen von zwischen 20 und 60 kV schließen.

Die zweite Versuchsreihe erfolgte wie die erste Reihe, jedoch wurde die Aufladung über die Achse des Motors erzielt. Bei der dritten Versuchsreihe wurde in Anlehnung von HBM (Human Body Model) und HMM (Human Metal Model) vorgenommen. Dabei wurde der Motor über den Poltopf hart geerdet. Beim HBM-Versuch wurde eine isoliert stehende Person aufgeladen, wobei der Bandgenerator eine Spannung von 300 kV erreichte. Nach der Trennung vom Bandgenerator wurde das Oberflächenpotential der Person mit 50 kV gemessen. Anschließend entlud sich die Person über Fingerkontakt mit den Steckerpins in die Motoreinheit. Die dabei beobachteten Funkenlängen zwischen Finger und Steckerpins von 2 bis 4 cm bestätigten das Körperpotential von 20 bis 50 kV. Der Versuch wurde zehnmal wiederholt. Anschließend wurde der HMM-Versuch fortgeführt, wobei nun die Entladung über einen metallischen Rundstift, den die Person in der Hand hielt, erfolgte. Der Versuch wurde ebenfalls zehnmal wiederholt. Im Gegensatz zum HBM-Test erfolgt beim HMM-Test eine härtere Entladung. Durch die Körperkapazität in Reihe mit der konduktive Kapazität des metallischen Leiters wird die Gesamtkapazität kleiner, wodurch das Entladepotential größer wird.

Messungen mit der Wimshurst-Influenzmaschine

Für diesen und die nachfolgenden Versuche wurde eine Influenzmaschine nach Wimshurst mit einem Plattendurchmesser von 30 cm verwendet, die Spannungen von etwa 50 kV bei einem Nachführstrom von etwa 20 μA liefert. Zusätzlich besteht die Möglichkeit, zwei seriell geschaltete Kondensatoren mit jeweils 500 pF anzuschließen, wodurch sich Entladeströme im mA-Bereich erreichen lassen.

Im Versuch 4 galt es, mögliche Gefährdungen der Bauelemente durch direkte Überschläge aus Kunststoffen und Verpackungsmaterialien zu erkennen. Zu diesem Zweck wurden die Kondensatoren abgeschaltet, so dass die Maschine etwa 500 Funken pro Minute bei Stromstärken von maximal 20 μA, bei einer Funkenlänge von 1 cm, lieferte. Dazu wurde der Poltopf mit der einen Elektrode fest verbunden, um die Überschläge in den Steckerkragen (kreisend geführt) zu erhalten und damit sicherzustellen, dass alle Pins getroffen wurden. Die Versuchsdauer variierte – mit mehrmaliger Funktionsprüfung – zwischen 30 s und 5 min. Die Schädigung tritt hierbei nicht durch die Anzahl der Entladungen auf, sondern die statistische Wahrscheinlichkeit für eine in der Leistungshöhe schädigende Entladung ist höher.

Im fünften Versuch wurde der Überschlag auf den Motor mit offenen Kontakten geprüft. Der Versuchsaufbau erfolgte wie bei Versuch 4, jedoch mit zugeschalteten Kondensatoren und maximaler Versuchszeit von 10 s. Dieser Versuch diente vorwiegend zur Feststellung der Ausfallgrenzen und wurde zeitlich bis zum Ausfall durchgeführt. Im Unterschied zum CDM-Versuchsaufbau wird in diesem Fall mit HBM-Versuchsaufbauten die Entladungsenergie durch die Einflüsse von Licht, Akustik, Wärme und Luftionisation auf etwa 10 Prozent reduziert.

Fazit: Nur keine Panik

Alle beschriebenen Versuchsbedingungen übertrafen die in den Testmodellen wie auch in der Fertigungsrealität vorkommenden Belastungen durch Spannungen und Ströme um einen Faktor >100. Personenaufladungen nach HBM erreichen in der Produktionswirklichkeit maximale Potentiale von 20 kV. Bei Entladungen aus Kunstoffen ließen sich Ströme von maximal einigen pA erreichen. Deren Entladungen (Sprühentladungen) befinden sich an der Grenze der sensorischen und akustischen Wahrnehmung. Da mit Ausnahme von Versuch 5 und in Einzelfällen bei maximalen Versuchszeiten im Versuch 4, bei alten und neuen Modulen keine Ausfälle beobachtet wurden, ist unter normalen, nicht ESD-konformen Fertigungsbedingungen davon auszugehen, dass die Bauelemente nach besten Kenntnissen nicht durch elektrostatische Entladungen geschädigt werden. Durch die verschiedenen Entladungssimulationen und Entladungsmodelle (HBM, MM, etc.), gelang es, Unterschiede für die Komponenten aufzuzeigen und damit die Einstufung als ESDS oder Nicht-ESDS zu ermöglichen.

Daraus ergibt sich, dass die untersuchten, nicht ESD-konformen Verpackungs- und Transportmaterialien weiter genutzt werden können (mit Ausnahme für das Modul mit offenen zugänglichen Kontakten). Deutlich wurde zudem, dass die globalen Anforderungen, nur ESD-konforme Verpackungsmaterialien zu benutzen, genauer definiert werden müssen. Automobilzulieferer werden die Kosten für eine ESD-gerechte Verpackung nur dann akzeptieren, wenn die technische Notwendigkeit dies auch erfordert. Somit steht zur Diskussion, welche Tests durchgeführt werden müssen, um diese Notwendigkeit zu bestätigen oder zu verneinen.

Aufwendige Simulationsaufbauten

Dieser Beitrag soll mögliche Entladungssimulationen aufzeigen, die hilfreich sein könnten in der Gefährdungsbeurteilung von Modulen durch in Fertigungsabläufen eingesetzte Kunststoffmaterialien und/oder Verpackungen und Baugruppen mit unterschiedlichen Steckerkonstruktionen.