Wie bekannt, bezeichnet statische Elektrizität relativ ruhende Ladungen, die sich auf der Oberfläche eines Objekts ansammeln, was einem Ungleichgewicht von positiven und negativen Ladungen in einem lokalen Bereich entspricht. ESD, die Abkürzung für Electrostatic Discharge (elektrostatische Entladung), bezeichnet die Übertragung statischer Ladungen zwischen Objekten oder Oberflächen mit unterschiedlichem elektrostatischem Potenzial. ESD kann in Kontakentladung und Feldstärkedurchschlagsentladung eingeteilt werden. Darüber hinaus bezeichnet ESD-Schädigung das Phänomen der Leistungsverschlechterung oder des Ausfalls elektronischer Bauteile infolge der Wirkung von ESD. Als eine der derzeit beliebtesten Montagetechnologien wird SMT (Surface Mount Technology, Oberflächenmontagetechnik) in Produkten für unterschiedliche Bereiche weit verbreitet eingesetzt. Daher muss zur Gewährleistung optimaler Zuverlässigkeit und Leistung elektronischer Produkte ESD-Schädigung während des SMT-Montageprozesses verhindert werden, und dieser Artikel erläutert, wie dies erreicht werden kann.
Erzeugung von ESD
Statische Elektrizität wird tatsächlich durch eine Reihe physikalischer Prozesse erzeugt, darunter Stoffkontakt und -trennung, elektrostatische Induktion, dielektrische Polarisation und die Anlagerung geladener Teilchen. Aufgrund einer teilweisen Unausgeglichenheit der elektrischen Ladungen auf der Stoffoberfläche liegt statische Elektrizität auf der Stoffoberfläche als hohe elektrische Energie vor. Wo Bewegung ist, gibt es statische Elektrizität. Im Hinblick auf den SMT-Montageprozess kann statische Elektrizität in den folgenden Situationen auftreten:
a. ESD durch Reibung
Als eine der Hauptquellen für die Ableitung statischer Elektrizität ist Reibung eine der Hauptursachen für statische Elektrizität im SMT-Montageprozess. Schließlich wird im täglichen Leben immer dann statische Elektrizität erzeugt, wenn zwei Stoffe unterschiedlicher Materialien nach einem Kontakt wieder voneinander getrennt werden. Im SMT-Montageprozess tritt ESD in der Regel nach Reibung, Kontakt und Trennung zwischen dem menschlichen Körper und Kleidung, Schuhen, Socken usw. auf. Allgemein gilt: Je mehr isolierendes Material vorhanden ist, desto mehr statische Elektrizität wird durch Reibung erzeugt. Laut einschlägigen Studien weist die durch menschliche Bewegung erzeugte statische Elektrizität eine Spannung im Bereich von 100 V bis 3.500 V auf, was als Hauptursache für harte Schäden oder weiche Durchbrüche an elektronischen Bauteilen gilt.
b. ESD durch Induktion
Im Prozess der Elektronikfertigung werden elektronische Bauteile selbst zu elektrostatischen Quellen, wenn elektrostatische Stoffe, die große Energiemengen speichern, in ihre Nähe kommen. Wird ein leitfähiges Material in das Feld gebracht, werden positive und negative Ladungen übertragen und es entsteht statische Elektrizität. Wenn jedoch zwei Stoffe in engem Kontakt stehen, kommt es an der Berührungsstelle zu einer Elektronenwanderung. Darüber hinaus kann ESD auch an Geräten und Werkzeugen auftreten, die in der Elektronikfertigung verwendet werden, wie z. B.SMT-Bestückungsanlagen, Computer und Monitor, elektrischer Lötkolben, Reflow-Lötofen, Wellenlötofen und Prüfgerät.
c. ESD durch Leitung
Es ist häufig zu beobachten, dass elektronische Bauteile Metallanschlüsse oder -pins besitzen und sobald sie mit Objekten in Berührung kommen, die statische Elektrizität tragen, werden Ladungen schnell vom geladenen Körper auf den Metallkörper übertragen, wodurch die elektronischen Bauteile elektrostatisch aufgeladen werden. Sobald elektrostatisch aufgeladene Bauteile Kontakt mit der Erde haben, kann möglicherweise ESD-Schaden verursacht werden.
Attribute der ESD
Statische Elektrizität weist ein hohes Potenzial und eine geringe Leistung auf, und ihre Spannung kann Hunderte bis Tausende Volt erreichen, manchmal sogar noch höher. Statische Elektrizität wirkt normalerweise nur für einige Mikrosekunden, und die Luftfeuchtigkeit steht in so engem Zusammenhang mit statischer Elektrizität, dass eine Erhöhung der Luftfeuchtigkeit dazu beiträgt, ESD-Schäden zu verringern. Weitere Eigenschaften der statischen Elektrizität sind:
a. Verkleidung
Statische Elektrizität kann vom Menschen in der Regel nicht physisch wahrgenommen werden, und Menschen können einen elektrischen Schlag nicht zuverlässig spüren, da nur ESD mit einer Spannung von über 2 kV vom Menschen wahrgenommen werden kann, was ein verschleierndes Merkmal der Elektrostatik ist. Die durch ESD-Schäden verursachten Ausfälle oder Leistungseinbußen werden meist nicht offensichtlich, es sei denn, es werden Prüfungen durchgeführt oder die Bauteile praktisch eingesetzt.
b. Komplexität
Die Energie der ESD gehört zur Raumladung, die nur eine begrenzte Energiespeicherung aufweist. Als momentaner Hochspannungspuls ist sie lediglich in der Lage, Bauteilen kurzzeitige Stromschlagenergie zuzuführen. Trotz der geringen elektrischen Energie, die statische Elektrizität besitzt, ist es nicht so einfach, sie sicher abzuleiten, und ihre Beherrschung ist komplex. Ein ESSD (Electrostatic Sensitive Device) weist derart feine Schaltungen auf, dass eine Fehleranalyse nach ESD-Schäden an elektronischen Bauteilen nur schwer durchzuführen ist.
c. Schweregrad
Der potenzielle Ausfall aufgrund von ESD führt lediglich zu teilweisen Parameteränderungen. Solange diese sich in einem vertretbaren Bereich bewegen, werden die von ESD-Schäden betroffenen Bauteile die Prüfungen problemlos bestehen, was die Ursache für Frühausfälle sein wird. Die durch ESD-Schäden verursachten Defekte lassen sich in späteren Phasen kaum beheben. Schlimmer noch ist, dass sie in der Prüfphase nicht aufgedeckt werden.
ESD-Schäden
Was die Elektronikindustrie betrifft, so neigen elektronische Produkte dazu, miniaturisiert und multifunktional zu werden, und die Integrationsdichte mancher Komponenten nimmt weiter zu. Darüber hinaus wird die interne Isolierschicht immer dünner, die Verbindungsleitungen feiner und die Fähigkeit, die anliegende Spannung zu widerstehen, verringert sich. Eine Reihe elektrostatisch empfindlicher SMDs (Surface Mount Devices) weist eine Stoßspannung auf, die niedriger ist als die elektrostatische Spannung, die Menschen wahrnehmen können. Die elektrostatische Spannung, die während Herstellung, Transport und Lagerung erzeugt wird, ist jedoch weit höher als die Stoßspannung, was in der Regel dazu führt, dass die Bauteile einem harten oder weichen Stoß ausgesetzt werden. Schließlich fallen die SMDs aus oder ihre Zuverlässigkeit wird drastisch verringert.
Statistiken zufolge entfallen unter allen Ursachen für Ausfälle von Elektronikgeräten 8 % bis 33 % auf ESD, und die dadurch verursachten Schäden erreichen Milliarden US‑Dollar. Im Prozess der Hightech-SMT-Montage ist daher eine wirksame Kontrolle von ESD in der Lage, die Produktionseffizienz zu steigern, die Produktqualität zu verbessern und Gewinne zu erzielen. Daher ist es von großer Bedeutung, wirksame Maßnahmen zur Vermeidung von ESD zu ergreifen.
ESD führt bei empfindlichen Bauteilen zu plötzlichen Ausfällen oder latenten Ausfällen. Plötzliche Ausfälle, auch als Hard Damage bezeichnet, können dazu führen, dass Bauteile ihre Gesamtfunktion verlieren, wodurch interne Teile der Bauteile einen dauerhaften Ausfall erleiden oder Unterbrechungen (Opens) auftreten. Latente Ausfälle, auch als Soft Damage bezeichnet, können dazu führen, dass Bauteile in ihren Leistungsparametern beeinträchtigt werden, was zu instabilem Betrieb oder zur Verschlechterung bzw. zum Verlust von Teilfunktionen führt. Betrachtet man die durch ESD verursachten Gesamtausfälle, entfallen auf latente Ausfälle 60 % bis 90 % und auf plötzliche Ausfälle 10 %, was bedeutet, dass die meisten Ausfälle latente Ausfälle sind. Das Wesen latenter Ausfälle besteht darin, dass die Defekte der Bauteile durch Prüfungen kaum aufgedeckt werden können und es schwierig ist, die tatsächliche Ausfallursache zu ermitteln. Außerdem sind Nacharbeit und Bearbeitung mit hohen Kosten verbunden, und die Lagerdauer der Bauteile wird ebenfalls verkürzt.
ESD-Schutzmaßnahmen im SMT-Montageprozess
Der wesentliche Zweck des ESD-Schutzes währendSMT-Montageprozessbesteht darin, zu verhindern, dass ESSD (Electrostatic Sensitive Device) durch statische Elektrizität beschädigt wird. Das grundlegende Prinzip ist, dass die elektrostatische Aufladung an Orten, an denen ESD entstehen kann, wirksam kontrolliert, die Bildung eines elektrostatischen Feldes verhindert und elektrostatische Quellen streng überwacht werden sollten. Zusätzlich sollte die Menge der elektrostatischen Ladungen letztendlich reduziert und eine Echtzeitüberwachung, Inspektion und Wartung aller elektrostatisch geschützten Geräte durchgeführt werden. ESD-Schutzmaßnahmen werden hauptsächlich in Bezug auf die Werkstattumgebung, das Bedienpersonal, die Erdung und die Neutralisierung elektrostatischer Ladungen umgesetzt.
•ESD-Schutzmaßnahmen in der Werkstattumgebung
a. Anwendung einer statikfreien Erdung
Die Fertigungshalle ist ein so wichtiger ESD-Schutzbereich, dass alle ihre Teile frei von statischer Elektrizität sein sollten, einschließlich Boden, Wänden, Decke, Türen, Fenstern, Arbeitstischen, Fertigungswerkzeugen usw. Als wichtige Quelle elektrostatischer Aufladung sollten ESD-Schutzmaßnahmen sorgfältig umgesetzt werden. Zu den gängigen Maßnahmen gehören der Einsatz von antistatischem PVC-Boden, antistatischer Bodenbeschichtung und Gummibelägen.
Um den antistatischen Boden besser zu nutzen und seine Lebensdauer zu verlängern, sollten im Alltag einige Maßnahmen ergriffen werden. Zum Beispiel sollte der Boden gereinigt und frei von scharfen Gegenständen gehalten werden, die Kratzer verursachen könnten. Schmutz sollte vom Arbeitsbereich ferngehalten werden, und ölige Verschmutzungen auf dem Boden sollten rechtzeitig entfernt werden.
b. Kontrolle der relativen Luftfeuchtigkeit
Die relative Luftfeuchtigkeit in der Produktionsfabrik spielt eine entscheidende Rolle bei der Beeinflussung von ESD. Wenn sie nicht gut kontrolliert wird, entsteht eine hohe elektrostatische Entladung, was zu einer höheren Wahrscheinlichkeit von Produktionsunfällen durch statische Elektrizität führt. Daher kann die relative Luftfeuchtigkeit in der Montagewerkstatt angemessen erhöht werden, ohne den Produkten zu schaden. Zusätzlich sollten Materialien mit hoher statischer Aufladung von der Fertigungslinie ferngehalten werden.
c. Verwendung von statischem Schutzmaterial
Statisches Schutzmaterial bezeichnet eine Art von Material, das in der Lage ist, die Entstehung statischer Elektrizität zu verhindern, elektrostatische Ladungen abzuleiten oder ESD zu verhindern. Daher ist die Materialleistung für das gesamte ESD-Schutzsystem von entscheidender Bedeutung.
•Elektrostatisches Erdungssystem des menschlichen Körpers
Das ESD-Schutzsystem für den Körper besteht aus ESD-Schutzkleidung, Armband, Schuhen, Socken, Mützen, Handschuhen oder Fingerschutz, Schürze, Fußriemen usw. Das gesamte System verfügt über Funktionen zum Ableiten, Neutralisieren und Abschirmen statischer Elektrizität. Das elektrostatische Erdungssystem des menschlichen Körpers ist tatsächlich ein vollständiger Erdungskreis, der die Ansammlung statischer Elektrizität verhindert und aus Armband, Fußriemen, Schuhen, Unterlage, Boden, Matte, Erdungsabzweig und Haupterdungsleitung besteht.
•ESD-Erdung
Die wesentliche Methode, um statische Elektrizität im SMT-Montageprozess zu beseitigen, besteht darin, die im Herstellungs- und Bedienprozess erzeugte statische Elektrizität schnell abzuleiten. Erdung bezeichnet den Vorgang, bei dem elektrische Geräte mit einem Objekt verbunden werden, das in der Lage ist, eine große Menge an Ladungen zu liefern oder aufzunehmen. Erdung kann in harte Erdung und weiche Erdung unterteilt werden. Erstere bezeichnet die Erdverbindung über eine niedrige Impedanz, während letztere die Erdverbindung über eine hohe Impedanz bezeichnet.
•Neutralisierung elektrostatischer Ladung
Bei Leitern oder ableitenden Halbleitermaterialien kann ESD-Schutz durch Erdung erreicht werden, doch bei Isolatoren funktioniert dies nicht. Daher sollte zur Beseitigung elektrostatischer Ladungen eine Ionenneutralisation eingesetzt werden.
Kurz gesagt sollten ESD-Schutzmaßnahmen im gesamten Prozess der SMT-Baugruppenfertigung angewendet werden. Da sich die Elektroniktechnologie heute ständig weiterentwickelt, sollten auch die ESD-Schutzmaßnahmen verbessert werden. Da es sich um einen komplexen Prozess handelt, sollten unterschiedliche Maßnahmen ergriffen werden, um mit verschiedenen Anforderungen kompatibel zu sein, sodass ein wirksamer ESD-Schutz für die Geräte gewährleistet werden kann.
Elektrostatische Entladung (ESD) stellt ein erhebliches Risiko für elektronische Bauteile dar, insbesondere während des Prozesses der Surface-Mount-Technologie-(SMT-)Bestückung. Verursacht durch statische Elektrizität kann ESD elektronische Komponenten sowohl direkt als auch unbemerkt zerstören und so die Zuverlässigkeit und Funktionalität von Produkten beeinträchtigen. Da Elektronik immer weiter miniaturisiert und zunehmend komplex wird, ist ein wirksames ESD-Management durch statikfreie Umgebungen, Erdungssysteme und Ladungsneutralisation von entscheidender Bedeutung.
Die Integration umfassender ESD-Schutzverfahren in den Produktionsprozess gewährleistet eine verbesserte Produktqualität und -lebensdauer. Um Ihre elektronischen Baugruppen vor ESD-bedingten Defekten zu schützen, sollten Sie diese robusten Maßnahmen integrieren. Unsere Expertise bei der Umsetzung durchdachter ESD-Vorkehrungen im SMT-Bestückungsprozess macht uns zu Ihrem idealen Partner für Ihre Anforderungen in der Elektronikfertigung. Durch die Zusammenarbeit mit PCBCart profitieren Sie von unserem Engagement für Qualität und Innovation. Kontaktieren Sie uns noch heute, um ein individuelles Angebot zu erhalten und zu erfahren, wie unsere innovativen Lösungen Ihre Elektronikprojekte schützen und verbessern können.
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