Startseite » Allgemein »

Damit der Blitz nicht einschlägt

Antistatische Montage mit ESD-zertifizierten Druckluftschraubern
Damit der Blitz nicht einschlägt

Anzeige
Durch die zunehmende Integrationsdichte bei elektronischen Komponenten gewinnt das Thema ESD immer mehr an Bedeutung. Reichen doch schon unkontrollierte Entladungen von wenigen Volt, um Bauteile zu schädigen oder zu zerstören. Zu einem umfassenden ESD-Schutz gehört natürlich auch entsprechendes Werkzeug. Ein Beispiel dafür ist die Fertigung bei einem Hersteller von Steuerungen für Haushaltsgeräte.

Nach Informationen von Atlas Copco Tools GmbH, Essen

Aus dem Allgäu kommen neben Milch und Käse auch die „Gehirne“ vieler Millionen Haushaltsgeräte. „Weiße Ware nass“ könnte ohne die elektromechanischen und elektronischen Steuerungen aus dem zur Diehl-Gruppe gehörenden AKO-Werk in Wangen weder spülen und waschen, noch schleudern oder trocknen. Und ohne ESD-Schutz (ESD = electrostatic discharge) im gegen elektrostatische Entladung besonders empfindlichen Montagebereich wäre so manche Elektronik schon schadhaft, noch bevor sie ihren ersten Steuerbefehl abgegeben hätte.
Um diesen Fertigungsbereich betreten zu dürfen, muss man erst eine Schleuse passieren. Hier wird die ESD-Schutzausrüstung der Mitarbeiter und Besucher geprüft. Erst wenn man durch spezielle Schuhe oder ein leitfähiges Fersenband geerdet ist und das Prüfgerät Grün zeigt, geht es weiter. „Ohne diese Erdung könnte es beim Berühren der empfindlichen Bauteile dazu kommen, dass sich elektrostatisches Potenzial blitzartig entlädt und die Elektroniksteuerung beschädigt“, begründet Produktionsmeister Rudolf Ebenhoch die Sicherheitsvorkehrungen. „Als unsere Steuerungen noch mechanisch waren, brauchten wir keinen Gedanken an ESD zu verschwenden, aber mit dem Einzug hochsensibler Elektronik in die Haushaltsgeräte hat sich das sehr gewandelt.“
Kontrollierter Potenzialausgleich
Darum sind heute alle Beschäftigten in den ESD-Schutzbereichen über Schuhe und leitfähiges Handgelenkband permanent geerdet, sitzen auf geerdeten Stühlen, die auf einem ableitfähigen Bodenbelag stehen und arbeiten mit ESD-sicheren Geräten sowie auch Schraubern. Worauf es ankommt, ist der kontrollierte Potenzialausgleich in der Schutzzone, und dass Aufladungen vermieden werden. Doch wenn die überwiegend aus Kunststoff beste-henden Komponenten zu Steuerungen verschraubt werden, tritt unweigerlich Reibung auf. Sie führt zwangsläufig zu statischen Aufladungen, die unschädlich, das heißt weder zu langsam noch zu schnell, abgeführt werden müssen.
Im AKO-Werk Wangen ist das Entladungsproblem bei der Schraubmontage seit dem Frühjahr 2001 gelöst. „Im März letzten Jahres kauften wir den ersten ESD-zertifizierten Druckluftschrauber vom Typ LUM 21 PR, der aufgrund eines neuartigen Gehäuses antistatisch ist“, erinnert sich Ebenhoch. Dieses Gehäuse besteht aus einem spannungsableitenden Kunststoff, der nicht mit bisherigen leitfähigen Materialien aus Graphit- oder Kohlefasergemischen vergleichbar ist. Die Schrauber in Verbindung mit geerdeten Schraubbits und der von Atlas Copco entwickelten leitfähigen Luftschlauchinstallation, sichern einen kontrollierten Potenzialausgleich, wie Kontrollmessungen ergaben.
Natürlich habe es Alternativen zu dem in Form und Farbgebung an einen Maiskolben erinnernden Schrauber gegeben. Doch nach durchweg positiven Erfahrungen in der Erprobungsphase wurde die gesamte Fertigung mit einem runden Dutzend des Stabschraubermodells in ESD-zertifizierter Ausführung ausgestattet. „Aus vielerlei Gründen“, sagt der 44-jährige Produktionsmeister und nennt die wichtigsten: „Gegenüber den zuvor eingesetzten Modellen hat der LUM 21 ein sehr stabiles Drehmomentfenster mit hoher Wiederholgenauigkeit. DasToleranzfeld bei der Verschraubung von Frequenzumrichtern für Waschmaschinen liegt beispielsweise bei einem Drehmoment zwischen 2,0 und 2,3 Nm. Diese Anforderung konnten weder unsere inzwischen vollkommen abgeschafften Elektroschrauber noch die älteren Luftschrauber erfüllen.“ Doch die Kupplung des LUM-Schraubers schalte absolut präzise ab, weshalb „Durchreißer“ (Ausplatzungen im Kunststoff) oder nicht weit genug, bis zur Kopfauflage verschraubte Produkte, kein Thema mehr seien.
Ölfreiheit ist wichtig
Weil sich dem Montagevorgang ein Lötprozess anschließt, sei Ölfreiheit der Schrauber besonders wichtig. Öl auf der Leiterplatten-Oberfläche hätte fatale Folgen. Bei AKO hat sich gezeigt, dass Trockenlauf-Schrauber ihren geschmierten Brüdern und Schwestern durchaus ebenbürtig sind: Eine Arbeitsgruppe in der Fertigung montiert seit April 2001 elektronische Steuerungen für den amerikanischen Markt: täglich 2600 Einheiten mit je vier Schrauben. „Bei diesen 10.400 Schraubvorgängen täglich haben die Trockenläufer bis heute weit über 1,5 Mio mal geschraubt, ohne einen einzigen Ausfall“, sagt Ebenhoch und bekennt, eine solche Langlebigkeit habe er nicht erwartet. Denn je nach Schraubfall wird der ungewöhnlich große Drehmomentbereich der Abschaltkupplung (von 0,5 bis 4,5 Nm) voll ausgeschöpft. Beispielsweise bei der Montage von Kühlkörpern, die je nach Ausführung mit unterschiedlichen Drehmomenten zu verschrauben sind. Da AKO auch Kleinserien fertigt („klein“ bedeutet hier Losgrößen unter 20.000 Stück), müssen die Einrichter die Schrauber entsprechend häufig auf andere Drehmomente einstellen.
Ergonomischer Griff – auch für Frauenhände
Zählen für Rudolf Ebenhoch die technischen Aspekte, so weiß er aus Gesprächen mit den überwiegend weiblichen Beschäftigten, wie wichtig auch ergonomische Gesichtspunkte sind: „Die neuen Schrauber werden nach unten hin schlanker und lassen sich dadurch viel besser greifen als die alten schweren Schrauber mit zylindrischem Metallgehäuse,“ sagt die Gruppenführerin Wandschneider. Durch den konischen Griff findet jede Handgröße den ihr am besten liegenden Durchmesser. Die Gruppenführerin und ihr Team schätzen zudem den niedrigeren Geräuschpegel dieser ESD-Schrauber mit Schubstarter. Und eine andere Mitarbeiterin fügt hinzu, sie spüre im Handgelenk einen deutlichen Unterschied: Beim Abschalten sei kaum ein Rucken wahrzunehmen. Das war sie bei den früheren Schraubern anders gewohnt. Atlas Copco ist inzwischen Alleinlieferant für alle Druckluftschrauber bei Diehl AKO in Wangen.
Die Gefahren lauern überall
Wir alle kennen elektrostatische Entladungen, nicht nur durch Blitze bei einem Gewitter. An manchen Tagen genügt eine Handbewegung hin zur Autotür – und man zuckt zurück! Beim Ausziehen eines Pullovers knistert es zum Glück nur. Da werden aber auch nur schlappe 8000 V frei. Schon das elektrostatische Feld eines nicht zugelassenen Monitors kann zu unkontrollierten ESD-Belastungen ( > 20.000 V) führen. Beim Laufen auf einem Kunstfaser-Teppichboden können es gar 30.000 V werden und 12.000 V bei einem Linoleumboden. Bis zu 15.000 V entstehen durch Reibung am Sitzpolster eines Drehstuhls. Durch die ganz normalen Bewegungen eines Menschen an seinem Arbeitsplatz können statische Ladungen von 400 bis 6000 V erzeugt werden. Beim Ein- und Auspacken von mit Schaumstoff ausgeschlagenen Verpackungen oder Blasenfolie kann sich die Körperoberfläche auf bis zu 26.000 V aufladen.
Spüren können wir statische Entladungen erst ab einer Spannung von etwa 3000 V als leichten Stromschlag. Oft ist einem die Ladungserzeugung auch gar nicht bewusst. Doch schon 100 V genügen, um Informationen auf einem magnetischen Datenträger zu löschen, oder EPROM-Chips zu zerstören. 50 V reichen für einen Funken, der Gase entzündet, und 30 V, um elektronische Bauteile zu beschädigen. Um Pentium-Prozessoren oder die hochempfindlichen Leseköpfe von PC-Festplatten schon während ihrer Produktion zu Ausschuss zu machen, reichen sogar bereits 5 V.
Der Schutz vor spontanen und dann harten elektrostatischen Entladungen war lange Zeit kein Thema. Bis sich Reklamationen und Ausfälle häuften, für die es nur eine Erklärung gab: ESD. Dieses Kürzel steht für „electrostatic discharge“ und ist – nicht nur in der zuhauf davon betroffenen Fertigung elektronischer Bauteile – zu einem neuen Synonym für eine altbekannte, simple physikalische Gesetzmäßigkeit geworden. Sie wird uns mit zunehmender Integrationsdichte mikroelektronischer Bauteile immer stärker beschäftigen.
ESD-Schäden sind oft nicht sofort zu erkennen
Das Vertrackte daran: Der Schutz vor elektrostatischen Entladungen ist nicht weniger kompliziert und komplex als die Erkennung ihrer Folgen. ESD-Schäden müssen sich nicht sofort bemerkbar machen. Sie können latent vorhanden sein und erst dann zu Ausfällen führen, wenn das Bauteil bereits in Betrieb ist. Auch müssen sie gar nicht in der Fertigung entstanden sein. Schon der falsche Umgang mit elektronischen Komponenten beim Aus- und Einpacken genügt.
Das ungeschützte Berühren eines Schaltkreises mit bloßen Fingern führt zu der gleichen Energiedichte wie ein Blitz, der in einen Baum schlägt. Der im Bauteil angerichtet Schaden ist ganz ähnlich: verkohlte Verbindungen, verbrannte und durchgeschlagene Flächen, ja sogar Explosionsreste. Der populärste ESD-Schaden datiert aus dem Jahr 1937: Am 6. Mai explodierte das Luftschiff Hindenburg beim Andocken in Lakehurst/USA. 36 Menschen starben, als die 200.000 m³ Wasserstoffgasfüllung Feuer fing. Die bis heute offiziell nicht bestätigte Ursache: spontane Entladung elektrostatischer Elektrizität.
Ladungen entstehen und fließen überall. Berühren sich zwei zunächst elektrisch neutrale Körper, kommt es zu einem Ladungsübertritt, der dann bei einer darauf folgenden Trennung bestehen bleibt, und sich auf die gesamte Oberfläche verteilt. Bei Kontakt mit anderen leitfähigen Körpern oder Erdung fließt die Ladung schlagartig ab und kann eventuell schon kurz vor der Berührung überschlagen. Dagegen hilft nur eines: Ladungen kontrolliert abfließen lassen, also „harte“ Entladungen durch definierte Ableitung vermeiden.
Hierzu dienen spezielle ESD-Schutzzonen (englisch EPA genannt: electrostatic protected areas), die besonders gekennzeichnet sind, und nur von entsprechend geschultem und ausgestattetem Fachpersonal betreten werden dürfen. Das Ziel solcher Schutzzonen ist es nicht, sich vor der entstehenden Ladung zu schützen, sondern sie gezielt und definiert abzuleiten. In der Schutzzone muss der Boden darum aus ableitfähigem Material bestehen und geerdet sein. Ablage- und Arbeitsflächen brauchen Ableitwiderstände in einem definierten Bereich, um Ladungen weder zu schnell, noch zu langsam abfließen zu lassen. Bewegliche Ablagen haben neben ableitfähigen Oberflächen auch leitfähige Räder. Gleiches gilt für das Fahrwerk der Stühle, Überzug und Polsterung bestehen aus ableitfähigem Material. Das Problem ist immer auch die Ladung erzeugende Reibung. Ein zuverlässiger Schutz ist das Handgelenk-Erdungsband, das stets vor Betreten der ESD-Schutzzone zu testen ist, ebenso wie die Ableitung des Schuhwerks. Eventuell sind auch ableitfähige Fingerlinge oder Handschuhe zu tragen. Beim Handgelenk-Erdungsband, das Spannungen langsam und sicher über einen großen Widerstand (von normalerweise 1 MW) zur Erde ableitet, warnt Semtronics, ein Hersteller von Antistatik-Geräten, allerdings davor, dass es nicht zu locker getragen werden darf und die Leistungsfähigkeit effektiv zu überwachen sei. Ferner ist darauf zu achten, dass die Arbeitskleidung (z.B. Kittel) stets geschlossen ist. Statische Aufladung der persönlichen Kleidung lässt sich nämlich einsperren oder abschirmen. In der Produktion ist ESD durch definierte Ableitung, Ionisatoren und richtige Materialauswahl heute durchaus zu beherrschen.
Auch leitfähige Materialien erzeugen Aufladungen
Wo man auf ESD-zertifizierte Produktionsmittel zurückgreifen kann, wie unter anderem bei Schraubern, sollte man sich die Erdung nicht selber basteln. Es ist ein Irrtum, zu glauben, leitfähige Materialien könnten keine statische Aufladung erzeugen. Sie können. Aber richtig geerdete leitfähige Materialien können statische Aufladungen sehr schnell ableiten. Bei unsachgemäßer Erdung führen freilich auch sie zu ESD-Schäden. Alle Materialien sind in ihrem Ableitwiderstand darum sehr sorgfältig aufeinander abzustimmen. Außerdem braucht der ESD-Schutz bei Montagewerkzeugen heute weder die Ergonomie noch die Standzeit zu beeinträchtigen. Neue leitfähige Kunststoffe machen das möglich. Die Zeiten, in denen man sich statt besserer Alternativen mit Materialien aus Graphit- oder Kohlefasergemischen behelfen musste, sind vorbei, wie die bei Diehl AKO eingesetzten Schrauber zeigen.
Das ESD-Zertifikat dieser Schrauber bescheinigt zum Beispiel, dass sie eine Ladung von 100 V nicht länger als 2 s halten. Doch nur, wenn das für alle in einer ESD-Schutzzone eingesetzten Arbeitsmittel gleichermaßen gilt, ist die Systemkette geschlossen und ein wirklicher Schutz vor plötzlichen, harten Entladungen gegeben. Jede Ausnahme erhöht das Risiko. Solche Ausnahmen aber sind heute noch fast die Regel. Denn die Tatsache, dass es ESD-Zertifizierungen gibt, verpflichtet keinen, in seiner ESD-Schutzzone auch nur zertifizierte Arbeitsmittel einzusetzen. Der Aufwand dafür scheint aber nur solange verzichtbar, bis beim Endkunden Probleme entstanden sind. „Eines der größten Probleme beim Kampf gegen elektrostatische Entladungen ist, dass sie bisher immer nur als ein kritischer Punkt der Qualitätskontrolle betrachtet wurden; dabei handelt es sich um ein Problem der Prozesskontrolle“, sagt Simon Hawkins, Europa Produktmanager von Semtronics.
Das Bewusstsein der Mitarbeiter schärfen
ESD-Schutzzonen und -Routinen allein genügen also nicht. Das Hauptproblem sind die Menschen. Nach den Erfahrungen der Infineon-Gruppe, die in Ihrer Reinraum-Chipfertigung besonders intensiven ESD-Schutz betreiben muss, ist ein zuverlässiger Schutz gegen ESD nur dann möglich, wenn man allen Beteiligten bewusst macht, wo die Ursachen dieser Miniblitze mit ihrer Maxi-Wirkung in Miniaturbausteinen liegen. Nicht nur dichte integrierte Schaltungen, auch einfache Bauteile, wie Optos, Dioden und sogar Leistungshalbleiter, können durch ESD zerstört werden. Wichtig ist ein durchgängiger ESD-Schutz von der Herstellung der Bauelemente über ihre Weiterverarbeitung in Baugruppen und Endgeräten bis hin zu einer eventuellen Wartung oder Reparatur. Von den dazwischen liegenden Transportwegen mit ihren schwer kontrollierbaren Gefahren ganz zu schweigen.
Hier noch ein Tipp: Umverpackungen sind noch außerhalb der ESD-Schutzzone aufzureißen, bis das ESD-Label sichtbar wird. Handgelenk-Erdung anschließen und dann die aufgeklebten Versiegelungen nicht aufreißen, sondern aufschneiden. Im ESD-Bereich nur zugelassene Verpackungen und Füllmaterial verwenden, vor allem keine hochaufladbaren Materialien, wie Styropor. Bauteile dürfen beim Auspacken nur mit ableitfähigen Materialien in Verbindung kommen.
Anzeige
Schlagzeilen
Aktuelle Ausgabe
Titelbild EPP Elektronik Produktion und Prüftechnik 4
Ausgabe
4.2021
LESEN
ABO
Newsletter

Jetzt unseren Newsletter abonnieren

Webinare & Webcasts

Technisches Wissen aus erster Hand

Whitepaper

Hier finden Sie aktuelle Whitepaper

Videos

Hier finden Sie alle aktuellen Videos

Anzeige
Anzeige

Industrie.de Infoservice
Vielen Dank für Ihre Bestellung!
Sie erhalten in Kürze eine Bestätigung per E-Mail.
Von Ihnen ausgesucht:
Weitere Informationen gewünscht?
Einfach neue Dokumente auswählen
und zuletzt Adresse eingeben.
Wie funktioniert der Industrie.de Infoservice?
Zur Hilfeseite »
Ihre Adresse:














Die Konradin Verlag Robert Kohlhammer GmbH erhebt, verarbeitet und nutzt die Daten, die der Nutzer bei der Registrierung zum Industrie.de Infoservice freiwillig zur Verfügung stellt, zum Zwecke der Erfüllung dieses Nutzungsverhältnisses. Der Nutzer erhält damit Zugang zu den Dokumenten des Industrie.de Infoservice.
AGB
datenschutz-online@konradin.de