Experten schätzen, dass bis zu einem Drittel der Leiterplattenausfälle auf ESD zurückzuführen sind. Die heutigen elektronischen Baugruppen sind kleiner, komplexer und enthalten immer teurere Teile. Daher ist es sinnvoll, ESD zu reduzieren, kontrollieren und Leiterplatten während der Montage zu schützen.
Was ist ESD?
Elektrostatische Entladung wird dadurch verursacht, dass zwei Oberflächen oder Gegenstände mit unterschiedlicher elektrostatischer Ladung in engen Kontakt miteinander kommen. Wenn eine positiv und die andere negativ geladen ist, versuchen die Protonen und Elektronen, die diese Ladungen tragen, sich gegenseitig auszugleichen, indem sie sich am Kontaktpunkt schnell austauschen. Die plötzliche Freisetzung oder Entladung der aufgebauten Ladung verursacht eine ESD-„Spitze“.
Obwohl ESD unsichtbar ist, stellt sie in vielen Elektronikfertigungsanlagen eine ernsthafte Bedrohung dar. Statische Aufladungen aller Größenordnungen können irreversible Schäden an empfindlichen elektronischen Komponenten verursachen. Es gibt zwei gängige Arten von ESD-Schäden: katastrophal und latent. Ein katastrophaler Ausfall verursacht dauerhafte Schäden, sodass die Leiterplatte nie wieder funktionieren wird. Auch wenn sie während der Inspektion leichter zu erkennen sind, erfordern sie einen vollständigen Austausch der Leiterplatte.
Bei latenten ESD-Schäden kann die Leiterplatte teilweise in ihrer Leistung vermindert sein und weiterhin funktionieren. Die Komponente kann jedoch während ihrer Lebensdauer die Gesamtfunktion verlieren oder intermittierende Fehler aufweisen, was zu einem unzuverlässigen elektronischen Gerät führt. Obwohl diese Schäden die häufigste Ursache für ESD-Fehler darstellen, sind sie schwerer erkennbar und selbst bei strengen Tests immer noch unentdeckt bleiben, was für den Hersteller extrem kostspielig wird.
Woher kommt ESD?
Es gibt mehrere Möglichkeiten zum Auftreten von ESD. Die häufigste ist durch menschliche Berührung. Bei alltäglichen Aktivitäten speichern der menschliche Körper und einige Kleidungsstücke während eines typischen Arbeitstages statische Elektrizität von nur wenigen Volt bis zu vielen tausend Volt. Wird die Leiterplatte mit der Hand berührt, führt dies häufig zu ESD.
In einer elektronischen Produktionsstätte gibt es viele andere Situationen, in denen ESD die Leiterplattenbestückung beschädigen könnte. Beispielsweise ist die Verwendung von nicht geerdeten elektrischen Geräten, beispielsweise einem Oszilloskop bei der Fehlersuche in elektronischen Schaltungen, eine Hauptursache. Es sind jedoch nicht nur elektronische Geräte, die ESD verursachen. Trolleys und Förderer können ebenfalls Reibung aufbauen, Maschinen oder Materialien aneinander reiben, wodurch eine Ladung erzeugt wird. Selbst einfache Gegenstände wie Plastikbecher, die in der Nähe von elektronischen Schaltungen platziert werden, können Ladung erzeugen. Auch eine schnelle Luftbewegung nah einer elektronischen Baugruppe kann eine weitere ESD-Quelle sein. So ist die Verwendung von Druckluft zum Reinigen einer Leiterplattenbaugruppe oder das nahe Aufstellen eines Lüfters an einem heißen Tag eventuell problematisch.
Vermeidung von ESD-Schäden
In einer idealen Welt würden Leiterplatten mit Komponenten entworfen, die nicht ESD-empfindlich sind. Da elektronische Baugruppen jedoch immer kleiner werden und empfindliche Komponenten auf kompakten, dicht gepackten Platinen enthalten, ist dies keine leichte Aufgabe. Je komplexer und empfindlicher eine Leiterplatte wird, desto schwieriger ist es, ESD zu verhindern. Dennoch gibt es Möglichkeiten, ESD während der SMT-Produktion zu reduzieren.
Der Bereich, in dem die Leiterplatte hergestellt wird, kann ESD erheblich beeinflussen. Einige Arbeitsbereiche sind anfälliger für elektrostatische Entladungen als andere, wozu beispielsweise Wareneingang, Montage, Reparatur, Reinigung, Inspektion und Verpackung zählen. Glücklicherweise können praktische Verfahren und Maßnahmen implementiert werden, um ESD in der Arbeitsumgebung zu reduzieren.
ESD-Antistatikbänder sind eine einfache und effektive Möglichkeit, statische Aufladungen von Arbeitern abzuleiten. Handgelenkbänder können an eine geerdete Leitung angeschlossen werden, sodass die Person während der Arbeit an empfindlichen Leiterplatten kontinuierlich geerdet bleibt. Leitfähige Bodenmatten leiten elektrostatische Aufladung von Schuhen ab. Mittels Protokolle wird sichergestellt, dass alle Arbeiter antistatische Kleidung und Schuhüberzüge tragen. Zudem sollten sämtliche Arbeitstische, Geräteträger, Fußmatten und Handgelenkbänder geerdet sein, und die Temperatur bei 22 bis 18 °C sowie die Luftfeuchtigkeit im Produktionsbereich zwischen 40 und 70 % betragen, da feuchte Luft zur Ableitung statischer Aufladung beiträgt. Unnötige Gegenstände wie Plastik- oder Styroporbecher, selbst Notizblöcke und Stifte, die eine ESD-Aufladung erzeugen könnten, aus dem Arbeitsbereich entfernen. Alle Montageteile und Leiterplatten sollten in antistatischen Behältern und Verpackungsmaterialien versendet werden.
Statik wegwischen
Innerhalb elektronischer Fertigungsanlagen kann sich leicht statische Aufladung aufbauen. Arbeitsflächen, auf denen Geräte montiert werden, bis hin zu Werkzeugen, die zum Reinigen und Testen von Leiterplatten verwendet werden, können statisch aufgeladen werden. Fast alles in oder um die Produktionslinie kann betroffen sein, von Holzwerkbänken und Vinyl-Stuhlkissen bis hin zu Computermonitoren und Kunststoffschalen. Auch elektrische Lötkolben sowie Reflow- und Wellenlötöfen sind leitfähig.
Bei der Herstellung von Leiterplatten ist es wichtig, jegliche statische Aufladung durch Ableitung der Ladung zu entfernen. Dies kann durch regelmäßiges Abwischen aller Gegenstände, einschließlich Arbeitsflächen und Werkzeuge, mit vorgetränkten, ESD-reduzierenden Reinigungstüchern erfolgen. Durch die Verwendung eines hochwertigen ESD-Reinigungstuchs werden Verunreinigungen wie Fingerabdrücke, Fett und Öl entfernt, ohne Fusseln, Schmutz oder statische Aufladung zu hinterlassen. ESD-Reinigungstücher eignen sich hervorragend zum Entfernen von Verunreinigungen. Vorteilhaft sind Produkte mit einem geringen Alkoholgehalt, den zwar ist Alkohol ist ein idealer nichtleitender Arbeitsplatzreiniger, neigt jedoch dazu, Matten auszutrocknen, Risse zu verursachen oder Oberflächen spröde zu machen.
Statisch ableitende Reinigungswerkzeuge für Leiterplatten
Einige Flussmittelentferner und andere Reinigungsflüssigkeiten, die in der Leiterplattenproduktion verwendet werden, können bis zu 12.000 Volt ESD erzeugen, was mehr als genug ist, um elektronische Komponenten zu beschädigen oder zu zerstören. Dieser Aufbau von ESD entsteht durch die Reibung der statischen Moleküle, wenn sie sich durch das Kunststoff-Sprührohr nach unten bewegen, das üblicherweise zur Abgabe dieser Reinigungsprodukte verwendet wird. Es gibt jedoch alternative Werkzeuge, die mit Reinigungssprays verwendet werden können, um statische Aufladungen abzuleiten.
Durch Entfernen des Kunststoffhalms und Verwendung eines statischen Zapping-Spenderwerkzeugs, das an der Oberseite der Aerosoldose befestigt wird, kann ESD reduziert werden. Dieses statisch ableitende Werkzeug aus langlebigem Aluminium und Edelstahl macht den Benutzer zu einem Teil des Erdungskreises, indem es den Kontakt mit ihm aufrechterhält. So werden statische Aufladungen auf nur 50 Volt reduziert, um ESD-Schäden zu vermeiden.
Das Reinigen und Trocknen von Leiterplattenbaugruppen mit Druckluft kann die ESD erhöhen, da sich schnell bewegende Luft eine Ladungstrennung verursachen, was zu einer statischen Aufladung führt. Zur Verringerung des ESD-Risikos sollten alternative Reinigungswerkzeuge und -flüssigkeiten, speziell entwickelt, um die statische Aufladung abzuleiten und alle Verunreinigungen schnell zu entfernen, verwendet werden.
Ein ESD-sicheres Flussmittelentferner-Spendersystem ist ein weiteres Werkzeug, um statische Aufladungen beim Reinigen von Leiterplatten zu beseitigen. Es verbessert nicht nur das Ergebnis der Tischreinigung, sondern auch die ESD-Sicherheit. Das Spendersystem umfasst normalerweise Bürsten- und Spritzenaufsätze zur gründlichen Reinigung unter niedrig montierten Komponenten. Die Verwendung eines kontrollierten Spendersystems hält den Flussmittelentferner bei jedem Gebrauch sauber und liefert die richtige Menge an Flüssigkeit, um die Leiterplatte vollständig zu benetzen, jedoch ohne Overspray oder Abfall. Es reduziert den Flüssigkeitsverbrauch um bis zu 60 %, senkt so die Reinigungskosten und stellt sicher, dass jeder Tropfen in der Aerosoldose verwendet wird. Dies wiederum erleichtert die Entsorgung als ungefährlicher Abfall. Die Reinigung mit diesem Werkzeug trägt zudem für ein kontrolliertes ESD bei, indem alle Ladungen auf den Boden abgeleitet werden.
ESD entfernen und Zuverlässigkeit der Leiterplatte verbessern
ESD hat in modernen Elektronikfertigungsanlagen nichts zu suchen. Diese unsichtbare Bedrohung kann katastrophale Auswirkungen auf Leiterplatten haben. Da Leiterplattenbaugruppen mit hochempfindlichen Komponenten miniaturisiert und multifunktionalisiert werden, verringert sich die Fähigkeit, der anwendbaren Spannung standzuhalten. Daher ist es wichtig, jegliche ESD zu entfernen. Durch die Kontrolle von ESD können die Produktionseffizienz verbessert, die Produktqualität und -zuverlässigkeit erhöht und die Kosten gesenkt werden. Mit den richtigen antistatischen Reinigungswerkzeugen und -flüssigkeiten können elektronische Baugruppen geschützt werden.
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