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SMC Mit Ionisierer ESD-Schäden vermeiden

| Autor / Redakteur: Denis Salesski / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Beim Krimi ein Muss – in der Elektronikindustrie verboten: hohe Spannung. Eine Methode, um in der Industrie vor allem der statischen Elektrizität beizukommen, um ED-Schäden zu vermeiden, ist die Ionisierung. Moderne Ionisierer schützen nicht nur hocheffizient, sondern auch sehr gezielt und schonend.

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Bei einem Ionisierer überwacht und regelt ein interner Sensor die Ionenbalance. Positiv und negativ geladene Ionen erreichen gleichzeitig das Werkstück. Die Potenzialamplitude am Werkstück beträgt maximal 25 V.
Bei einem Ionisierer überwacht und regelt ein interner Sensor die Ionenbalance. Positiv und negativ geladene Ionen erreichen gleichzeitig das Werkstück. Die Potenzialamplitude am Werkstück beträgt maximal 25 V.
(Bild: SMC)

Der Umgang mit Halbleiter-Bauelementen birgt immer die Gefahr, dass Schäden durch elektrostatische Entladungen (ESD) auftreten. Und die Praxis zeigt: Es sind keine Einzelfälle. Expertenschätzungen zufolge geht rund ein Viertel aller Defekte zurückgegebener Bauteile auf das Konto eines ESD-Schadens. Weil die Schäden in der Regel systematisch auftreten – also immer dieselbe Stelle betroffen ist –, sind meist mehrere Bauteile betroffen. Die hohe Empfindlichkeit von Halbleiter-Bauelementen ist der Hauptgrund dafür, denn nehmen Menschen einen ESD-Impuls erst ab etwa 3000 V wahr, sind Hochfrequenzschalter wie Diodenlaser (GaAs-Halbleiter), Feldeffekttransistoren und Leuchtdioden bereits bei Sperrspannungen im Bereich von 5 bis 30 V gefährdet. Nicht minder anfällig reagieren Mosfet und IGBT.

Die Schadenserkennung ist oft ein Problem

Treten ESD-Schäden bei Halbleiter-Bauelementen auf, sind sie äußerst schwer zu erkennen. Geschädigte Bauteile zeigen meist eine völlig normale Funktion und sind mit den normalen Produkttests nicht zu entdecken. Frühausfälle oder abnormes Verhalten in Grenzbereichen – wie zum Beispiel bei erhöhten Temperaturen, extremer Feuchte oder schnellen Schaltzyklen – sind dagegen typisch.

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Weil Ausfälle erst Tage, Wochen oder sogar Monate später beim Endkunden auftreten, übersteigen die Kosten für Rückholung, Diagnose, Reparatur und möglicherweise Schadenersatz die reinen Bauteilkosten um das Zigfache. Daher legen Hersteller und Verarbeiter elektronischer Bauteile allergrößten Wert auf die Bekämpfung der elektrostatischen Aufladung. „ESD-Schäden vermeiden, statt sie beheben“, so lautet das Ziel.

Ein Ionisierer für jede Anwendung

„Für Halbleiter und Isolatoren geschieht das am einfachsten und sichersten mit modernen Ionisiergeräten“, sagt Melanie Firll, aus dem German Technical Center bei SMC Deutschland, einem Egelsbacher Unternehmen für pneumatische und elektrische Automatisierungstechnik.

Für das Messen, Kontrollieren und Abbauen statischer Elektrizität bietet der Hersteller eine ganze Palette unterschiedlicher Geräte: Angefangen bei tragbaren Messgeräten (Serie IZH) über Ionisierer in Stab-, Düsen- und Gebläseausführung (Serien IZS, IZN, IZF) bis hin zu Reinigungsboxen (Serie ZVB), elektrostatischen Sensoren (Serie IZD) und digitalen Messwertanzeigern (Serie IZE) reicht das Sortiment laut Firll.

De-Ionisierung erfolgt im Schongang

Für den Abbau statischer Elektrizität auf ebenen Flächen sind Stabionisierer am besten geeignet. Je nach Modell lässt sich damit die statische Elektrizität von 1000 auf 100 V in lediglich 0,1 s abbauen. Mit besonderen Eigenschaften für die Halbleiterindustrie warten die Stabionisierer der Serie IZT42 auf. Bei diesen Ionisierern handelt es sich um einen Dual-AC-Typ. Sie emittieren positive und negative Ionen gleichzeitig. Dadurch lässt sich die Potenzialamplitude am Werkstück auf maximal 25 V begrenzen. Das haben zahlreiche praktische Tests bestätigt. Empfindliche Werkstücke wie Glassubstrate oder Mikrochips werden so überaus schonend behandelt. Dabei wird die Ionenbalance, das heißt die Zusammensetzung der am Werkstück ankommenden Ionenwolke, bei den Ionisierern der Serie IZT41/IZT42 durchgehend überwacht und geregelt. Ein interner Sensor regelt die Balance positiver und negativer Ionen bei laufendem Betrieb.

Der automatische Abgleichsensor ist im Hochspannungs-Versorgungsmodul integriert und kann überall montiert werden. Er überwacht die emittierte Ionenmenge des Ionisierers unter Verwendung der Erdungsleitung. Die Emissionsrate wird daraus bedarfsabhängig ermittelt und hält das ursprüngliche Ionengleichgewicht aufrecht.

Potenzialamplitude und Abbauzeit

Bei der IZT-Reihe ist die Controller- und Hochspannungs-Versorgungseinheit vom Ionisierer getrennt. Dadurch schrumpft die Einbauhöhe gegenüber den Vorgängermodellen der nahezu baugleichen IZS-Serie um rund 60 % und die Einbaubreite um über 35 %. Weil Einbauraum heute in vielen Maschinen knapp geworden ist, kann das den entscheidenden Unterschied ausmachen. Da vier Ionisierereinheiten an einen Controller angeschlossen werden können, lassen sich in bestimmten Einbausituationen drei Controllereinheiten einsparen.

Für die Auslegung der Ionisierer spielen die Potenzialamplitude und die Abbauzeit eine wichtige Rolle. Die Potenzialamplitude bezeichnet Spannungsspitzen am Werkstück, die bei der Erzeugung der Ionen entstehen können. Die Abbauzeit gibt die Schnelligkeit wieder, die für den Abbau der statischen Elektrizität benötigt wird. Sie hängt sowohl vom Abstand zwischen Ionisierer und Werkstück als auch von der Konfiguration der Druckluftunterstützung ab. Weiterhin kann die Abbauzeit durch Veränderung der Ionenerzeugungsfrequenz optimiert werden.

Bei der Bestückung müssen diese Werte mit der Prozessgeschwindigkeit beziehungsweise der Laufgeschwindigkeit eines Förderbands in Einklang gebracht werden. Nur dann ist gesichert, dass die auftretende elektrostatische Ladung hinreichend sicher abgebaut werden kann. Dabei lassen sich die Vorgaben zum ESD-Schutz als Referenz nutzen.

Als effektivsten Abstand empfiehlt SMC 300 mm. Mit dem Verstellen der Ionenbalance – dem Durchschnittswert der am Objekt ankommenden Ionenwolken – ist dieser Bereich jedoch erweiterbar. Bei sehr hoher Druckluft und großer Zeitdifferenz sind bis zu 2 m Abstand möglich.

Überwachung erfolgt über eine SPS

Probleme wie eine überhöhte Spannung oder die Verschmutzung der Elektrodennadeln zeigen die Modelle der IZT41/42-Reihe an. Einstellungen lassen sich am Controller ohne Werkzeug manuell vornehmen. Über digitale Ausgänge ist die ständige Überwachung und Kommunikation mit der SPS möglich. Die Montage erfolgt über eine Steckverbindung. Im Betrieb sind die Ionisierer wartungsarm. Verunreinigungen an den Elektrodennadeln werden über die Druckluft automatisch vermindert und bei einem fälligen Austausch lassen sich die kompletten Elektrodennadelkassetten einfach abnehmen und austauschen. „Optional“, erklärt Firll, „lassen sich die Ionisierer auch mit Elektrodennadeln aus Silizium ausstatten.“ Damit ist sichergestellt, dass zum Beispiel bei der Herstellung von Wafern keine unerwünschte Dotierung stattfindet.

Die einfachen Methoden zur Bekämpfung elektrostatischer Spannung sind in der Elektronik- und Halbleiterindustrie wenig geeignet. Weder die Erdung noch die Anhebung der Luftfeuchte kommen als sinnvolle Alternative infrage. Doch mit dem Einsatz moderner Ionisiertechnik ist durch geeignete Maßnahmen ein sehr gezielter, sicherer und schonender Abbau gewährleistet. MM

* Denis Salesski ist Engineer bei der SMC Deutschland GmbH in 63329 Egelsbach.

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