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Jun 24, 2023

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Die Erdung ist die grundlegendste Eigenschaft aller Arten elektrischer Geräte. Es gibt viele hochwertige Artikel zu bestimmten Themen im In Compliance Magazine und größtenteils auch in anderen Publikationen

Die Erdung ist die grundlegendste Eigenschaft aller Arten elektrischer Geräte. Im In Compliance Magazine und in anderen Veröffentlichungen gibt es zahlreiche hochwertige Artikel zu bestimmten Themen, die sich hauptsächlich mit der Erdung auf Leiterplattenebene (PCB) befassen. Dieser Artikel konzentriert sich auf einen weniger beschrittenen Weg, nämlich die Erdung auf Systemebene, nämlich die Erdung der Geräte, die tatsächlich in den Fabriken verwendet werden.

Es gibt mehrere Schlüsselaspekte der Erdung, darunter Sicherheit, elektrostatische Entladung (ESD), elektromagnetische Interferenz (EMI) und Signalintegrität. Während dieses und andere Magazine ausführliche Artikel zu einem oder mehreren dieser Themen veröffentlicht haben, fasst dieser Artikel sie alle zusammen, um Gerätebenutzern und Werkzeugherstellern dabei zu helfen, zu verstehen, worauf es ankommt und wie eine optimale Bodenleistung erreicht werden kann. In diesem Artikel geht es nicht um die PCB-Erdung (es gibt viele hervorragende Artikel zu diesem Thema) und um tragbare Werkzeuge mit doppelter Isolierung, die nicht über eine Erdung verfügen.

Sicherheit steht immer an erster Stelle. Zu viele Spezialisten für ESD und EMI verfügen nicht über eine professionelle Ausbildung in elektrischer Sicherheit. Dieser Artikel ist alles andere als ein umfassender Sicherheitsleitfaden und deckt nicht alle wichtigen Sicherheitspunkte ab. Der gesamte Zweck dieses Abschnitts besteht darin, die Aufmerksamkeit von ESD- und EMI-Spezialisten in Fabriken und Werkzeugentwicklern auf die elektrische Sicherheit zu lenken, denen sonst möglicherweise nicht bewusst wäre, dass Erdung ein Sicherheitsaspekt ist. Ich empfehle denjenigen, die sich mit solchen Themen befassen, dringend, einen Kurs zur elektrischen Sicherheit zu absolvieren, sich mit lizenzierten Fabrikelektrikern anzufreunden oder einem Fabriksicherheitsausschuss beizutreten. In diesem Artikel kratzen wir nur an der Oberfläche und gehen auf die Grundlagen ein.

Warum ist die Erdung ein Sicherheitselement? Betrachten wir als Beispiel ein typisches Industriegerät, beispielsweise einen Handler für integrierte Schaltkreise (IC) oder eine Bestückungsmaschine für oberflächenmontierte Technologie (SMT) (oder jedes andere Werkzeug, mit dem Sie vertraut sind). Jedes dieser Werkzeuge wird über das Wechselstromnetz mit Strom versorgt, was bedeutet, dass in der Regel eine Spannung zwischen 100 und 440 V Wechselstrom in das Gerät gelangt. Wenn sich ein stromführender Draht in einer solchen Maschine oder einem solchen Werkzeug aus irgendeinem Grund löst, kann er ein Metallteil berühren und unter Spannung setzen (d. h. mit Spannung versorgen), zu dem ein Bediener Zugang hat. Nun steht dieses Metallteil, beispielsweise das Gehäuse, unter Hochspannung. Der Bediener kann leicht durch die Berührung eines solchen Teils einen Stromschlag erleiden.

Hier hilft die Erdung. Wenn alle für den Bediener zugänglichen Metallteile ordnungsgemäß geerdet sind, schließt ein unter Spannung stehender loser Draht, der ein solches Teil berührt, effektiv alle stromführenden Spannungen mit Erde kurz, und der daraus resultierende übermäßige Strom löst den Leistungsschalter aus, der die Stromversorgung des Werkzeugs unterbricht. Damit das alles funktioniert, müssen diese Bedingungen erfüllt sein:

Alle für den Bediener zugänglichen Leiter müssen geerdet sein1; Und

Wie leitfähig muss ein Erdungspfad sein, damit der Schutzschalter auslöst? Es gibt verschiedene Standards und Richtlinien zu diesem Thema, aber die wichtigste Antwort ist, dass der Erdungspfad mindestens so leitfähig sein sollte wie der stromführende oder der neutrale Pfad. Wenn Ihr Stromkabel AWG12-Stromkabel (oder 2 mm Durchmesser) verwendet, können Sie keine Erdungskabel verwenden, die dünner sind. Ein allgegenwärtiges grünes AWG18-Kabel reicht einfach nicht aus.

Müssen alle Erdungskabel im Inneren des Werkzeugs genauso dick sein wie die Stromkabel, die hineinführen? Nicht unbedingt. An Orten, an denen die Erdung zu anderen Zwecken als der Sicherheit erfolgt (z. B. ESD/EMI) und an denen keine spannungsführenden Leiter vorhanden sind, können Erdungsdrähte nach anderen Kriterien ausgewählt werden (siehe weiter unten in diesem Artikel).

Häufiger als gewünscht werden Erdungs- und Neutralleiter in der Anlagenverkabelung oder in der internen Verkabelung des Geräts selbst vertauscht. Dies führt dazu, dass der Rückstrom durch die Erde und nicht durch den Neutralleiter fließt, was neben einem Sicherheitsrisiko auch eine Vielzahl von Funktionsproblemen zur Folge hat. Ein allgegenwärtiger Steckdosenprüfer mit drei LEDs kann das nicht erkennen. Der einfachste Weg, dies zu überprüfen, besteht darin, den Wechselstrom am Erdungskabel, das in das Gerät eintritt, mit einer einfachen Wechselstromzange zu messen (stellen Sie sicher, dass Sie das Erdungskabel richtig identifizieren). Wenn der Erdstrom des Geräts während des Betriebs 0,1 A überschreitet, ist eine Untersuchung angebracht. Dies ist kein Grund für übermäßige Leckströme in Geräten, selbst wenn die Verkabelung korrekt ist.

Nach der Sicherheit besteht die zweithäufigste Verwendung der Erdung in Geräten darin, ESD-Überlegungen zu berücksichtigen, genauer gesagt, um einen Entladungspfad zur Erde für Leiter und statisch ableitende Materialien bereitzustellen. Wenn angesammelte statische Ladungen auf elektrisch erdfreien Leitern und dissipativen Materialien nicht auf Erdpotential entladen werden, können sie unerwünschte Spannung führen und Probleme für ESD-empfindliche Geräte verursachen.

Wie erden wir solche Objekte effektiv? Standards wie ANSI/ESD S6.1[1] und ein Omnibusstandard ANSI/ESD S20.20 [2] geben gute Empfehlungen. Hier werden wir einige hilfreiche Erzählungen hinzufügen.

Es ist für mich merkwürdig, dass Ingenieure und Techniker, die sich mit Erdungsproblemen befassen, nicht die wichtigste und logischste Frage zur Erde stellen, nämlich: Wie hoch ist die Spannung an der Erde? Nicht der Widerstand, da der Widerstand nur das Mittel zur Reduzierung der Spannung an geerdeten Teilen ist. Der gesamte Zweck der Erdung für ESD-Zwecke besteht darin, eine Umgebung mit Äquipotential zu schaffen.

Derzeit gibt es weder von der ESD Association noch von der IEC kohärente Standards, Standardpraktiken oder technische Berichte, die dieses Thema mit Einzelheiten zur Validierung behandeln. Dennoch ist dies die wichtigste Frage für die Sicherheit der Geräte im Prozess. Das einzige Dokument, das sich damit befasst, ist der SEMI-Standard SEMI E.176 [3], auf den ich später in diesem Artikel eingehen werde.

Wie stellen wir sicher, dass das, was geerdet werden muss, tatsächlich vorhanden ist? Es gibt implizite und explizite Möglichkeiten, Erdungsverbindungen bereitzustellen. Zu den impliziten Möglichkeiten gehört die mechanische Befestigung leitender Teile des Werkzeugs am geerdeten Rahmen, sodass keine offensichtlichen Erdungsdrähte vorhanden sind, die elektrische Verbindung über die mechanische Befestigung jedoch weiterhin vorhanden und ausreichend ist. Das Problem bei solchen impliziten Verbindungen besteht darin, dass sie unkontrolliert sind. Abhängig von der Konstruktion des Werkzeugs kann jede Komponente in der elektrischen Verbindungskette bei der nächsten Überarbeitung des Werkzeugs oder während der Reparatur oder Wartung so verändert werden, dass die elektrische Verbindung nicht mehr gewährleistet ist. Bei jeder Überarbeitung, Wartung oder Reparatur kann eine Metallscheibe durch eine Nylonscheibe ersetzt werden, oder ein ursprünglich blankes Metallteil kann eloxiert werden und so weiter.

Es gibt zwei Möglichkeiten, solche Probleme zu verhindern. Eine Möglichkeit besteht darin, Anforderungen für eine angemessene Erdungsverbindung in die Spezifikation des Werkzeugs sowie in die Wartungsverfahrens- und Überprüfungsdokumentation aufzunehmen (und diese sorgfältig zu befolgen). Eine andere Möglichkeit besteht darin, eine explizite, separate Erdungsmethode zu verwenden. Jede dieser Methoden ist praktikabel, und die Wahl liegt beim Benutzer des Geräts, da der Hersteller möglicherweise nicht die Bedeutung einer ordnungsgemäßen Erdung für ESD erkennt.

Ein Beispiel für eine explizite Erdung ist in Abbildung 1 dargestellt. Ich werde später in diesem Artikel auf diese Abbildung zurückkommen.

Abbildung 1: Explizite Erdung im IC-Handler

Verschiedene ESD-bezogene Standards wie ANSI 6.1, ANSI/ESD S20.20, ESD S10.1 [4], IEC 61340 [5] und einige andere Dokumente sowie proprietäre werksweite Dokumente bieten Leitlinien zur Erdung. In diesem Abschnitt wird lediglich versucht, einige Details zu klären.

Für die explizite Erdung und für die Erdung schwebender Metallteile wird in diesen Dokumenten ein Widerstandspfad zur Erde von weniger als 1 Ohm spezifiziert (oder empfohlen). Während dieses Ziel mit stationären Geräten relativ einfach zu erreichen ist, kann es für einige der beweglichen Teile schwer zu erreichen und nicht realisierbar sein.

Wenn sich das Teil nur ein wenig bewegt (sogar nur ein paar Zentimeter, wie es bei vielen Werkzeugen üblich ist), erfolgt die Erdung oft über ein flexibles Stahlkabel (ganz ähnlich einem Fahrradbremskabel, siehe Abbildung 2). Eine sorgfältige Auswahl des Materials, des Biegeradius und der Anzahl der Biegezyklen solcher Kabel ist erforderlich, um einen Bruch des Kabels bei der Verwendung zu vermeiden. Natürlich ist Stahl kein so guter Leiter wie Kupfer, aber er ist viel haltbarer. Und bei sehr kurzen Kabelstrecken ist der Widerstand kein wirkliches Problem.

Abbildung 2: Erdung beweglicher Teile mittels flexiblem Stahlkabel

Längere Bewegungen erfordern viel längere Strecken ultraflexibler Kabel, die durch flexible Leitungen geschützt sind, wie in Abbildung 3 dargestellt. Die interne Konstruktion solcher flexiblen Kabel unterstützt keine ausreichend dicke Drahtstärke. Daher verfügen viele ultraflexible Kabel über eine zusätzliche Schicht aus Teflon oder einem ähnlichen Material um jeden Draht, die einen niedrigen Reibungskoeffizienten ermöglicht und es den Drähten ermöglicht, beim Biegen gegeneinander zu gleiten.

Abbildung 3: Flexkabel an einem Roboterarm

Dies wäre bei allen ultraflexiblen Kabeln der Fall, mit oder ohne externen Kabelbaum, wie in Abbildung 2 dargestellt. Das Ergebnis ist ein höherer spezifischer Widerstand solcher Drähte, sodass eine 1-Ohm-Anforderung für die gesamte Verbindung angesichts aller Verbindungen nahezu unerreichbar ist entlang der Kette. Die Anforderungen an den Gesamtwiderstand von flexiblen Erdungsverbindungen schwanken typischerweise zwischen 2 und 10 Ohm, je nach Fabrik, obwohl ich auch 20 Ohm-Anforderungen gesehen habe. Würde eine solche Erhöhung über 1 Ohm die ESD-Umgebung im Prozess merklich verändern? Eigentlich ist das sehr unwahrscheinlich, aber die Ursache des Problems wäre ein Verlust der Masseverbindung.

Das Problem mit der Zuverlässigkeit einer expliziten Erdung über dedizierte Leiter besteht darin, dass der Ausfall einer Erdungsverbindung möglicherweise nicht sofort offensichtlich ist. Denn eine solche Erdung bzw. deren Fehlen ändert nichts an der Grundfunktionalität des Tools und kann einige Zeit unbemerkt bleiben. Ich habe leider viele Situationen erlebt, in denen explizite Erdungskabel für die Wartung des Werkzeugs abgeklemmt wurden, aber anstatt sie wieder anzuschließen, wurden die Drähte entweder vollständig entfernt oder ihre Enden blieben hängen, wodurch das Werkzeug ein wenig wie ein Igel aussah. Und diese Probleme treten typischerweise dann auf, wenn ein plötzliches ESD- oder EMI-Problem behoben werden muss.

Eine der Lösungen für das Problem des verlorenen Bodens ist die Bodenüberwachung, und es gibt viele Bodenmonitore auf dem Markt. Solche Monitore stellen unabhängig voneinander eine Verbindung zum geerdeten Punkt und zur Referenzerde her und geben einen Alarm aus, wenn eine Erdungsverbindung ausfällt.

Armbänder und/oder Armbandschnüre enthalten aus einem einfachen Grund einen 1-MOhm-Widerstand in Verbindung mit der Erde, nämlich um einen Stromschlag für das Personal zu verhindern. Sollte ein Bediener, der ein Armband trägt, versehentlich einen geerdeten Leiter berühren, sollte der Strom durch den Bediener 0,5 mA nicht überschreiten (ANSI/ESD S1.1 ANHANG B [7]), ein Grenzwert, der mit mehreren umfassenderen Sicherheitsstandards vereinbar ist. Bei 250 V RMS, der höchsten RMS-Wechselspannung unter herkömmlichen Steckdosen, sollte der Mindestwiderstand nicht weniger als 500 kOhm betragen (ohne Berücksichtigung des elektrischen Widerstands des Körpers des Bedieners). Ein 1-M-Widerstand würde diese Anforderung erfüllen, einschließlich zweier Armbänder, die zwei elektrisch parallel zueinander liegende Widerstände zwischen dem Körper des Bedieners und der Erde hätten. Versuchen Sie, kostengünstige Armbänder und Kordeln zu vermeiden, es sei denn, deren Widerstandsfähigkeit ist überprüft.

Sollte derselbe 1-MOhm-Widerstand zur Erdung anderer Gegenstände wie Metallgegenstände oder ableitfähige Materialien verwendet werden? Der häufig genannte Grund für die Verwendung eines 1 MOhm-Widerstands in solchen Anwendungen ist die Verlangsamung der Entladung. Würde es die Entladung wirklich verlangsamen?

Betrachten wir einen elektrisch schwebenden Metallgegenstand, der geerdet werden muss. Dieses Objekt hätte eine elektrische Kapazität, die (unter anderem) von seiner Größe abhängt. Angenommen, dieses Objekt liegt auf Erdpotential. Würde es dann einen großen Unterschied in den Entladungseigenschaften machen, ob das Objekt über einen Sub-Ohm-Widerstand, einen 1-M-Widerstand geerdet oder elektrisch schwebend belassen wird?

Abbildung 4 zeigt ein stark vereinfachtes äquivalentes elektrisches Schaltbild einer solchen Verbindung (parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten wurden der Übersichtlichkeit halber weggelassen). Ein Gerät (IC) hat eine bestimmte Kapazität, C1, und wird auf die Spannung V1 aufgeladen, wahrscheinlich weil es aus dem Fach gehoben wurde. Der Arm eines IC-Handlers ist dabei, dieses Gerät auf einem Shuttle (einem Metalltablett zum Bewegen von ICs im Handler) zu platzieren. Wenn der IC mit dem Shuttle in Kontakt kommt, wird die Spannung fast augenblicklich ausgeglichen.

Abbildung 4: Entladungsäquivalentschema

Zu Übungszwecken gehen wir davon aus, dass das Shuttle implizit über den Widerstand Rg und nicht durch mechanische Mittel geerdet ist. Letztendlich werden alle auf dem Shuttle verbliebenen Ladungen über Rg zur Erde abgeleitet. Aber das Problem, das wir zu lösen versuchen, ist die Rolle, die Rg bei den Eigenschaften der Entladung selbst spielt.

Der Widerstand Rc des Kontakts zwischen dem IC und dem Shuttle ist vernachlässigbar, vielleicht nur ein paar Milliohm. Wenn wir Rg auf 1 MOhm setzen, findet der größte Teil der Aktion zwischen dem IC und dem Shuttle statt, da Rg zu groß ist, um am Spannungsausgleich während einer kurzen Nanosekunden-Entladung teilzunehmen. Wenn wir diese Situation auf ein Extrem bringen und davon ausgehen, dass Rg einen unendlichen Widerstand hat, würde dies dann die Entladung verlangsamen? Natürlich nicht, da die Wellenform der Entladung nur durch die Kapazitäten der Metallteile und den Kontaktwiderstand Rc definiert wird. ESD-Anwender wissen genau, dass das Berühren einer schwimmenden CPM-Platte leicht zu einer Entladung führt, genau wie das Berühren eines vollständig isolierten Türknaufs aus Metall zu derselben Entladung führen würde. Die einzige Funktion von Rg besteht darin, die geringe Ladung, die der IC mit dem Shuttle geteilt hat, schließlich zur Erde abzuleiten und die Shuttle-Spannung auf Erdpotential zu bringen.

Das Gleiche gilt für statisch ableitende Matten. Das Einfügen eines 1-MOhm-Widerstands in den Erdungsanschluss ändert weder die Anstiegszeit noch die Amplitude der Entladung. Stattdessen wird nur die Ableitung der Ladung zur Erde verlangsamt, was im Fall von statisch ableitenden Materialien dazu führen kann, dass diese Materialien in schnellen Prozessen unter Spannung stehen. Während bestehende Praktiken die Verwendung eines 1-MOhm-Widerstands in einem Erdungskreis mit dissipativen Materialien zulassen, ist dies in der Realität kontraproduktiv.

Endlich kommen wir zum interessantesten Teil der Erdung, nämlich den hochfrequenten Spannungen am Boden oder EMI. Der Begriff mag in diesem Zusammenhang einen Puristen nicht zufriedenstellen, aber da er in der Branche weit verbreitet ist, werden wir ihn auch verwenden.

Jedes elektrische Gerät erzeugt parasitäre, beispielsweise ungeplante oder unerwünschte Signale. Automatisierte Geräte enthalten zahlreiche Quellen hochfrequenter Spannungs- und Stromsignale [8], wobei die stärksten von impulsgetriebenen Motoren (Servomotoren, Schrittmotoren und VFD – Frequenzumrichter) [9] und Schaltnetzteilen erzeugt werden. auch solche im Bereich LED-Beleuchtung. Diese Hochfrequenzsignale gelangen über parasitäre Kapazitäten zur Erde, was zu höchst unerwünschten Spannungen zwischen verschiedenen geerdeten Teilen der Ausrüstung führt. Das ist nie eine gute Nachricht, besonders aber eine schlechte Nachricht für empfindliche Geräte sowie zum Testen und Messen.

Warum konzentrieren wir uns auf Hochfrequenzspannungen und nicht auf andere Spannungen? Herkömmliche Erdungsmethoden kommen mit Gleich- und niederfrequenten Wechselspannungen ganz einfach gut zurecht. Aufgrund ihres geringen Erdungspfadwiderstands (siehe vorherige Diskussion) leiten sie jegliche Leck-Wechselspannung und statische Gleichspannung, die zufällig an Metall- und statisch ableitenden Teilen von Geräten anliegen, zur Erde ab. Aufgrund der parasitären Induktivität und Kapazität der Leiter und der gegenseitigen Beeinflussung zwischen ihnen bleiben nur hochfrequente Spannungssignale übrig. Während der Widerstand zur Erde bei Gleichstrom und niedrigen Frequenzen sehr gering sein kann, ist dies bei Hochfrequenzsignalen nicht der Fall, die wir im Detail analysieren werden.

Ein einfacher, gerader Draht, der sich hervorragend für ESD und Sicherheitserdung eignet, ist in Wirklichkeit ein Induktor. Obwohl die Berechnung dieser Induktivität etwas aufwändig sein kann, gibt es im Internet viele nützliche Java-basierte Induktivitätsrechner, die weitaus praktischer sind [10] als die Berechnung von Hand durchzuführen.

Als Referenz: Ein 1 m langer Draht mit 1 mm Durchmesser (AWG18) hat eine Induktivität von 1,5 µH. Bei 1 MHz würde dies eine Impedanz von 9,42 Ohm darstellen. Dies gilt nur für das gerade Kabel und die typischen Serviceschleifen des Erdungskabels erhöhen nur die Impedanz. Auch dafür gibt es Rechner [11]. Beispielsweise erzeugen fünf Windungen desselben Drahtes, gewickelt in einer Spule mit 6 Zoll (15 cm) Durchmesser, eine Induktivität von 6,1 µH mit einer Impedanz von 38 Ohm bei 1 MHz. Der gleiche Draht hätte bei Gleichstrom einen Widerstand von nur 0,06 Ohm.

Bei hohen Frequenzen wird der Strom durch das Magnetfeld verdrängt, das durch den fließenden Strom entsteht, der sogenannte Skin-Effekt. Je höher die Frequenz, desto dünner ist die leitfähige Schicht. Bei 1 MHz ist die äußere Leitschicht nur 66 µm dick. Der Skin-Effekt fügt nicht so viel Widerstand hinzu wie reine Induktivität (1 m AWG18-Draht entspricht 0,09 Ohm gegenüber 0,021 Ohm Ohm, wenn es keinen Skin-Effekt gäbe), aber es summiert sich alles. Mehradrige Drähte helfen, denn je größer die Drahtoberfläche, desto geringer der Widerstand. Aber die Drähte, die typischerweise in Produktionsumgebungen verwendet werden, haben zu wenige Litzen, um effektiv zu sein.

Zwei im selben Kabelkanal verlaufende Leitungen beeinflussen sich gegenseitig über kapazitive und induktive Kopplung. In Abbildung 2 gibt es Antriebssignale zwischen den Drähten im Flexkanal zu Servomotoren am Roboterarm sowie einen Draht zur Erdung des Arms selbst, die alle in unmittelbarer Nähe zueinander liegen. Ein typischer Roboterarm automatisierter Geräte verfügt über drei Servomotoren, einen für jeden Freiheitsgrad. Dies entspricht neun Drähten, die gepulste Spannung mit typischerweise 200 V Spitzenspannung führen (Klingeln und andere Artefakte nicht mitgerechnet). Die Anstiegs- und Abfallzeiten solcher Ansteuerimpulse liegen unter 50 ns, wodurch Signale entstehen, deren Spektrum bis zu 20 MHz reicht.

Im Beispiel von Abbildung 2 beträgt die Länge der Drähte im flexiblen Kabelbaum 3 m. Die Kapazität zwischen zwei benachbarten Drähten würde ungefähr 63 pF [12] betragen, was bei 20 MHz einer Impedanz von 125 Ohm entspricht. Das grobe äquivalente Schema würde wie das in Abbildung 5a aussehen.

Aufgrund der Eigenschaften der kapazitiven Kopplung ist die induzierte Spannung umso höher, je höher die Frequenz ist. Dementsprechend ist die induzierte Spannung umso höher, je schärfer die Flanken der Impulse sind.

Abbildung 5a: Induktion hochfrequenter Spannungen in die Gruppenleitung in einem flexiblen Kabelkanal aus Abbildung 2

Abbildung 5b: Induzierter Strom am Boden

Die parallel verlaufenden langen Drähte bilden einen verteilten Transformator. Ohne Kern und Wicklungswindungen funktioniert es nur bei höheren Frequenzen, und hier liegt das Problem. Abbildung 5b zeigt, wie der Strom in einem Draht entsprechende Ströme auf einen nahegelegenen Draht ausübt. Aufgrund der Eigenschaften dieses parasitären Transformators werden nur Hochfrequenzsignale von einem Draht zum anderen übertragen, wodurch Wellenformen entstehen, die denen in Abbildung 5a ähneln.

Man kann sich leicht in Simulationen und Berechnungen induzierter Spannungen und Ströme vertiefen. In unserem Fall führt dies jedoch aufgrund der Anzahl der Variablen, die im entsprechenden Schaltplan nicht berücksichtigt werden, und der Variabilität der Parameter zwischen den Werkzeugen wahrscheinlich nicht zu realistischen Ergebnissen. Aber Messungen dienen einem viel praktischeren Zweck. Messmethoden und -techniken werden in diesem Artikel [13], der zuvor in In Compliance veröffentlicht wurde, ausführlich beschrieben.

Abbildung 6 zeigt die typische Spannung zwischen der Düse des Roboterarms im IC-Handler und dem Chassis. Die Spitzen entsprechen den Anstiegs- und Abfallflanken des Störsignals.

Abbildung 6: Spannung zwischen der Düse des Roboterarms im IC-Handler und dem Chassis

Abbildung 7 zeigt den Strom zwischen Roboterarm und Chassis in einem anderen Werkzeug. Der Strom wurde mit der CT1-Sonde von Tektronix mit einem Verhältnis von 5 mV/mA ​​gemessen und der Spitzenstrom beträgt 76,8 mA. Das Klingeln ist lediglich ein Artefakt einer unausgeglichenen Impedanzanpassung, und die Herstellungsausrüstung ist weit entfernt von vollständig angepassten HF-Instrumenten.

Abbildung 7: Strom zwischen Roboterarm und Chassis

Was könnte an einer kleinen Spannung zwischen verschiedenen geerdeten Teilen falsch sein? Bei vielen Tools und Prozessen ist das kein Problem. Wenn Ihre Geräte nicht empfindlich gegenüber elektrischer Überlastung (EOS) sind und Sie sich nicht um Datenintegrität und Messgenauigkeit kümmern, besteht kein Grund zur Sorge. Da Sie diesen Artikel lesen, müssen Sie jedoch ein gewisses Interesse daran haben, die Spannungen und Ströme am Boden so niedrig wie möglich zu halten.

Geerdete Oberflächen sollen einen sicheren Raum für empfindliche Komponenten bieten, ohne dass die Möglichkeit einer Überspannung besteht. Wenn wir jedoch tatsächlich Messungen durchführen, kann die Situation ganz anders und oft unsicher sein.

Betrachten Sie beispielsweise die übliche Handhabung von ICs in einem IC-Handler oder einer SMT-Bestückungsmaschine (Abbildung 8). Ein Aktuator/Düse am Ende des Roboterarms verfügt im Vergleich zum oben beschriebenen Chassis über reichlich Hochfrequenzspannung. Ein Siliziumchip des IC ist in seiner unmittelbaren Nähe kapazitiv mit der Düse gekoppelt. Bei hohen Frequenzen weist diese kapazitive Kopplung eine sehr niedrige Impedanz auf. Wenn dieser IC entweder auf einem Testsockel oder auf einem Shuttle (einem Metallhalter zum Bewegen von ICs in der horizontalen Ebene) platziert wird, kann ein übermäßiger Strom durch das Gerät fließen, seine Struktur schwächen und zu Ausfällen im Feld oder sogar zu einem Ausfall führen völliger Misserfolg.

Abbildung 8: Mechanismus von EOS bei der automatisierten Handhabung von ICs

Dies ist nur ein Beispiel. Jeder Metallkontakt mit dem Gerät, wie z. B. Löten [14], Drahtbonden [15] oder andere, kann die Geräte unerwünschten Spannungen und Strömen aussetzen.

Es gibt zahlreiche Dokumente zur Kontrolle des Widerstands/der Impedanz von Erdungsverbindungen. Aber der SEMI-Standard E.176 „Leitfaden zur Beurteilung und Minimierung elektromagnetischer Interferenz (EMI) in einer Halbleiterfertigungsumgebung“ ist das einzige relevante Branchendokument, das tatsächlich die maximal zulässigen EMI-Spannungen und -Ströme auf der Erde basierend auf den Eigenschaften der in der Halbleiterindustrie verwendeten Geräte angibt Verfahren.

Während SEMI E.176 hauptsächlich für die Halbleiterfertigung geschrieben wurde, hat es einen direkten Einfluss auf alle Anwendungen von Halbleitern, zu denen auch die meisten heutigen Geräte gehören. Schließlich ändert sich die Empfindlichkeit von Halbleiterbauelementen nicht, sobald sie an ein Leiterplattenmontagewerk geliefert werden. Ich habe mehrere Artikel geschrieben, die in früheren Ausgaben von In Compliance [16] [17] veröffentlicht wurden und in denen SEMI E.176 ausführlich besprochen wird.

Ein Bezugspunkt: Heutzutage übliche ICs mit 10-nm-Geometrie sollten im stromlosen Zustand (d. h. bei der IC-Herstellung und -Handhabung, z. B. bei der Leiterplatten- und Produktmontage) in der Regel keinen Spannungen von mehr als 0,1 V an ihr und der Spitzenmasse ausgesetzt sein Ströme für diese Geometrie sollten 10 mA nicht überschreiten (Stufe 3 in SEMI E.176).

Solange Sie Erdspannungen und -ströme nicht messen und quantifizieren können, können Sie sie nicht kontrollieren. Ein weiterer meiner zuvor in In Compliance [13] veröffentlichten Artikel bietet detaillierte Anleitungen zur Methodik, Instrumentierung und Techniken für solche Messungen, und ich empfehle Ihnen, ihn zu lesen, bevor Sie Messungen durchführen.

Hochfrequenzsignale können Daten und Messungen auf verschiedene Weise stören. Die induzierte EMI-Spannung kann sich als gültiges Signal darstellen, da sie in Amplitude und Wellenform dem tatsächlichen Signal nahe kommen kann. Dies führt zu Datenkorruption [18] und Messfehlern [19],[6]

Elektroingenieure sind mit dem Ground Bounce-Effekt bei Halbleitern vertraut (siehe z. B. [20]). Meistens geht man davon aus, dass der Bodensprung auf der IC-Ebene geschieht, aber die Physik des Bodensprungs funktioniert auch auf Systemebene. Die Abbildungen 9 und 10 zeigen ein Beispiel dafür, wie es passiert.

Abbildung 9: Bodensprung auf Systemebene

Abbildung 10: Bodensprung verursacht zusätzlichen Puls

Abbildung 9 zeigt, wie Stromspitzen von Quellen wie dem Motorbetrieb zur Anlagenerde gelangen und so einen Spannungsabfall an der Erdungsverkabelung des Werkzeugs verursachen. Die resultierende Spannung an der Masse des Werkzeugs ist nicht mehr dieselbe wie die Masse der Anlage und nicht dieselbe wie die Masse eines anderen Werkzeugs, mit dem das Werkzeug zu kommunizieren versucht (in diesem Beispiel der USB). Unter solchen Bedingungen sind die Logikpegel nicht mehr gültig, wie in Abbildung 10 dargestellt, und das nächste Logikgatter kann leicht 1 mit 0 verwechseln und umgekehrt, je nach Zeitpunkt und Amplitude dieser Störung. Das Schlimmste daran ist, dass es im System keine Aufzeichnungen über solche Ereignisse gibt und es oft unmöglich ist, sie zu reproduzieren.

Das bloße Verstehen des Problems ist nur der erste Schritt zur Lösung. Es gibt verschiedene Methoden, um EMI-Probleme vor Ort zu mindern. Alle drehen sich um die gleichen drei Grundprinzipien:

Je nachdem, ob Sie Geräteentwickler oder Gerätebenutzer sind, können Ihre Möglichkeiten variieren.

Die beiden größten EMI-Quellen in Geräten sind Pulsweitenmodulationsmotoren (PWM) (z. B. Servomotoren, Schrittmotoren und Frequenzumrichter) und Schaltnetzteile (SMPS). Wenn es uns gelingt, dV/dt an den Flanken ihrer Impulse zu verringern (mit anderen Worten, die Signalübergänge zu verlangsamen), wird es weniger EMI geben, die am Boden induziert werden müssen. Entwickler von PWM-Antrieben und SMPS versuchen, diese Kanten so scharf wie möglich zu gestalten, damit sich die Ausgangstransistortreiber nicht so stark erwärmen und die Schaltung einfacher wird. Typische Anstiegs-/Abfallzeiten von Antriebsimpulsen in einem Servomotor liegen bei etwa 50 ns, was einem Spektrum von bis zu 20 MHz entspricht.

Jetzt ist es unsere Aufgabe, dafür zu sorgen, dass diese Laufwerke und SMPS für uns so funktionieren, wie wir es möchten. Die einzige praktische Möglichkeit, die Anstiegs- und Abfallzeiten von Impulsflanken zu erhöhen, ist die Filterung. Bei SMPS gilt: Je stärker der Gleichstromausgang gefiltert wird, desto besser. Bei PWM-Antrieben ist ein sorgfältigerer Ansatz erforderlich, da der Versuch, gepulste Antriebssignale zu filtern, leicht dazu führen kann, dass die Motoren eine schlechte Leistung erbringen oder überhaupt nicht funktionieren.

Abbildung 11 zeigt die ursprüngliche Anstiegsflanke eines Servomotor-Antriebsimpulses und die geänderte Flanke nach Anwendung eines Servomotorfilters. Die Abbildungen 12a und 12b zeigen das Ergebnis einer solchen Kantenmodifikation mit einem etwa 50-fachen Erdstromabfall.

Abbildung 11: Modifizierte Anstiegszeit mit SF20101-Motorfilter

Abbildung 12a: Erdstrom ohne Filter

Abbildung 12b: Erdstrom mit dem Filter

Zur Reduzierung der EMI von Schaltnetzteilen werden häufig Gleichstromfilter wie der in Abbildung 13 gezeigte verwendet, da sie Hochfrequenzanteile aus der Gleichstromversorgung entfernen.

Abbildung 13: DC-Filter [23]

Das Filtern von EMI ist wie das Filtern von verschmutztem Wasser, bei dem Sie Verunreinigungen blockieren und sauberes Wasser durchlassen. Unsere Leser sind wahrscheinlich bereits mit dem Konzept der EMI-Filterung auf Drähten und Kabeln vertraut, auch wenn sie nie über einen Filter nachgedacht haben. Die allgegenwärtige Ferritklemme (normalerweise ein schwarzer Klumpen an einem Computerkabel) ist in Wirklichkeit ein EMI-Filter für Kabel. Aus technischer Sicht handelt es sich bei einer Ferritklemme um einen Stromwandler mit kurzgeschlossener Sekundärseite, der hochfrequente Signale in Kabeln in Wärme umwandelt (nein, man kann das nicht durch Anfassen prüfen – die Energie ist zu niedrig, um dies zu bemerken). Weg). Und Ferritklemmen sind kostengünstig und einfach zu implementieren.

Das Problem ist ihre begrenzte Leistung. Die meisten Ferritklemmen werden erst am oberen Ende des Spektrums wirksam, über 50 MHz oder so (ein großer Teil der EMI-Energie bei der Herstellung liegt unter 1 MHz), und die Dämpfung, die sie bei diesen Frequenzen bieten, ist weitgehend auf 10 dB begrenzt. Eine Ferritklemme ist oft die erste Möglichkeit, die Ausbreitung elektromagnetischer Störungen einzudämmen. Aber die Verwendung einer Ferritklemme ist der Verwendung eines Pflasters nicht unähnlich. Es stoppt leichte Blutungen und deckt einen kleinen Kratzer ab, reicht aber bei schwerwiegenderen Verletzungen nicht aus.

Erdungs-EMI-Filter, wie der in Abbildung 14 gezeigte, bieten eine viel bessere Leistung, indem sie Breitbandsignale erheblich dämpfen und gleichzeitig für eine niedrige Impedanz für die Netzfrequenzen sorgen (wir dürfen nicht vergessen, dass Erdung ein Sicherheitselement ist). Eine der Anwendungen eines Erdungsfilters ist in Abbildung 15 dargestellt. Es befasst sich mit dem Problem der durch EMI verursachten EOS-Belastung, wie in Abbildung 8 dargestellt. Die Modifikation ist unkompliziert und umfasst eine Isolierplatte aus mechanisch hartem Material wie FR4. Bakelit oder ein gleichwertiges Material, das zwischen den Teilen des Roboterarms und dem Endstück angeordnet ist, wird über den Filter von Abbildung 14 geerdet. (Siehe [24] für eine detaillierte Beschreibung der Implementierung einer solchen Filterung in einem IC-Handler in der Produktion).

Abbildung 14: Erdungs-EMI-Filter für Geräte [25]

Abbildung 15: Der Erdungsfilter am Roboterarm blockiert elektromagnetische Störungen an der Düse

Die Abbildungen 16a und 16b zeigen den Erdstrom zwischen dem Roboterarm und dem entsprechenden Chassis ohne und mit Filter. Ein solcher Erdungsfilter, der in Drähte zur ESD-Erdung innerhalb von Geräten eingesetzt wird, blockiert die Ausbreitung von elektromagnetischen Störungen im gesamten Werkzeug und erfüllt gleichzeitig alle relevanten ESD- und Sicherheitsstandards. Ein ähnlicher Ansatz mit ähnlichen Ergebnissen kann auch auf Bodenniveau einer Anlage verfolgt werden, insbesondere in Anlagen, die eine separate Erdung verwenden. In solchen Fällen verhindert das Einsetzen eines Erdungsfilters alle paar Meter, dass sich elektromagnetische Störungen von lauten Werkzeugen auf Werkzeuge ausbreiten, die eine geräuscharme Umgebung erfordern.

Abbildung 16a: Erdstrom ohne Filter

Abbildung 16b: Erdstrom mit installiertem GLE04-01

Der wichtigste Aspekt bei Erdungsfiltern besteht darin, sich daran zu erinnern, dass die Erdung ein Sicherheitselement ist und dass die Verwendung von Erdungsfiltern keinen Einfluss auf die Einhaltung relevanter ESD-Standards und -Praktiken haben sollte.

Eine ordnungsgemäße Erdung geht über das bloße Verlegen eines grünen Kabels hinaus. Eine gute Erdung kann dazu beitragen, den unterbrechungsfreien Betrieb Ihrer Geräte und die Integrität Ihrer Daten sicherzustellen, während eine schlechte Erdung genau das Gegenteil bewirken kann. Unabhängig davon, ob Sie Elektriker, ESD-Experte oder EMV-Ingenieur sind, sollten Sie nicht nur den Aspekt der Erdung berücksichtigen und berücksichtigen, der zu Ihrem Fachgebiet passt, sondern alle Erdungsaspekte, einschließlich Sicherheit, ESD, EMI und Datenintegrität. In den meisten Fällen kann ein einzelner Standard nicht alle Anforderungen im Prozess ausreichend berücksichtigen. Achten Sie besonders auf elektromagnetische Störungen am Boden, da diese alle Geräte miteinander verbinden und einen Kanal für die Ausbreitung elektromagnetischer Störungen darstellen. Umfassender, hochwertiger Boden ist eine solide Grundlage, um den reibungslosen und effizienten Ablauf Ihrer Prozesse und Geräte sicherzustellen.

emiesdgroundingsafetySystem Level GroundingVladimir Kraz

Vladimir Kraz ist Präsident und Gründer von OnFILTER, einem kalifornischen Hersteller von leistungsstarken, in den USA hergestellten EMI-Filtern und Instrumenten. Vladimir hält zahlreiche US-Patente zu den Themen EMI und ESD. Er ist Leiter der EMC Standards Task Force bei SEMI, Mitglied der ESD Standards Association und Autor zahlreicher technischer Artikel in Publikationen und internationalen Symposien.

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