ESD in der Elektronikfertigung ESD-Tiefziehteile: Wirtschaftlicher Hebel zwischen Fertigung, Logistik und Automatisierung

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Heitec AG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Elektrostatische Entladungen zählen zu den häufigsten und am schwersten erkennbaren Schadensursachen in der Elektronikfertigung. ESD-fähige Tiefziehteile aus Kunststoff schützen Bauteile und Baugruppen entlang von Fertigung, Transport und Lagerung.

Elektrostatische Entladungen (ESD) gehören zu den häufigsten, aber zugleich am wenigsten sichtbaren Schadensursachen in der Elektronikfertigung. Bereits Entladungen unterhalb der menschlichen Wahrnehmungsschwelle können Halbleiter, Baugruppen oder bestückte Leiterplatten dauerhaft schädigen. Die Folge: erhöhte Ausschussquoten, latente Fehler und vermeidbare Kosten entlang der gesamten Wertschöpfungskette.

Um elektronische Bauteile während Herstellung, Transport und Lagerung zuverlässig zu schützen, kommen ESD-fähige Kunststoff-Tiefziehteile zum Einsatz. Sie übernehmen dabei nicht nur eine Schutzfunktion, sondern sind ein zentrales Element moderner Fertigungs- und Logistikkonzepte.

Was sind Kunststoff-Tiefziehteile?

Kunststoff-Tiefziehen ist ein Fertigungsverfahren zur Herstellung dreidimensionaler Bauteile aus thermoplastischen Kunststoffen. Das Verfahren hat viele Namen und wird oft auch Thermoformen, Vakuum-Tiefziehen oder Vakuumformen genannt. Prinzipiell wird eine Kunststofffolie oder -platte erhitzt, auf ein (Aluminium-)Werkzeug gezogen, hier in Form gebracht und nach dem Abkühlen entformt und beschnitten.

Das Verfahren eignet sich besonders für die wirtschaftliche Fertigung formstabiler, leichter und funktionsintegrierter Bauteile. Typische Anwendungen in der Elektronikindustrie sind Trays, Werkstückträger, Inlays, Gehäuse und Schutzabdeckungen. Gegenüber alternativen Verfahren wie Spritzguss oder 3D-Druck bietet das Tiefziehen vor allem bei kleinen und mittleren Stückzahlen ein günstiges Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Vom Kunststoff-Tiefziehteil zum ESD-Funktionsbauteil

Damit Tiefziehteile für den Einsatz in ESD-Schutzzonen geeignet sind, wird der ESD-Schutz über die Materialzusammensetzung realisiert. Zum Einsatz kommen thermoplastische Kunststoffe wie ABS, Polystyrol oder Polycarbonat, die mit leitfähigen oder antistatischen Additiven, wie Ruß oder Graphit modifiziert werden.

Auf diese Weise lassen sich definierte elektrische Widerstandsbereiche zwischen ≥ 10⁴ und < 10¹¹ Ohm einstellen. In diesem Bereich werden elektrostatische Ladungen kontrolliert abgeleitet, ohne unkontrollierte Entladespitzen zu erzeugen oder eine erneute Aufladung zu begünstigen. Neben der elektrischen Leitfähigkeit spielt auch die Oberflächenbeschaffenheit eine wichtige Rolle. Glatte, abriebfeste Oberflächen reduzieren Partikelanhaftungen und Verschmutzungen.

ESD-fähige Kunststoffe im industriellen Einsatz

Die ESD-Eigenschaften eines Tiefziehteils werden maßgeblich durch den eingesetzten Grundwerkstoff und dessen Modifikation bestimmt. Je nach mechanischen, thermischen und optischen Anforderungen werden unterschiedliche thermoplastische Kunststoffe verwendet, die durch leitfähige oder antistatische Additive ESD-sicher ausgeführt werden können.

Zu den in der Elektronikfertigung am häufigsten verwendeten ESD-fähigen Thermoplasten zählen:

• ABS (Acrylnitril-Butadien-Styrol): ABS wird häufig für Gehäuse, Abdeckungen, Werkstückträger und Trays eingesetzt. Der Werkstoff bietet eine gute Kombination aus mechanischer Stabilität, Schlagzähigkeit und Oberflächenqualität. ESD-fähiges ABS eignet sich sowohl für Einweg- als auch für Mehrwegtrays sowie für tiefgezogene Akkuwannen, Platinenabdeckungen oder Verkleidungselemente in automatisierten Anlagen.

• Polystyrol (PS): PS gilt als Standard-Referenz-Kunststoff für tiefgezogene ESD-Trays, Inlays und Verpackungslösungen für Leiterplatten, bestückte PCBs oder elektronische Module. Die mittlere Härte und Festigkeit führen dazu, dass PS Kunststoff häufig für tiefgezogene Verpackungs- und Transportanwendungen mit geringen mechanischen Anforderungen zu günstigen Herstellungsoptionen verwendet wird.

• Polycarbonat (PC): PC kommt dort zum Einsatz, wo erhöhte Anforderungen an Temperaturbeständigkeit, Schlagzähigkeit oder Transparenz bestehen. Typische Anwendungen sind Displayabdeckungen, Berührungsschutz, Vergusswannen oder Abdeckelemente für elektronische Baugruppen.

• PMMA (Polymethylmethacrylat): PMMA wird verwendet, wenn zusätzlich optische Eigenschaften wie Transparenz oder hochwertige Oberflächen gefragt sind, zum Beispiel bei Abdeckungen, Kameraelementen oder Anzeigen.

• HD-PE (High Density Polyethylen): HD-PE zeichnet sich durch hohe Chemikalienbeständigkeit und Witterungsbeständigkeit aus. In ESD-fähiger Ausführung wird es unter anderem für großvolumige Abdeckungen, Gehäuse oder Verkleidungselemente eingesetzt, etwa in industriellen oder messtechnischen Anwendungen.

Welche Materiallösung im konkreten Anwendungsfall geeignet ist, hängt neben den ESD-Anforderungen auch von der mechanischen Belastung, Reinigungsprozessen, Temperaturbeanspruchung sowie optischen und normativen Vorgaben ab.

ESD-Tiefziehteile als Prozess- und Logistikelement

Der Mehrwert von ESD-Tiefziehteilen ergibt sich nicht nur im reinen Schutz vor elektrostatischer Entladung. In der Praxis übernehmen sie mehrere Funktionen gleichzeitig:

• Transportfunktion: Tiefziehteile in Form von Behältern, Inlays und Trays sorgen für eine sichere Übergabe zwischen Prozessen und Standorten.

• Widerstandsfähigkeit: Es können nach Bedarf ESD-Kunststoffe eingesetzt werden, welche gegenüber gängigen Reinigungs- und Desinfektionsmitteln beständig sind. Das stellt eine lange Nutzungsdauer sicher.

• Leicht & stabil: ESD-Tiefziehteile kombinieren geringes Gewicht mit hoher Formstabilität. Das macht sie ideal für Pendelverpackungen und Werkstückträger in der Elektronikfertigung.

• Designfreiheit: Mit ESD-Kunststoffteilen ist es möglich, komplexe Geometrien, Mehrfachkavitäten und stapelbare Formen zu realisieren, die genau auf elektronische Bauteile zugeschnitten sind.

• Automatisierungsschnittstelle: Durch reproduzierbare Toleranzen und passgenaue Niederhalter bleiben elektronische Komponenten während Transport und Produktion geschützt, auch im automatisierten Handling mit Robotik.

Gerade in automatisierten Prozessen wirken sich geeignet ausgelegte Werkstückträger unmittelbar auf Taktzeiten, Störanfälligkeit und Anlagenverfügbarkeit aus.

Typische Ausführungen in der Elektronikfertigung

Je nach Einsatzbereich erfüllen ESD-Tiefziehteile unterschiedliche Aufgaben entlang der Wertschöpfungskette:

• ESD-Trays und Werkstückträger kommen in automatisierten Bestückungs-, Prüf- und Montageprozessen zum Einsatz. Ihre bauteilspezifischen Kavitäten sorgen für lagegenaues Handling und zuverlässige Erkennung durch Robotik- und Vision-Systeme.

• ESD-Inlays fixieren elektronische Komponenten innerhalb von KLT- oder Transportbehältern und verhindern Bauteilkontakt sowie Lageveränderungen.

• Elektronikgehäuse schützen Leiterplatten, Steuerungen oder Bedieneinheiten vor mechanischen und elektrostatischen Einflüssen, auch während des Herstellungsprozesses.

• ESD-Behälter werden für den sicheren Transport und die Lagerung genutzt, beispielsweise als Stapelboxen oder KLT-Behälter.

Wirtschaftlichkeit im Vergleich zu alternativen Verfahren

Kunststoff-Tiefziehen eignet sich insbesondere für mittelgroße Serien unter engen Vorlaufzeiten. Während sich Spritzguss häufig erst bei sehr hohen Stückzahlen rechnet und der 3D-Druck trotz hoher Flexibilität vergleichsweise hohe Stückkosten verursacht, ermöglicht das Tiefziehen eine wirtschaftliche Serienfertigung bereits ab kleineren Losgrößen, oft ab wenigen hundert Stück.

Zu den wesentlichen Vorteilen des Tiefziehverfahrens zählen:

• kurze Projekt- und Lieferzeiten

• geringere Werkzeugkosten

• wirtschaftliche Umsetzung kleiner und mittlerer Stückzahlen

• große Material- und Variantenvielfalt

• schnelles Prototyping und Serienmuster

Damit eignet sich Kunststoff-Tiefziehen besonders für dynamische Fertigungsumgebungen mit wechselnden Produkten und Stückzahlen.

Fazit: ESD-Tiefziehteile als wirtschaftlicher Erfolgsfaktor

ESD-Tiefziehteile sind weit mehr als Verpackungslösungen. Sie verbinden ESD-Schutz, Automatisierungsfähigkeit und Logistik zu einem funktionalen Gesamtsystem. Unternehmen, die Werkstückträger und Verpackungslösungen frühzeitig in die Anlagen- und Prozessplanung einbeziehen, profitieren von geringeren Fehlerkosten, stabileren Abläufen und einer besseren Skalierbarkeit ihrer Fertigung.

In einem Umfeld steigender Qualitätsanforderungen, zunehmender Automatisierung und wachsender Kostensensibilität lohnt es sich daher, ESD-Tiefziehteile nicht nur als Schutzmaßnahme, sondern als wirtschaftlichen Hebel entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu betrachten. (sb)

* Lisa-Marie Bittner ist Co-Founderin bei Formary, einem digitalen Fertiger für Kunststoff-Tiefziehteile.

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