ESD-Schutz, Teil 2

Wie eine ESD-Pistole ein elektronisches System beeinflusst

13.12.12 | Autor / Redakteur: Sven König, Mathias Wallbraun und Gunter Langer * / Hendrik Härter

Bild 1: Angriff des schnellen transienten magnetischen Feldes H der ESD-Pistole auf Flachbaugruppen
Bild 1: Angriff des schnellen transienten magnetischen Feldes H der ESD-Pistole auf Flachbaugruppen (Langer EMV)

Extrem schnelle Magnetfelder aus einer ESD-Pistole beeinflussen das zu untersuchende Elektroniksystem. In unserem Beitrag vergleichen wir zwei Pistolentypen und ihr entsprechendes Magnetfeld.

Im ersten Teil analysierten wir die Koppelmechanismen von ESD-Pistolen nach DIN EN 61000-4-2. Sie führen von der Störquelle, in unserem Fall die Pistole zur Störsenke, also der Elektronikbaugruppe. Der in den Prüfling eingespeiste Entladestrom sollte der einzige Wirkungsweg von Störungen der ESD-Pistole sein. Messungen zeigen aber, dass beim Entladevorgang aus dem Gehäuse der Pistole Störfelder austreten. Diese Felder beeinflussen den Prüfling praktisch ungewollt.

Worauf beim Einsatz einer ESD-Pistole zu achten ist

Im ersten Teil wurde der Zeitverlauf des Entladestromes messtechnisch erfasst. Dabei ergab sich, dass der 1 ns Vorderflanke der Entladestromspitze hochfrequente Einschwingvorgänge überlagert sind. Diese Einschwingvorgänge erhöhen die Flankensteilheit in Zeitabschnitten von ca. 200 ps. Diese Erhöhung erzeugt mit uind = L di/dt in den Leitungsnetzen des Prüflings eine zusätzliche Spannungsinduktion. Schnelle Integrierte Schaltkreise reagieren auf Grund ihrer niedrigeren dynamischen Schwelle auf diese kurzen Impulse.

Vor einigen Jahren waren die ICs zu langsam, um die schnellen Vorgänge zu bemerken. Moderne ICs leiden unter dem Problem. Die parasitären Felder der ESD-Pistole mit ihren Zeitverläufen und damit verbundenen Wirkungen auf den Prüfling sind weitestgehend unbekannt. Die Zeitverläufe und Wirkung sind abhängig vom Pistolentyp, der eingestellten Spannung und der Annäherung des Pistolengehäuses an den Prüfling. Es können sowohl elektrische als auch magnetische Felder entstehen.

Der Stromweg des Entladekreises im Bild 1 besteht aus einem Kondensator mit 150 pF, einem Widerstand mit 330 Ω, einem Schalter und diversen Stromleitern. Alle Elemente sind pistolentypabhängig im Pistolengehäuse unterschiedlich angeordnet. Das bedeutet, dass typabhängig aus der Gehäuseoberfläche der Pistole die Felder vollkommen unterschiedlich austreten können. Werden baugleiche Pistolen verwendet, ist die Lage zum Prüfling entscheidend.

In Abhängigkeit von Lageänderungen können unterschiedliche Felder auf den Prüfling einwirken und stören. Weiterhin können durch die unterschiedlichen Pistolentypen mit anders angeordneten Schaltelementen, bei ähnlicher Führung der Pistole, andere Felder entstehen. Ein abweichendes Prüfergebnis kann die Folge sein.

Bei dem Entladevorgang der ESD-Pistole werden mit Hochspannung geladene Kondensatoren über einen Schalter mit hoher Geschwindigkeit entladen. Der Entladestrom wird über die Metallspitze der Pistole in den Prüfling/Prüfaufbau geleitet. Im Pistolenkörper fließt der Entladestrom durch Stromleiter und Schaltelemente zur Pistolenspitze. Der Stromkreis schließt sich über die Gehäusemasse der Pistole zum Erdkabel. Über das Erdkabel werden nur die niederfrequenten Anteile fließen.

Die hochfrequenten Anteile fließen über parasitäre Kapazitäten durch die Luft zum Prüfaufbau. Das erfolgt über das elektrische Feld und dem damit verbundenen Verschiebestrom. Der Entladevorgang erzeugt in der Umgebung der Leiter ein Magnetfeldimpuls. Auf Grund parasitärer Effekte sind der Entladestrom und das Magnetfeld längs des Stromweges im Zeitverlauf unterschiedlich.

Das Magnetfeld H treibt einen magnetischen Fluss an, der in Leiterschleifen der Elektronik Spannung induziert. Die Schleifen können durch Leiterzüge auf der Baugruppe oder im IC gebildet werden. Schleifengrößen von wenigen Quadratmillimetern sind ausreichend. Der für die nachfolgenden Experimente verwendete dΦ/dt–Messer besitzt ein Schleife von 8,25 mm². Für die Störwirkung, also die Spannungsinduktion, ist die Änderung des magnetischen Flusses Φ pro Zeiteinheit uind = -dΦ/dt maßgebend. Im Bild 2 ist die Stromschleife eines IC dargestellt, wie sie vom Fluß Φ einer ESD-Pistole durchsetzt wird. Die Stromschleife kann eine Vdd/Vss Schleife sein. Wenn in ihr eine negative Spannung induziert wird, hebt diese für Nanosekunden die Versorgungsspannung auf. Damit werden beispielsweise Registerinhalte vollkommen oder teilweise chaotisch verändert, ohne dass es unmittelbar von außen bemerkt wird. Für diesen Prozess werden induzierte Spannungen im Voltbereich von 0,5 bis 40 V benötigt.

Bei schnellen ICs stellt sich eine höhere Störwirkung ein

Die im Bild 2 dargestellte Induktionsschleife kann auch zu einem Schwingquarz oder Reset-Anschluß gehören. Je nach Knowhow des IC-Herstellers kann die Puls-Störfestigkeit dieser Pins zwischen 1 und 500 V liegen. Die Messanordnung zeigt Bild 3. Das Gehäuse der ESD-Pistole wird mit minimalem Abstand auf das Feldmesssystem aufgelegt. Für die Definition des Messortes wird das Gehäuse in Gebiete eingeteilt: links, oben, rechts und unten. Der Ort im Gebiet wird mit dem Abstand zur Spitze gekennzeichnet.

In Bild 4 ist die Spannungsinduktion dargestellt, die der Entladestrom der Pistolenspitze aus Pistole 2 in der Schleife bewirkt. Untereinander sind der Entladestrom, der Fluß Φ und die induzierte Spannung dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Entladestromspitze auf Grund ihrer Steilheit von 8,2 A/1 ns die entscheidende Spannungsinduktion erzeugt. Der Impulsrücken hat praktisch keine Wirkung.

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