ESD-Schutz, Teil 3

Die Störwirkung zwei verschiedener ESD-Pistolen und ihre elektrischen Felder

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

Shunt mit spezieller Schirmung zur Messung des Pistolenstroms
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Shunt mit spezieller Schirmung zur Messung des Pistolenstroms (Langer EMV)

Bei einer ESD-Pistole treten elektrische Felder aus dem Pistolen-gehäuse aus und beeinflussen die Elektronik. Im dritten und letzten Teil untersuchen wir die elektrischen Felder von zwei verschiedenen ESD-Pistolen.

Im ersten Teil beleuchteten wir die Koppelmechanismen von ESD-Pistolen (IEC 61000-4-2). Der Zeitverlauf des Entladestroms wurde mit einer speziell entwickelten Messanordnung mit einer Bandbreite von 3GHz oszillografiert. Auf dem Zeitverlauf des Entladestroms wurden im Bereich der 1-ns-Vorderflanke Einschwingvorgänge mit einer Frequenz von 2 bis 3 GHz festgestellt. Diese Einschwingvorgänge erhöhen die Störwirkung für Anwendungen mit schnellen IC.

Im zweiten Teil zeigten wir die Ergebnisse einer Magnetfeldanalyse. Die H-Feldverläufe im Bereich der Pistolenspitze werden vom Endladestrom erzeugt. Entsprechend dem Endladestrom besitzen die Magnetfelder ebenfalls Flanken von 200 ps. Die erzielten Feldstärken sind ausreichend für das Stören von Elektronikbaugruppen. Im Bereich des Pistolenkörpers treten Felder mit vollkommen anderen Zeitverläufen auf. Sie können stärker sein, als die der Pistolenspitze. Damit werden Elektronikbaugruppen zusätzlichen Beeinflussungen ausgesetzt. In diesem Teil des Fachartikels werden für zwei Pistolentypen die elektrischen Felder untersucht.

Von den Besonderheiten schneller ICs in einer Schaltung

ESD-Pistolen verursachen beim Entladevorgang schnelle transiente elektrische Felder. Diese Felder entstehen durch das Schalten von Hochspannung an den inneren Elementen der Pistole. Sie breiten sich durch das Gehäuse in die Umgebung aus und können beim Prüfvorgang auf den Prüfling einwirken (Bild oben links).

Die ICs der elektronischen Schaltung werden entsprechend ihrer Empfindlichkeit mit Ausfällen reagieren. Abhängig ist die Empfindlichkeit der ICs vom Hersteller und der Technologie. Je schneller ein IC ist, umso kürzere Störimpulse kann er erkennen und in Fehler wandeln.

Mit der Schnelligkeit eines IC steigt seine Empfindlichkeit gegen extrem schnelle transiente Pulsfelder. Die elektrischen Pulsfelder E koppeln kapazitiv von der Pistole in Signalleitungen, Testpunkte, Pads, IC-Pins und in das Innere des IC. Die zusammengefasste Koppelfläche wird als Pad bezeichnet. Die Wirkung des elektrischen Feldes auf diese Fläche lässt sich im Ersatzschaltbild durch die Koppelkapazität C1 ersetzen. Sie liegt im fF-Bereich. Der Kapazitätsbelag des Pads gegen GND wird zu C2 zusammengefasst.

Der gesamte ohmsche Ersatzwiderstand, das kann ein Treiber oder Pull-R sein, wird zu RIC zusammengefasst. Wenn RIC << 1/ω C2 ist, kann C2 vernachlässigt werden. Dann arbeitet die Schaltung als Differenzierer. Die Spannung UESD der ESD-Pistole zu GND wird differenziert. Am IC-Pin entsteht letztlich eine differenzierte Spannung. Jede Störflanke mit der Anstiegszeit Δt des ESD-Vorgangs erzeugt einen Spannungsimpuls der gleichen Breite Δt am IC-Pin. Je Steiler die Flanke desto höher der Impuls.

Bild 2: Elektrische Feldeinkopplung in GPIO-Leitungen uund -Pad. Die Einkopplung erzeugt die Spannung UIC am GPIO. Dabei ist RIC der Pull- oder Treiberwiderstand am GPIO. Die Kurven wurden messtechnisch ermittelt.
Bild 2: Elektrische Feldeinkopplung in GPIO-Leitungen uund -Pad. Die Einkopplung erzeugt die Spannung UIC am GPIO. Dabei ist RIC der Pull- oder Treiberwiderstand am GPIO. Die Kurven wurden messtechnisch ermittelt. (Langer EMV)

Entscheidend für die Störwirkung der Pistole ist deshalb neben der Feldstärke E die zeitliche Änderung dE/dt (Bild 2). Ein IC besitzt eine dynamische Störschwelle. Wenn die Impulsbreiten unter einer Nanosekunde abfallen können nur schnelle ICs bei ausreichendem Spitzenwert die Störung wahrnehmen.

An zwei unterschiedlichen ESD-Pistolen messen

Die Messung des elektrischen Feldes E wird mit einem E-Feldmesser ausgeführt. Die Abmessungen der Messelektrode beträgt 20 mm x 20 mm. Die Größe dE/dt wird im Oszilloskop mathematisch oder durch Ausmessen des Feldstärkeverlaufs (ΔE / ΔT) gebildet. Die zu erfassenden Anstiegszeiten liegt bei < 100 ps. Dafür wird eine Bandbreite >3 GHz benötigt. Die ESD-Pistole wird mit einer massiven GND-Fläche kontaktiert und der Entladestrom über die Spitze der ESD-Pistole in das GND eingeleitet. Unterhalb der Pistole ist das Feldmesssystem angeordnet.

Bild 1: Angriff des schnellen transienten elektrischen Felds E der ESD-Pistole auf Flachbaugruppen (links) und Ersatzschaltbild der elektrischen Einkopplung in IC. Am IC-Pin entsteht der differenzierte Spannungsverlauf der Pistolenspannung (rechts)
Bild 1: Angriff des schnellen transienten elektrischen Felds E der ESD-Pistole auf Flachbaugruppen (links) und Ersatzschaltbild der elektrischen Einkopplung in IC. Am IC-Pin entsteht der differenzierte Spannungsverlauf der Pistolenspannung (rechts) (Langer EMV)

Um den Abstand vom Feldmesssystem zur Pistole festzulegen, wurde von dem Fall ausgegangen, dass die ESD-Pistole direkt an die Baugruppe angelehnt wird. Der Abstand zur Schaltung beträgt wenige Millimeter. Das Gehäuse der ESD-Pistole wird mit minimalem Abstand auf das Feldmesssystem aufgelegt (Bild 3). 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. Zunächst wurde die elektrische Feldstärke an der Pistolenspitze gemessen. Hier erzeugt der Endladestrom einen induktiven Spannungsabfall. Die steilsten Vorgänge des Endladestromverlaufes erzeugen die höchsten Spannungen. Die Vorderflanke der ersten Entladestromspitze sollte mit 1 ns den höchsten Anstieg haben.

Unterschiedliche Steilheiten und Maximalwerte der elektrischen Feldstärke

Bild 4: Elektrische Feldstärke von Pistole 2 im Bereich der Pistolenspitze (links) und Zeitverlauf der erste Entladestromspitze des Stromes von Pistole 2 (rechts)
Bild 4: Elektrische Feldstärke von Pistole 2 im Bereich der Pistolenspitze (links) und Zeitverlauf der erste Entladestromspitze des Stromes von Pistole 2 (rechts) (Langer EMV)

Im Teil 1 wurde festgestellt, dass der 1-ns-Vorderflanke 200-ps-Einschwingvorgängen überlagert sind, die die Steilheit erhöhen. Gemessen wurde die Feldstärke von 3 bis 9 cm entlang der Pistolenspitze (Bild 4). Der differenzierte Stromimpuls lässt sich aus der gemessenen elektrischen Feldstärke rekonstruieren. Bis 7 cm steigt die Feldstärke bei 9 kV Pistolenspannung auf 1,3 kV/cm. Der 1-ns-Anstieg der Stromspitze erzeugt einen 1 ns breiten E-Feld-Impuls, der von 200-ps-Einschwingvorgängen durchsetzt ist. Hier beträgt dE/dt 2,5 bis 5 TV / s cm.

Bis 9 cm verschwindet der 1-ns-Impuls und die 200-ps-Einschwingvorgänge bleiben. Von 6 bis >9 cm entsteht nach der Flanke ein Spannungsabbruch von ca. 2 kV/cm. In den Bildern 5 und Bild 6 ist zu erkennen, dass in Abhängigkeit vom Messort an der Pistole unterschiedliche Steilheiten und Maximalwerte der elektrischen Feldstärke erreicht werden. Die Zeitverläufe der Messpunkte lassen sich in drei markante Bereiche einteilen: Anstiegszeiten um 200 ps, 1 ns und >5 ns. Für Pistole 1 kann die Feldstärke E bei 9-kV-Pistolenspannung 19 kV/cm erreichen. Die Anstiegszeiten liegen zwischen 200 ps und 20 ns. Die Feldstärkeänderung kann bei ΔT 200 ps ungefähr 15 bis 20 TV/cm s erreichen. Damit kann eine Spannungseinkopplung in ein 7 mm² IC-Pad je nach Pull-Widerstand zwischen 10 und 200 V entstehen. Diese Spannung liegt am IC-Eingang an.

Die Ergebnisse hängen von der ESD-Pistole ab

Bild 7: Messung der elektrischen Feldstärke auf Pistole 2 am ersten Messpunkt „Maximales dE / dt“ (links) und Messung der elektrischen Feldstärke auf Pistole 2 am zweiten Messpunkt „Maximales E“ (rechts)
Bild 7: Messung der elektrischen Feldstärke auf Pistole 2 am ersten Messpunkt „Maximales dE / dt“ (links) und Messung der elektrischen Feldstärke auf Pistole 2 am zweiten Messpunkt „Maximales E“ (rechts) (Langer EMV)

Die Pistole 2 erreicht etwas kleinere E und dE/dt-Werte als Pistole 1. Pistole 2 Schafft nur 8 TV/s cm. Am 7-mm²-Pad und 1k-Pull-R können bis zu 40 V entstehen. An 100 Ohm entstehen 10 V (Bild 2). Das genügt für die Beeinflussungen von niederohmig getriebenen Leitungen. Kurioserweise entstehen hohe Feldstärken am hinteren Kunststoffrand des Pistolendisplays. Dabei beträgt das dE/dt 5TV/s cm. Bei 1-k-Pull-Widerstand und einer Leiterfläche von 7 mm² kann eine Impulsspannung von 10 V entstehen. Die Impulsbreite liegt bei 2 ns und beeinflusst langsame IC-Bausteine.

Bei der Anwendung von ESD-Impulsen auf Elektronik entfalten nicht nur die in der Norm 61000-4-2 festgelegten Kurvenform-Parameter des Endladestroms eine Störwirkung. Einfluss nehmen Einschwingvorgänge bei der Entladung und die aus dem Pistolenkörper austretenden elektrischen und magnetischen Felder. Pistole1 und 2 zeigte im Bereich der Spitze ein global ähnliches Verhalten. Die kritischen Orte auf dem Pistolenköper besitzen unterschiedliche charakteristische Felder. Pistole1 erzeugte ein größeres elektrisches Feld, wohingegen die Pistole2 ein größeres magnetisches Feld erzeugte. Die Ergebnisse der ESD-Prüfung sind trotz genormter Prüfverfahren von der verwendeten Pistole abhängig.

* Gunter Langer, Sven König und Mathias Wallbraun arbeiten beim EMV-Experten Langer EMV in Bannewitz bei Dresden.

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