Mikroelektronische Bauteile und Systeme

Messtechnik für verbesserten ESD-Schutz

| Autor / Redakteur: Horst Gieser * / Hendrik Härter

Komplexe Testmethoden: 
Fraunhofer-Forscher haben ein erweitertes 
Messverfahren entwickelt, bei dem ein Stromsensor integriert ist. Das Bild zeigt eine Entladung während der ESD-Belastung an einem USB-Stick.
Komplexe Testmethoden: 
Fraunhofer-Forscher haben ein erweitertes 
Messverfahren entwickelt, bei dem ein Stromsensor integriert ist. Das Bild zeigt eine Entladung während der ESD-Belastung an einem USB-Stick. (Bild: Fraunhofer EMFT)

Mikroelektronische Bauteile und Systeme werden immer kleiner und komplexer und das hat Auswirkungen auf den ESD-Schutz. Fraunhofer-Forscher haben eine Lösung entwickelt, um reproduzierbar zu messen.

Wohl jeder hat schon einmal eine (unangenehme) Erfahrung mit elektrostatischen Entladungen gemacht: Man fasst an den Türgriff und bekommt ohne Vorwarnung „eine gewischt“, nachdem man zuvor über einen Teppichboden gelaufen ist. Ein anderes Beispiel ist der Pullover aus Kunstfasern, der beim Ausziehen anfängt zu knistern.

Manchmal lassen sich dabei sogar kleine Funken beobachten. Damit der Mensch eine solche Entladung spürt, sind um die 3000 V nötig. Halbleiterbausteine, Herzstück aller elektronischer Geräte, die uns im Alltag umgeben, sind da weniger hart im Nehmen: Bei ihnen können schon 30 V zu einer Schädigung oder Funktionsbeeinträchtigung führen.

Die ESD-Festigkeit realitätsgetreu berechnen

Das Bauelement wird damit zwar nicht zwangsläufig unbrauchbar. Oftmals verschieben sich nur bestimmte Parameter, was dann beispielsweise zu einer höheren Stromaufnahme führt. Eine erhöhte Stromaufnahme muss die Funktionalität des Bauteils nicht beeinträchtigen und fällt auch bei Funktionstests nicht auf. Sie kann jedoch die Lebensdauer eines Akkus oder einer Batterie deutlich verkürzen, beispielsweise im Smartphone.

Die Gruppe „Analyse und Test“ an der Fraunhofer-Einrichtung für Mikrosysteme und Festkörper-Technologien EMFT beschäftigt sich seit mehr als 20 Jahren mit dem Thema ESD-Schutz und unterstützt Industriekunden aus unterschiedlichsten Brachen bei der Risikoanalyse und der Entwicklung individueller ESD-Schutzstrukturen für Bauteile und Systeme.

Solche ESD-Schutzstrukturen werden in das Bauteil bzw. an dessen Anschlüssen integriert, um einen Teil der Entladungsenergie abzupuffern. Das funktioniert entweder über Widerstände, die den Stromfluss begrenzen, oder über den Einbau so genannter Schutzschaltungen, die den ESD-Impuls aufnehmen.

ESD-Schutz und filigranere Strukturen der Bauelemente

Ein wesentlicher Treiber ist der anhaltende Trend zur Miniaturisierung in der Mikroelektronik: Denn mit den immer filigraneren Strukturen der Bauelemente reduziert sich auch die maximal zulässige Entladespannung. Umso wichtiger ist es, die ESD-Festigkeit eines Bauteils oder einer Baugruppe so realitätsgetreu wie möglich berechnen und auf Basis der Ergebnisse die erforderlichen Schutzmaßnahmen konzipieren zu können.

Vereinfacht gesagt: Die Spielräume werden kleiner – und die heute gebräuchlichen Testmethoden stoßen zunehmend an ihre Grenzen, da sie die Realität oft nicht vollständig abbilden können. Um einzelne Bauteile auf ihre ESD-Festigkeit zu testen, kommen bislang vor allem zwei verschiedene Simulationsmodelle zum Einsatz: Das Human Body Model (HBM) sowie das Charged Device Model (CDM).

Während das HBM die Entladung eines Menschen über den Baustein simuliert, wird beim CDM der Baustein selbst aufgeladen und anschließend entladen. Das CDM spielt deshalb für automatisierte Produktionsumgebungen eine zunehmende Rolle.

Das Problem dabei: Da bei diesem Test mehr oder weniger kontrollierbare Luftentladungen entstehen können, unterliegen die Messergebnisse Schwankungen und sind nur schlecht reproduzierbar. Für den schmalen Toleranzbereich bei miniaturisierten Bauelementen benötigt man jedoch absolut exakte Messungen, um einen sicheren ESD-Schutz gewährleisten zu können.

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