Effizienter und systematischer Schutz vor ESD

ESD ist seit jeher ein Problem in jedem elektronischen System. Allerdings haben die stetige Miniaturisierung und Integration das ESD-Problem verschärft. Auch gibt es keine allein selig machende Lösung, sondern viele verschiedene Entstörbauelemente – mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen. Nur wenn der Entwickler sein System genau kennt, kann er die richtigen Schutzmaßnahmen treffen.

ESD ist seit jeher ein Problem in jedem elektronischen System. Allerdings haben die stetige Miniaturisierung und Integration das ESD-Problem verschärft. Auch gibt es keine allein selig machende Lösung, sondern viele verschiedene Entstörbauelemente – mit ihren jeweiligen Vor- und Nachteilen. Nur wenn der Entwickler sein System genau kennt, kann er die richtigen Schutzmaßnahmen treffen.

Allgemein ist bekannt, dass elektronische Systeme anfällig für Schäden durch elektrostatische Entladung (electrostatic discharge, ESD) sind. ESD unterscheidet sich von anderen Transienten im zeitlichen Ablauf. Die Anstiegszeit von Null auf Maximalstrom beziehungsweise -spannung ist extrem kurz, weniger als 1 ns. Andere Transienten können Anstiegszeiten von mehr als 1 μs aufweisen. An dieser Stelle sollte auch daraufhin hingewiesen werden, dass Menschen ESD-Spannungen über 25 kV erzeugen können.

Grundsätzlich gibt es drei Schadensarten aufgrund von ESD. Da ist zum einen der Software-Ausfall, bei dem die Datenintegrität nicht mehr gewährleistet ist beziehungsweise sich das System aufhängt. Dies ist ein vorübergehendes Problem und wird häufig über Algorithmen zur Datenkorrektur oder durch einen Neustart des Systems behoben. Zweitens können nach einem ESD-Ereignis latente Defekte auftreten, welche die Leistung eines Bauteils innerhalb des Systems teilweise vermindern können, das aber ansonsten korrekt funktioniert. Ein typisches Ergebnis eines latenten Defekts ist zum Beispiel der frühzeitige Ausfall des Systems aufgrund eines defekten Bauteils. Die dritte Schadensart ist der Komplettausfall, bei dem ein Bauteil innerhalb des Systems vollständig funktionsunfähig wird. Das kann sich in Form eines Durchbruchs, der Zerstörung des Gate-Oxids oder durch Schmelzen von Verbindungsleitungen äußern. Besonders diese letztere Schadensart sollen externe ESD-Schaltkreisschutzbauteile verhindern helfen.

Der Trend heute ist, auf IC-Ebene so viel ESD-Schutz wie möglich einzubauen, um Platz und Kosten einzusparen und so mit möglichst wenigen zusätzlichen externen Schutzbauelementen auskommen zu können. Allerdings kommt man um solche externen Bausteine nicht herum, und daher ist es für Entwickler weiterhin wichtig, ihre Verwendung in Verbindung mit gutem Leiterplatten-Layout zu berücksichtigen.

Der Bedarf an ESD-Schutz auf Leiterplattenebene kann von System zu System differieren. Die wichtigsten Einflussfaktoren sind:

  • das Leiterplatten-Layout und die Fähigkeit eines ESD-Impulses, in die E/A-Leitungen zu gelangen,
  • die eingebauten ESD-Fähigkeiten der ICs auf der Leiterplatte und
  • die Umgebung, in der die Leiterplatte eingesetzt werden soll.

Ist es offensichtlich, dass ein zusätzlicher ESD-Schutz erforderlich ist, so gilt es ein geeignetes Entstörbauteil zu bestimmen. Verschiedene Faktoren müssen bei dieser Wahl berücksichtigt werden, zum Beispiel Kapazität und Signalintegrität, Installation sowie Schaltkreis-/Leitungsbetriebsspannung.

Kapazität als Kriterium

In vielen Fällen kann eine inhärente Kapazität des Entstörbauteils von Vorteil sein. Dort, wo ein hoher Grad der Trennung zwischen Signalfrequenz und unerwünschten Frequenzen (wie z.B. elektromagnetischen Störungen (EMI) und ESD-Transienten) vorliegt, filtert eine solche inhärente Kapazität Störungen zusätzlich. Das Entstörbauteil ist also im Wesentlichen ein Tiefpass. So arbeiten beispielsweise Headset-Anschlüsse an Mobiltelefonen auf einer relativ niedrigen Frequenz (im Audiobereich), wohingegen ESD und die Betriebsfrequenz des Mobiltelefons erheblich höher sind (üblicherweise 800 MHz bis 1900 MHz und darüber). In diesem Fall können Mehrebenen-Varistoren beziehungsweise Dioden mit hoher Kapazität eine gute Wahl sowohl für den ESD-Schutz als auch für die Filterung der Funksignale des Mobiltelefons aus den Headset-Leitungen sein.