EMV-Filter Moderne ICs brauchen zusätzlichen Schutz vor ESD

Elektrostatische Entladungen stellen ein immer größeres Risiko für elektronische Geräte dar, denn die Strukturbreiten von Halbleitern werden immer kleiner. Erschwerend kommt hinzu, dass Chiphersteller nach anderen ESD-Normen testen als Endgerätehersteller. Was sollten Geräteentwickler daher tun?

Wer kennt das nicht? Berühren wir vor allem an kalten Wintertagen irgendeinen Gegenstand aus Metall, schon zucken wir oft zusammen. Was für uns Menschen nur unangenehm ist, kann für elektronische Geräte fatal sein. Auch Schnittstellen-Ports (z.B. USB, Ethernet) können, wenn sie mit anderen Geräten verbunden sind, durch elektrostatische Entladungen in Mitleidenschaft gezogen werden, sodass sie nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren. Der Grund für solche elektrostatischen Entladungen (Electrostatic Discharge, ESD) ist Reibungselektrizität, die Spannungen liegen zwischen mehreren hundert und mehreren zehntausend Volt (Tabelle 1).

Art der Erzeugung 10% - 25% r.F. 65% - 90% r.F. 
über einen Teppichboden laufen 35 000 V 1500 V 
über Vinylboden laufen12 000 V250 V
Arbeiter am Arbeitsplatz6000 V100 V
vom Arbeitsplatz aufgehobener Folienbeutel20 000 V1200 V
Stuhl mit Polyurethanschaum 18 000 V 1500 V 
Tabelle 1: Erzeugung elektrostatischer Entladungen und typische Spannungspegel bei verschiedenen Feuchtigkeitspegeln

Aufgrund der immer kleiner werdenden Siliziumbauteile und ihrer Verarbeitung stellen ESD-Ereignisse ein zunehmendes Problem für komplexe und gleichzeitig kostengünstige Endgeräte dar. Bauteile, die ESD-Schäden vermeiden sollen, sind zu groß und zu teuer geworden, um im IC-Gehäuse mitverbaut zu werden. Deshalb haben Hersteller integrierter Schaltkreise die internen Schutzkomponenten komplett oder nahezu vollständig entfernt. Zudem verwenden IC-Hersteller ein ESD-Testmodell (MIL-STD-883, Method 3015: Human Body Model (HMB)), das sich auf die Produktionsumgebung bezieht. Gerätehersteller hingegen müssen sich mit ESD in der Nutzerumgebung auseinandersetzen und verwenden daher mit der IEC 61000-4-2 ein strikteres Modell. Dies führt dazu, dass die meisten IC-Anbieter ihre Produkte bei 500 V mithilfe des HBM testen, während Endgerätehersteller entsprechend der IEC 61000-4-2 bei 8000 V prüfen.

Unterschiede bei den ESD-Normen

Tabelle 2 stellt die ESD-Ströme gemäß dem HMB und der IEC 61000-4-2, denen Konsumenten ihre Geräte unwissentlich aussetzen, gegenüber.

Entladungsspannung Spitzenstrom nach dem HBM Spitzenstrom nach der IEC 61000-4-2
500 V 0,33 A  
1000 V0,67 A 
2000 V1,33 A7,5 A
4000 V2,67 A15,0 A
8000 V 5,33 A 30,0 A
Tabelle 2: ESD-Ströme nach dem Human Body Model (HBM) und der IEC 61000-4-2

Klar zu erkennen ist, dass der höchste ESD-Strom nach dem HBM deutlich unter dem Wert für die IEC 61000-4-2 liegt (unterste Zeile). Ein 8-kV-Ereignis im Rahmen der IEC-Norm hat verglichen mit demselben Ereignis laut HBM einen 5,6-fach höheren Strom zur Folge. Das heißt: Ein Chipsatz, der einen HBM-Test übersteht, überlebt noch lange nicht in der realen Anwendung, wo er deutlich höheren Strömen ausgesetzt ist. Schließlich testen die meisten IC-Hersteller wie erwähnt nur bei maximal 500 V. Im Vergleich zu einer 8-kV-ESD-Transiente in der Praxis ist der Chipsatz einem fast hundertfach höheren Strom ausgesetzt, der sein Schicksal mit Sicherheit besiegelt, sofern dem Design kein zusätzlicher ESD-Schutz hinzugefügt wurde.

Im Laufe der vergangenen Jahre wurden die Bestimmungen für Anwendungstests immer strenger, sodass heute eine elektrostatische Entladung von 8 kV in der Regel der niedrigste getestete Pegel ist. Die Testpegel bewegen sich mittlerweile in Richtung 20 kV oder gar 30 kV, während die IC-Lieferanten weiterhin Schutzelemente entfernen, um den neu gewonnen Raum auf dem Chip für einen größeren Funktionsumfang nutzen zu können. Über die Jahre hat sich so eine immer größer werdende Lücke aufgetan zwischen der Fähigkeit von Chips, mit elektrostatischen Entladungen umzugehen, und den ESD-Pegeln in der Praxis. Dies unterstreicht den wachsenden Bedarf 
an zusätzlichem ESD-Schutz.

Um sicherzugehen, dass Endgeräte ESD-Ereignisse überstehen und zuverlässig funktionieren, ist die Wahl des richtigen, in der Regel als TVS-Dioden-Array bezeichneten ESD-Schutzbausteins essenziell. Der wichtigste ESD-Schutzparameter, den man bei der Auswahl einer Schutzkomponente beachten muss, ist der dynamische Widerstand. Jede Schutzlösung verfügt über einen intrinsischen Widerstandswert, der mit ihrer Klemmeigenschaft zusammenhängt. Eine ideale Lösung minimiert den intrinsischen Widerstand so, dass eine Schutzlösung während einer Überspannung den niedrigsten Impedanzpfad zur Masse hat.