ESD-Schutz: Als Blitzableiter missbraucht

Schon Benjamin Franklin erkannte, dass nur ein Blitzableiter auf dem Hausdach wirkungsvoll gegen Einschläge schützt. Ist der Blitz bereits im Haus, sind individuelle Schutzmaßnahmen wenig effektiv, ihre Schutzwirkung ist kaum berechenbar und das Restrisiko eines Schadens hoch. Ähnliches gilt auch für den ESD-Schutz auf Modul- und Halbleiter-Ebene im Pkw. Seit neuestem malträtieren die Autohersteller Kabelbäume und Modulkontakte mit Spannungen bis zu 25 kV über Kontaktund Luftentladung. Welche Restenergie in einem Modul ankommt, kann dabei allerdings nicht exakt definiert werden. Bei der Mehrzahl der Modulkontakte, die zu Halbleitern führen, werden Keramikkondensatoren als ESD-Schutz eingesetzt. Nicht so bei CAN- und LIN-Transceivern, denn sie sind nur durch kapazitätsarme Transil-Dioden wirksam zu schützen.

Das Ziel der OEMs scheint jedoch zu sein, den Hochenergie-ESD-Schutz schrittweise in die Transceiver zu verlagern. Indiz hierfür sind die stetig steigenden Anforderungen auf Halbleiter-Ebene (für LIN-Transceiver jetzt 6 kV, 330 Ω, 150 pF bzw. 8 kV, 1,5 kΩ, 100 pF) mit dem Hintergedanken, eines Tages das zu erreichen, was einige Testspezifikationen bereits heute auf Modul-Ebene für Kontakt- und Luftentladung fordern (25 kV, 330 Ω, 150 pF). Wohlweislich wird hierbei jedoch verdrängt, dass bei komplexen Bausteinen mit eingebetteten Transceivern die ESD-Schutz-Kosten auf Halbleiter-Ebene exorbitant anwachsen, da ESD-Energie nur mit Chip-Fläche zu bekämpfen ist. Referenz für die scheinbare Machbarkeit immer robusterer ESD-Strukturen, mit denen die Halbleiter-Hersteller indirekt gegeneinander ausgespielt werden, sind vorwiegend Stand-alone-Transceiver niedriger Technologiekomplexität mit geringer Maskenanzahl und dadurch moderaten Wafer-Verarbeitungskosten.

Übertragen auf Prozesse mit extrem kleinen Strukturen und hoher Maskenanzahl heißt dies jedoch, dass die für den ESD-Schutz zur Einhaltung der neuen Wunsch-Standards erforderliche Fläche auf einem Halbleiter-Chip um ein Mehrfaches teuerer ist als die ohnehin wesentlich effektiveren, externen Bauteile. Da die Lücke zwischen Modulspezifikation und erzielbarer Halbleiter-Performance trotz immer schärferer Spezifikation nach wie vor sehr groß bleibt und man damit die formalen Vorgaben ohnehin nicht erreicht, lässt man sich eine Hintertür offen und fordert von den Zulieferern, dass der Bestückungsplatz für externe Bauteile weiterhin reserviert sein muss. Platzeinsparung kann das Motiv also nicht sein. Wer die Null-ppm-Philosophie auch beim ESD-Schutz wirklich ernst nimmt, kommt ohne externe Schutzbauteile nicht aus und zahlt damit zweimal. Bei der Vielzahl der Transceiver-Knoten in einem Fahrzeug kann pro Autohersteller jährlich schnell ein 7-stelliger Euro-Betrag zusammenkommen, den letztlich der Kunde am Ende der Lieferkette zahlt.

Wer Hochintegration will und mehr Funktionen für weniger Geld haben will, der sollte keine Hürden aufbauen, die zu teuren Lösungen zwingen und zudem noch weniger Schutz bieten als spezialisierte Bauteile. Das originäre Ziel der halbleiterinternen ESD-Strukturen ist der Schutz gegen Berührung und nicht gegen „Blitzschlag“. Bevor man seitens der Autohersteller neue Anforderungen definiert, wäre ein Gespräch mit den Hableiterherstellern sinnvoll, denn nur sie können abschätzen, was dies für die Kostenstruktur hochintegrierter Bauelemente bedeutet. Ein geeignetes Diskussionsforum wäre beispielsweise das LIN-Konsortium, das auch in die Diskussion um neue ESD-Standards mit eingebunden werden sollte.

Autor:

Herbert Sax
STMicroelectronics
Herbert.Sax@st.com