EMV und Störfestigkeit ICs als EMV-Schwachstellen: Probleme beseitigen

Bild 1 Pin Störfestigkeit eines 8051 Mikrocontrollers
Die Störfestigkeit von ICs lässt sich heute mit guten Mess-Tools überprüfen.

Störfestigkeits-Messungen an Geräten zeigen, dass ICs heute eine höhere Störempfindlichkeit hinsichtlich EMV mit sich bringen als frühere Chip-Generationen - hauptsächlich durch kurze Störimpulse, die zu gravierenden Fehlfunktionen führen können. Pin-granulare Störfestigkeitsuntersuchungen an ICs zeigen Wege auf, wie zukünftig, trotz zunehmender Integrationsdichte, sogar robustere ICs hergestellt werden können.

Zur Sicherstellung einer hohen Robustheit elektronischer Geräte gegenüber elektromagnetischer Störungen kann man die Eigenschaften von ICs nicht mehr außer Acht lassen. Burst- und ESD-Störungen dringen von außen in elektronische Geräte ein und gelangen über Leiterzüge bis an die Pins von ICs. Sowohl über die Pins als auch direkt über magnetische und elektrische Störfelder dringen die Störungen ins Innere der ICs vor. Die Auswirkungen auf die Funktion können unterschiedlich sein. Die Vielfalt reicht von flüchtigen tolerierbaren Fehlern (z.B. kurzzeitiges Kippen eines Port-Ausgangs) bis zum Totalausfall (Dauerhafter Funktionsverlust) des ICs.
Im Bild 1 sind die Störschwellen dargestellt, die für die einzelnen Pins eines Mikrocontrollers (hier beispielhaft ein 8051 Derivat) ermittelt wurden. Die Messung erfolgte mit Störpulsen 1,5 / 20 ns der High Impedanz Probe P301, die eine Amplitude zwischen +/- 5V und 500V haben können. Diese Probe ist Bestandteil eines Testsystems, welches in [1] beschrieben ist. Die Störimpulse entsprechen den Störungen, die an den Pins eines ICs ankommen, wenn ein Gerät in Funktion einem Burst- oder ESD-Test unterzogen wird, bzw. in gestörter Industrieumgebung zum Einsatz kommt. Man erkennt, dass die Pins sehr unterschiedliche Störschwellen besitzen. An den Portpins ist zu erwarten, dass Eingänge immer bei der annähernd gleichen Störspannung schalten. Das ins Innere des ICs weitergeleitete Signal wird verfälscht. Entstehende Signalfehler haben bei diesem Beispiel in der Praxis keine Bedeutung, da Portsignale vor der Weiterverarbeitung entsprechend gefiltert werden können. Eine Ausnahme bilden Pins die den IC asynchron beeinflussen, beispielsweise das Reset-Pin 4 oder Pins die sich direkt auf die gesamte Funktion des ICs auswirken z.B. der Quarzanschluss XTAL1-Pin 15 Oft, wie auch in diesem Beispiel, sind keine vorbeugenden Maßnahmen, Filter oder ähnliches im IC getroffen, die Störschwelle liegt hier sehr niedrig bei < 5 Volt.

Wenn man die Fehlerbilder der Portpins auswertet, sind die Fehlerursachen nicht etwa weitergeleitete Signalfehler an den Core Bereich. Diese sollten durch Softwaremaßnahmen beherrscht werden. Es handelt sich im Allgemeinen um schwerwiegende Fehler des gesamten ICs mit nachfolgendem erfolgreichem Wiederanlauf über Reset oder komplettem Absturz. Das bedeutet, dass über Einkopplung in Ports der Core Bereich des ICs gestört wird.

Aus Bild 2 wird die Wirkungskette deutlich. Portstörungen können zwei Wirkungslinien aufweisen.
1. Störspannung stört den Port und erzeugt Signalfehler.
2. Störstrom fließt über die Eingangsschutzdioden, das Vdd und Vss System bis in den Core Bereich oder andere zentrale Funktionskomplexe (z.B. PLL, Speicher…) und beeinflusst diese. Es entstehen schwere Funktionsfehler.