Mess-Phänomene deuten auf hochfrequente Effekte Neue Aspekte zur ESD-Störfestigkeit

Der Entstöraufwand zum Erreichen der ESD-Störfestigkeit (Electrostatic Discharge) elektronischer Geräte nach EN 61000-4 ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. Warum dies so ist – hier einige Fakten.

Der Entstöraufwand zum Erreichen der ESD-Störfestigkeit (Electrostatic Discharge) elektronischer Geräte nach EN 61000-4 ist in den letzten Jahren stetig gestiegen. Warum dies so ist – hier einige Fakten.

Ursache für den erhöhten Entstöraufwand ist einerseits die technologiebedingte Steigerung der Empfindlichkeit elektronischer Komponenten. Weiterhin hat man festgestellt, dass ESD-Generatoren („ESD-Pistolen“) unterschiedlichen Typs große Streuungen in den Testergebnissen bewirken. In der Praxis kann der Unterschied in der gemessenen Störfestigkeit (Amplitude) den Faktor 5 betragen! Damit sind Gerätetests, die mit unterschiedlichen ESD-Generatoren ausgeführt wurden, nicht mehr vergleichbar.

Wirkmechanismus des ESD-Phänomens

Eine Ursache für die erhöhte Störempfindlichkeit ist die Verringerung der Strukturbreite der ICs. Bei ASICs und Mikrocontrollern geht man derzeit in Richtung 100 nm, bei Rechner-Chipsätzen können gar 45 nm erreicht werden. Die durch die Verringerung der Strukturgeometrien erreichte höhere Schaltgeschwindigkeit der Transistorzellen und die damit verbundene Absenkung der Versorgungsspannung führen zur Zunahme der IC-Störempfindlichkeit. Die eben genannte Steigerung der Schaltgeschwindigkeit bedeutet eine zusätzliche Beeinflussungsmöglichkeit durch kürzere Störimpulse (kleiner 1 ns). Vor einigen Jahren spielten diese kürzeren Störimpulse keine Rolle, sie wurden von den ICs nicht „gesehen“.

Um das Phänomen der Streuung der Testergebnisse mit unterschiedlichen Generatortypen zu verdeutlichen, sind einige Erläuterungen erforderlich: Bei ESD-Tests mit Kontaktentladung wird üblicherweise der in Bild 1 gezeigte Impuls mit einer 0,7-ns-Flanke verwendet. Dabei kontaktiert man mit einer ESD-Pistole (also dem Generator) metallische Teile des Gerätes. Über kapazitive oder induktive Kopplungen wird der Störimpuls auf die elektronischen Schaltungen übertragen. Dabei wird die 0,7-ns-Flanke differenziert, wobei ein 0,7-ns-Impuls entsteht. Dieser Impuls beeinflusst die ICs.

Es müssen jedoch wesentlich hochfrequentere Vorgänge als die 0,7-ns-ESD-Flanke bzw. schaltungsintern der 0,7-ns-Impuls vorhanden sein, um bei ICs mit sehr hoher Schaltgeschwindigkeit diese Störamplituden-Unterschiede um den Faktor 5 zu erzeugen. Löst man die ESD-Flanke z.B. bei der Messung mit einem Oszilloskop höher auf, stellt man generatortypabhängig hochfrequente Einschwingvorgänge in der Anstiegsflanke fest (Bild 2). Diese Einschwingvorgänge mit Flankenbreiten unter 200 ps löst der ESD-Generator (also die ESD-Pistole) in Verbindung mit den induktiven und kapazitiven Elementen des Testaufbaus aus.