EMV-Tests Einfluss von ESD auf ICs

Einfluss von ESD auf ICs
Einfluss von ESD auf ICs

Neuentwicklungen in der Elektronik werden von EMV-Anforderungen dominiert. Folgekosten entstehen, weil Baugruppen die EMV-Tests nicht bestehen. Bestimmend sind die verwendeten ICs. Diese sind als Ursache von Störaussendung oder als Schwachstellen der Störfestigkeit schwer in den Griff zu bekommen.

Die Strukturen von ICs sind im Laufe der Zeit immer kleiner geworden. Dadurch steigen ihre Schaltgeschwindigkeiten und die Versorgungsspannung musste verringert werden. Durch diese beiden Faktoren steigt ihre Empfindlichkeit gegenüber ESD.

Bei EMV-Prüfungen nach Norm IEC 61000-4-2 werden elektronische Geräte mit einem ESD-Generator (ESD-Pistole) getestet. Der ESD-Generator erzeugt nach Norm einen Stromimpuls (Bild 2), der in den Prüfling eingeleitet wird (Bild 1). Der ESD-Störpuls wird auf metallische Teile des elektronischen Gerätes eingekoppelt. Von dort gelangt er feld- und leitungsgebunden zum IC. Dabei wird der zum IC gelangende Störimpuls in seiner Amplitude und Zeitverlauf gewandelt. Ziel des Beitrages ist es, die Koppelwege zum IC aufzuklären. Für die einzelnen Koppelwege werden die am IC wirkenden Störimpulse in ihrer Amplitude und ihrem Verlauf gemessen. Es wird ermittelt, welche Kopplung relevant ist und welche Parameter (Steilheit, Spannungshöhe, Kurvenform, Amplitude, Strom, Spannung elektrisches oder magnetisches Feld) den Koppelvorgang beeinflussen. Mit diesen Erkenntnissen lassen sich gezielt EMV-Gegenmaßnahmen zum Schutz des ICs entwickeln.

Magnetische und elektrische Störfelder der ESD-Pistole

Zusätzlich zum Stromimpuls nach Norm, erzeugt der ESD-Generator ein magnetisches und elektrisches Feld (Bild 1). An der Spitze des ESD-Generators entsteht durch den Entladestrom ein magnetisches Wirbelfeld B1, das den IC und die Leitungsnetze der Baugruppe durchwirbelt. In Leitungsschleifen, die vom Feld durchsetzt werden, wird Störspannung induziert. Diese Spannung überlagert sich den elektrischen Signalen der Elektronik und stört die Funktion des elektronischen Gerätes.

Die Spitze des ESD-Generators besitzt eine Induktivität. Der Entladestrom der ESD-Pistole erzeugt an dieser Induktivität einen Spannungsabfall. Dieser Spannungsabfall erzeugt ein elektrisches Feld E1. Es geht von der Spitze aus und endet im Prüfling auf den Leitungen und ICs (Bild 1). In die Leitungen und ICs wird damit ein Störstromimpuls übertragen und stört die Funktion des elektronischen Gerätes.

Zusätzlich zu dem nach Norm beschriebenen Störstromvorgang über die Spitze, treten aus dem Körper des ESD-Generators elektrische und magnetische Felder aus (Bild 1). Der zeitliche Verlauf dieser Felder kann vollkommen anders sein als der Verlauf des Vorgangs nach Norm. Diese Felder erzeugen einen zusätzlichen Störeinfluss auf das elektronische Gerät, die die Wirkung der gewollten Prüfstörgröße an der Spitze übersteigen können. Die Stärke der Wirkung dieser Felder hängt von der Positionierung des ESD-Generators zu den Baugruppen des Gerätes ab. Durch Drehen und Schwenken des ESD-Generators können zufällig Schwachstellen im Gerät beeinflusst werden. Die Funktionsfehler des Gerätes treten scheinbar chaotisch auf. Der Wirkzusammenhang ist für den Entwickler nicht mehr nachvollziehbar und analysierbar.