Das Dynamische an der Elektrostatischen Entladung

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Eine „Saubere Lösung“ ist aufwändig

Offensichtlich werden durch den ESD-Einschlag Felder erzeugt, vor denen die Leiterbahn zwingend geschützt werden muss. Es ist trivial festzustellen, dass ein geschlossenes metallisches Gehäuse – wie es hier durch eine über der Leiterbahn liegende GND-Plane und umlaufende Kantenkontaktierung realisiert werden könnte - ein geeigneter Ansatz zur Lösung dieses Problems wäre. Für Leiterbahnen in der Top-Lage ist dieser Ansatz unmöglich, weshalb sensible Leitungen nicht in Top geroutet werden sollten, wenn mit einer ESD-Beaufschlagung auf der Leiterplattenoberseite oder in ihrer Nähe gerechnet werden muss!

Leiterbahnen in der ersten Innenlage ließen sich theoretisch durch eine umlaufend kontaktierte GND-Plane in der Top-Lage schützen. Theoretisch deshalb, weil in aller Regel Aussparungen für zu bestückende Bauteile unvermeidlich sind, und die GND-Plane damit nicht mehr geschlossen ist. In der Praxis wird deshalb oft die Top-Lage mit GND „geflutet“, d.h. das Kupfer wird in ungenutzten Bereichen nicht entfernt und auf GND-Potenzial gelegt. Der dabei entstehende GND-„Flickenteppich“ ist aber nur ein sehr entfernter Verwandter der geschlossenen GND-Plane, und kann deshalb unter ungünstigen Umständen das Problem sogar noch vergrößern.

In Bild 3 ist auf der Top-Lage eine kleine Kupferfläche zu erkennen, wie sie beim Fluten entstanden sein könnte. Diese Fläche ist mittels einer breiten Leiterbahn (ebenfalls in Top) am Rand der Leiterplatte mit der GND-Plane verbunden. Auch dies entspricht einer gängigen Praxis, außen auf der Leiterplatte einen an GND kontaktierten „Guard-Ring“ zu platzieren, der dann als „Ableitpfad“ genutzt werden soll.

Masse-Flutung will durchdacht sein

Wie an der roten Kurve in Bild 2 zu erkennen, war diese Maßnahme kontraproduktiv: Die maximale im Gattereingang beobachtete Spannung hat etwa um den Faktor 4,5 zugenommen! Und die Erklärung dafür ist einfach: Während elektrostatische Ladung tatsächlich ein weitgehend statisches Phänomen ist, treten bei der Entladung sehr große zeitliche Feldänderungen auf, die wie oben beschrieben, zu sehr kräftigen kapazitiven Ableitströmen führen können.

Werden diese Ableitströme in induktionsreiche Strompfade eingeprägt, umgeben sie sich mit sehr dynamischen magnetischen Feldern, die dann ihrerseits per Induktion Spannungen in benachbarten Leiterschleifen hervorrufen. Im hier gezeigten Beispiel wird der ESD-Strom kapazitiv auf die kleine Kupferfläche gekoppelt, um von dort aus über die „breite“ Leiterbahn und das Via an der Leiterplattenkante zur GND-Plane abgeführt zu werden.

Die „breite“ Leiterbahn (hier 2mm) hat aber schon vergleichsweise viel Induktivität, was zu intensiven magnetischen Feldern in ihrer Umgebung (Bild 4) und damit zur Induktion der beobachteten Störungen in der darunter liegenden Digital-Leiterbahn führt.

Abschließend lassen sich daraus zwei wichtige Schlüsse ziehen:

1. Funktionsfehler im Zusammenhang mit ESD-Ereignissen werden häufig durch Feldkopplungen hervorgerufen.

2. Sind geeignete Maßnahmen (Isolation, vollflächige Schirmung etc.) z.B. aus Kostengründen nicht umzusetzen, kann es sehr hilfreich sein, im Vorfeld per Simulation zu ermitteln, ob bei der geplanten Geometrie / dem geplanten Lay-out Behelfsmaßnahmen (GND-Flutung, Layoutoptimierung etc.) ausreichende Wirksamkeit erwarten lassen.

Die hier vorgestellte Untersuchung verdeutlicht einmal mehr, welche entscheidende Rolle einem sorgfältig ausgeführten Lagenaufbau und Layout in puncto EMV zukommt. Sind sich Entwickler und Layouter der vielfältigen Effekte bewusst, die zu EMV-Problemen führen können, lassen sich viele Fehler bereits im Vorfeld vermeiden!

Anmerkung zur HFSS-Simulation: Der betrachtete Prüfling wurde in der Simulation innerhalb der gesamten Prüfanordnung (in Anlehnung an EN 61000-4-2) untersucht, auch wenn hier nur der Prüfling selbst, nicht aber die mehrere Meter große Prüfanordnung diskutiert wurde. Die graue rechteckige Fläche oben an der Metallhülse ist der Einschlagpfad des ESD-Pulses, der Leiter darüber die Spitze der „ESD-Pistole“.

Unter www.emv-info beantwortet der Autor gerne Ihre Fragen.

* Nils Dirks ist Inhaber von Dirks Compliance Consulting und Referent der Seminarreihe EMV-Praxis

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