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ESD-Probleme durch unbedachtes Layout

Eine solche Situation findet sich In vielen Elektronik-Designs: Ein Ableitpfad des ESD-Pulses führt in die elektronische Baugruppe hinein und ermöglicht dort Kopplungen auf angrenzende Schaltungsteile.

Dass dieser Design-Fehler relativ häufig auftritt, hat vermutlich mindestens zwei Gründe: Zum einen werden solche Überlegungen während der Layout- / Konstruktionsphase häufig schlicht vergessen. Zum anderen ist es mitunter gar nicht so einfach, den Ableitvorgang eines möglichen ESD-Einschlags präzise vorherzusagen.

Die erstgenannte Ursache lässt sich vergleichsweise leicht in den Griff bekommen, indem EMV-Überlegungen von Beginn an in den Design-Prozess integriert werden (EMV-gerechtes Design!). Die Eigenschaften möglicher Ableitpfade sollen mit den nachfolgenden Untersuchungen veranschaulicht werden.

Da die kreuzförmige Leiterbahnstruktur aus Bild 1 nur an den Enden pX, pY und mY mit der darunterliegenden GND-Plane verbunden ist, liegt es nahe anzunehmen, dass der Ableitstrom über diese drei Leiterbahnen und ihre Vias nach GND abfließen wird.

Um den Stromfluss sichtbar zu machen wurde auf den metallischen Oberflächen der untersuchten Struktur der Betrag des magnetischen Feldes ausgewertet: Bild 2 zeigt also die Intensität des Stromes zum Zeitpunkt t=400ps, also kurz bevor der ESD-Puls sein Maximum erreicht. Interessanterweise ist die Stromverteilung an allen vier Leiterbahnen völlig identisch, obwohl das Leiterbahnende mX nicht an GND angeschlossen ist!

Diese Beobachtung legt nahe, dass ein mögliches Nebensprechen in die beiden „Beobachtungsleiterbahnen“ ebenfalls identisch sein müsste. Zur Bewertung des Nebensprechens wurde die Spannung jeweils an dem 5pF-Abschluss der beiden kurzen Leiterbahnen ausgewertet. Vergleicht man die dort beobachtete Störspannung mit der Amplitude üblicher Nutz- bzw. Digital-Signale, kann ihre Störwirkung sehr leicht abgeschätzt werden.

Laufzeiteffekte bei ESD-Pulsen

In Bild 3 ist der Verlauf der Spannung an den 5pF-Abschlüssen der beiden kurzen Leiterbahnen dargestellt. Und tatsächlich ist die eingekoppelte Spannung bis etwa t=1000ps identisch! Diese Beobachtung lässt sich leicht mit den Laufzeiten auf den Leitungen erklären: Die Flanke des eingeprägten Pulses beginnt etwa bei t=200ps anzusteigen, die Laufzeit vom Einschlagpunkt bis zum leerlaufenden Leiterbahnende mX und zurück beträgt etwa 800ps.

Erst bei t=1000ps beginnt das an den beiden kurzen Leitungen beobachtete Nebensprechen sich zu unterscheiden, da nun die Reflexion vom Leitungsende eintrifft. Bis zu diesem Zeitpunkt ist konsequenterweise sowohl das kapazitive, als auch das induktive Nebensprechen identisch.

Auch an den „geerdeten“ Leiterbahnenden wird ein Teil des Pulses reflektiert, sodass sich im weiteren Fortgang all diese „Pulsreste“ fröhlich überlagern, und zu den wiederum in Bild 3 erkennbaren Schwingungen der beobachteten Störspannungen führen. Je nach momentaner Richtung des Stromes können sich kapazitives und induktives Nebensprechen dabei konstruktiv oder destruktiv überlagern.

Wie in Bild 4 zu erkennen, ist es gerade die nicht an die GND-Plane kontaktierte Leiterbahn, auf der die kräftigsten Ableitströme zu finden sind (wenn auch nur vorübergehend). Was ist der praktische Nutzen dieser Betrachtung?

1. In der Umgebung des ESD-Ableitpfades können allein durch Feldkopplungen auf benachbarten Leitern Spannungen von mehreren Volt auftreten- allemal genug, um Fehlfunktionen auszulösen!

2. Daraus ergibt sich für den Konstruktions- bzw. Layout-Prozess die Notwendigkeit, Ableitpfade ausreichend weit entfernt von potenziellen „Koppel-Opfern“ zu führen.

Dabei gilt es, die oben gezeigten Laufzeiteffekte zu berücksichtigen.

Wie in allen Bereichen der EMV ist auch für die Vermeidung von ESD-Problemen ein besseres Verständnis der realen Effekte sehr hilfreich. Ohne ein genaueres Verständnis des ESD-Vorgangs könnte man im gezeigten Beispiel leicht auf die Idee kommen, dass in der nicht angeschlossenen Leiterbahn auch kein Strom fließen kann. Und würde damit eine wesentliche Ursache des Nebensprechens übersehen!

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

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