Welche Störwirkung eine ESD-Pistole auf die Elektronik hat

ESD-Schutz, Teil 1 Welche Störwirkung eine ESD-Pistole auf die Elektronik hat

30.11.2012Autor / Redakteur: Gunter Langer * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Die ESD-Pistole beeinflusst über extrem schnelle parasitäre Felder die Elektronik. Wir betrachten im ersten Teil unserer dreiteiligen Serie die verschiedenen Störwirkungen und wie sie sich vermeiden lassen.

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Bild 4: Aufbau für die Messung der schnellen transienten Vorgänge einer ESD-Pistole mit einem Oszilloskop. Das empfindliche Oszilloskop wird durch die ESA1 Schirmbox geschützt.
(Foto: Langer EMV)

Für elektronische Geräte können ESD-Entladungen gefährlich werden und ihre Funktion beeinträchtigen, da der Entladevorgang schnelle elektrische und magnetische Vorgänge erzeugt. Mit speziellen ESD-Generatoren und Testanordnungen nach der DIN EN 61000-4-2 werden Geräte auf Widerstandsfähigkeit gegen ESD geprüft. Der ESD-Generator hat die Form einer Pistole mit einer metallischen Spitze. Die Spitze wird bei der Prüfung „Kontaktentladung“ auf metallische Teile der Prüfanordnung aufgesetzt, um den elektrostatischen Entladestrom bzw. Prüfimpuls einzuleiten. Dabei ist der eingeleitete Stromimpuls störrelevant und in der Norm DIN EN 61000-4-2 definiert. Seine Kurvenform-Parameter sollen die Störwirkung beim Prüfvorgang allgemeingültig sichern.

Bild 1: Hier sind die verschiedenen Störfelder abgebildet
(Foto: Langer EMV)

In der Praxis gehorcht die ESD-Pistole den Kurvenformparametern nicht unbedingt. Es treten Störphänomene auf, die sich nicht aus den Kurvenformparametern erklären lassen. Es kann beispielsweise ein Prüfling nur dann beeinflusst werden, wenn ihm die rechte Pistolenseite zugewandt ist. Alle anderen Seiten beeinflussen den Prüfling nicht. Das erklärt sich durch Felder, die seitlich aus dem Pistolengehäuse austreten und auf den Prüfling einwirken. In Teil 2 und 3 unserer Serie sollen diese meist nicht beachteten Felder in ihren Kurvenform-Parametern und Störwirkungen analysiert werden. In diesem Teil wird der Entladestrom betrachtet, der aus der Spitze der ESD-Pistole austritt und in den Prüfling/Prüfaufbau gespeist wird

Die unterschiedlichen Störwirkungen einer ESD-Pistole

Bild 2: Angriff des schnellen transienten elektrischen Felds E der ESD-Pistole auf Flachbaugruppen (links) und auf das Feld H (rechts)
(Foto: Langer EMV)

Die Felder E_P und H_P haben ihre Quelle in der ESD-Pistole. Durch den aus der Pistole eingespeisten Entladestrom können die Felder im Prüfling als E_G und H_G entstehen. Der Endladestrom der ESD-Pistole beeinflusst nicht direkt, sondern immer über die Felder E_G und H_G. Der Zeitverlauf des Entladestroms prägt über physikaliche Gesetze den Zeitverlauf der Felder. Um diesem Grundzusammenhang zu verfolgen ist es wichtig, den Zeitverlauf des Entladestromes zu analysieren.

Zum Gesamtzusammenhang gehören die Felder, die die ESD-Pistole mit ihren Konstruktionsteilen erzeugt. Sie sind im Bild 2 in ihrem prinzipiellen Verlauf dargestellt. Elektrische Felder (E) entstehen durch den Spannungssprung, der durch das Schalten des Hochspannungsschalters entsteht. Magnetfelder (H) werden durch die daraus folgenden Umladeströme erzeugt. Damit die Felder wirksam werden ist es entscheidend, wie der Pistolenkopf vom Prüfer der Elektronik genähert wird. Er kann das Pistolengehäuse auf das Gehäuse des Prüflings auflegen und sich so empfindlicher Elektronik bedrohlich nähern. Die Pistole wird vom Prüfer mit Absicht gedreht und geschwenkt. Wenn dabei das Feld an den elektronischen Elementen des Prüflings zufällig ausreichend hoch wird, kommt es zur Beeinflussung. Aus der Praxis ist bekannt, dass ESD-Pistolen typ- und lageabhängig unterschiedliche Störwirkung besitzen.

Welche Faktoren die Störwirkung der ESD-Pistole beeinflussen

Die Wirkzusammenhänge der IC-Beeinflussung führen über die Felder. Die elektrischen Pulsfelder (E) koppeln kapazitiv in Signalleitungen, Testpunkte, Pads, IC-Pins und in das Innere des IC. Die Koppelkapazität ist sehr klein und liegt bei einigen Femtofarad. Entscheidend für die Störwirkung der Pistole ist neben der Feldstärke E die zeitliche Änderung dE/dt. Das Magnetfeld H induziert in Leiterschleifen der Elektronik eine Spannung. Die Schleifen können durch Leiterzüge auf der Baugruppe, in Steckverbindern oder im IC gebildet werden. Für die Störwirkung ist neben der magnetischen Feldstärke H der magnetische Fluss Φ oder dΦ/dt (induzierte Spannung) maßgebend. Die zeitliche Änderung des Störfeldes und ist entscheidend. Je schneller der Vorgang, umso höher die Einkopplung.

Die endliche Schnelligkeit der IC begrenzt den Störeffekt. Der Hochspannungsschalter der ESD-Pistole schaltet in einer Zeit <100 ps und erzeugt Transienten mit Anstiegszeiten, die unter 100 ps beginnen. Damit sind beste Voraussetzungen gegeben, mit steil ansteigenden Feldern moderne IC zu stören. Besonders betroffen sind digitale IC. Um Klarheit über die Störwirkung der ESD-Pistole zu erlangen, werden der Entladestrom, das elektrische und magnetische Feld einer ESD-Pistole, gemessen.

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