Wie eine ESD-Pistole ein elektronisches System beeinflusst

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Wenn der IC von der Pistolenspannung gestört wird

Die mit 1 ns ansteigende Stromflanke erzeugt durch Differentiation einen 1 ns breiten Spannungsimpuls. Er erreicht einen Spitzenwert von 3 V bei 2 kV Pistolenspannung und ist damit in der Lage, elektronische Systeme zu stören. Für Pistole 1 ist im Bild 6 die Entladestromspitze mit der zugehörigen Spannungsinduktion vergrößert dargestellt. Dem Spannungsimpuls von 1 ns ist ein hochfrequenter Einschwingvorgang überlagert. Er entsteht aus dem 200-ps-Einschwingvorgang der Entladestromspitze. Durch Glätten des Spannungsimpulses ergibt sich der Puls mit 1 ns.

Der IC mit seiner dynamischen Schwelle übernimmt das Glätten, wenn er entsprechend träge ist. Je langsamer ein IC ist, umso mehr werden die Spannungsspitzen von 200 ps geglättet. Entsprechend langsame ICs sehen den geglätteten Verlauf. Er erreicht immerhin einen Spitzenwert von 3 V bei 2 kV Pistolenspannung. Prüfspannungen können 4 oder 6 kV sein, dann entstehen 6 oder 9 V in der 8,25-mm²-Schleife. Das genügt für die Störung eines IC.

Ist der IC schnell genug, verringert sich die Glättung und er erkennt die 200-ps-Spannungsspitzen. Diese haben mit 7,3 V einen wesentlich höheren Spitzenwert. Bei entsprechend schnellen ICs stellt sich eine höhere Störwirkung ein. Wenn die Spitze der ESD-Pistole mit ihrer Stromzuführung analog Bild 2 in ausreichender Nähe zum IC kommt, kann er nach diesem Wirkprinzip beeinflusst werden. Dabei wird nicht die ESD-Normflanke 1 ns, sondern der dazu addierte Anstieg des Einschwingvorgangs die größten Störimpulse erzeugt.

Für Pistole 1 wurden in Bild 5 weitere Gehäuseorte ausgemessen. Die induzierten Spannungen erreichen bei weitem nicht die Werte, wie es der Entladestrom über dem Leiter zur Pistolenspitze bewirkt. Für Pistole 2 sind Messwerte in Bild 7 enthalten. Der Entladestrom in der Pistolenspitze bewirkt eine ähnliche Spannungsinduktion wie Pistole 1. Im Bild 7 a wurde für den Spannungsverlauf im hoch aufgelöstem Zeitbereich bei einer Bandbreite von 4 GHz eine Spitzenspannung von 6 V gemessen.

Die gleiche Messung wurde im Bild 4 mit geringerer Auflösung durchgeführt. Dabei glättet das Oszilloskop mit 1-GHz-Bandbreite die 200-ps-Einschwingvorgänge. Deshalb ist nur eine Spitzenspannung von 3 V messbar. Der Einschwingvorgang tritt wahrscheinlich beiden den meisten ESD-Pistolen auf. Er kann aus einem Schwingkreis entstehen, der von der Induktivität des Leiters zur Pistolenspitze und der Streukapazität zur Pistolenumgebung gebildet wird.

Der Einfluss von ESD-Impulsen auf die Elektronik

Die Pistole 2 erreicht durch auskoppeln aus ihrer Gehäuseoberfläche höhere Induktionswerte als Pistole 1. Den größten Wert erreicht Pistole 2 auf der Oberseite in Pistolenmitte in einem Abstand von 14 cm zur Spitze (Bild 7 b). In der 8,25-mm²-Schleife wird ein Spannungsimpuls von 5 V 100 ps breit induziert. Dieser Impuls kann nur schnelle ICs beeinnflussen. Zur Stromeinkopplung in niederohmige Schleifen (V_dd/V_ss) sind gesonderte Messungen erforderlich.

Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass bei unterschiedlichen ESD-Pistolen die Pistolenspitzen wahrscheinlich in der Kurvenform der induzierten Störspannung ähnliche Verläufe erzeugen. Im Gegensatz dazu kann der Pistolenkörper Felder mit vollkommen unterschiedlichen Kurvenverläufe erzeugen. Die Untersuchung zeigt, dass bei Anwendung von ESD-Impulsen auf Elektronik nicht nur die in der Norm 61000-4-2 festgelegten Kurvenform-Parameter des Endladestroms eine Störwirkung entfaltet.

Zusätzlich spielen die Magnetfelder, die durch den Einschwingstrom auf der Pistolenspitze und durch Ströme im Pistolenkörper entstehen, eine Rolle. Pistole 1 und 2 zeigten im Leiterbereich zur Spitze global ähnliches Einschwingverhalten. Die kritischen Orte auf dem Pistolenköper sind in ihrem charakteristischen Magnetfeld verschieden. Die Magnetfelder können auf Elektronikbaugruppen in wenigen mm² großen Leiterschleifen störrelevante Spannungen induzieren. Die aus der Praxis bekannten Unsicherheiten im Prüfergebnis sind zum Teil erklärbar. Im nächsten Teil analysieren wir die Elektrischen Felder von ESD-Pistolen.

* Sven König, Mathias Wallbraun und Gunter Langer beschäftigen sich mit der EMV-Messtechnik bei Langer EMV in Bannewitz bei Dresden.

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