Bidirektionale diskrete TVS-Diodenarrays der Baureihe SP3522 bieten symmetrischen ESD-Schutz für Hochgeschwindigkeits-Datenleitungen. (Bild: Littelfuse)
Augmented-Reality-Brillen (AR) überlagern Bilder der realen Welt mit digitalen Informationen. Bereits früh im Entwicklungsprozess muss der Designer hier auf den ESD-Schutz achten. Denn bei unzureichend abgesicherten Wearables können hohe Kosten für Reparatur, Austausch, Versand und Schadenersatz entstehen. Zudem leidet der Ruf des Herstellers darunter. Daher sollten Schaltungsentwickler bereits früh im Designprozess vier Empfehlungen berücksichtigen, um Sicherheit, Leistung und Zuverlässigkeit der Wearables zu verbessern.
Darum ist ESD-Schutz wichtig
Durch normale Bewegungen im Alltag kann sich ein Mensch oder ein Gegenstand aufladen. Ohne Erdung bleibt die erzeugte Spannung über lange Zeit bestehen. Ein aufgeladener Gegenstand hat jedoch immer die Tendenz, sich bei der nächstmöglichen Gelegenheit zu entladen.
Ein Mensch kann elektrostatische Entladungen erst ab etwa 2000 V wahrnehmen. Bauteilschäden treten aber bereits ab einer Spannung von circa 100 V auf. Aufgrund der stetigen Miniaturisierung von elektronischen Bauteilen sind diese immer sensibler gegen elektrostatische Entladungen. Im Inneren des Bauteils kann es zur Zerstörung der Halbleiterstrukturen sowie zur Schwächung der Leiterbahnen und Isolationsabstände kommen. Typische ESD-Schäden sind frühzeitige Ausfälle sowie ein abnormes Verhalten bei hoher Temperatur, Feuchtigkeit oder schnellen Schaltzyklen.
Derartige ESD-Schäden lassen sich mit den normalen Produktionstests in der Regel nicht entdecken. So sind die betroffenen Produkte zum Zeitpunkt des Ausfalls oft bereits beim Endanwender. Neben den eigentlichen Reparaturkosten drohen Strafzahlungen, Ersatzleistungen und Imageschaden. Entsprechend können Bauteile, die nur wenige Cent kosten, Schäden von mehreren 10.000 Euro verursachen. Dabei weisen laut Angaben eines Halbleiterherstellers etwa 25 Prozent der als defekt zurückgeschickten Bauteile einen ESD-Schaden auf.
Wie sich sensible Elektronik vor elektrostatischer Entladung schützen lässt
Zum Schutz sensibler Elektronik vor elektrostatischer Entladung sind zwei Strategien zu kombinieren: Ungewollte Aufladung ist zu vermeiden und Gegenstände sollten sich kontrolliert entladen können. Beispiele für ESD-Schutzmaßnahmen während des Herstellungsprozesses sind Handgelenkerdungsbänder und ESD-Bekleidung für Mitarbeitende und Besuchende, ableitende Arbeitsoberflächen und Einrichtungsgegenstände, ESD-gerechtes Werkzeug und Material, ableitende Fußbodenbeläge und Schuhwerk, Ionisatoren und Schutzverpackungen. Die ausgewählten ESD-Schutzmaßnahmen sind auf die Produkte und das Umfeld abzustimmen, damit der notwendige Schutz nicht zu hohe Kosten verursacht.
Was ist ESD-Schutz und warum ist er wichtig?
ESD ist die englische Abkürzung für die elektrostatische Entladung, steht also für electrostatic discharge und beschreibt einen plötzlichen, schnellen Ladungsübergang von einem geladenen Körper auf einen Anderen. Für eine elektrostatische Entladung benötigt es also zwei Gegenstände mit einem unterschiedlichen Potenzial. Wenn der Potenzialunterschied, also der Unterschied zwischen den Ladungen auf die die Gegenstände aufgeladen sind, groß genug ist, kommt es zu einem schlagartigen Ausgleich. Für diesen schlagartigen Ausgleich benötigt es nicht mal eine Berührung. Wie bei einem Gewitter, bei dem sich die elektrostatisch aufgeladenen Wolken mit einem Blitz in einen Baum entladen, kann auch im Alltag diese Entladung durch einen Blitz entstehen. Hierfür reicht eine Annäherung auf wenige mm aus.
Elektrostatische Aufladung und damit auch die elektrostatische Entladung ist aber keine Ausnahmeerscheinung. Durch den Kontakt von unterschiedlichen Gegenständen bzw. Influenz laden sich die Materialien unterschiedlich stark auf. Hierfür verantwortlich sind die Triboelektrizität bzw. elektrische Felder. Beides kommt im Alltag überall vor, werden von dem Menschen nur in der Regel nicht wahrgenommen. Spürbar wird die elektrostatische Entladung zum Beispiel beim Aussteigen aus dem Auto oder beim Anfassen einer Türklinge. Der elektrische Schlag, welchen man als Mensch spürt, ist eine Blitzentladung des aufgeladenen Menschen, welcher sich vorher beim Laufen über einen Bodenbelag oder beim Sitzen auf dem Autositz aufgeladen hat. Ein weiteres Beispiel aus dem Alltag ist das Knistern, welches man beim Ausziehen eines Wollpullovers hört. Auch hier ist das Knistern eine Folge von kleinen Blitzentladungen, welche zwischen dem Menschen und dem Kleidungsstück auftreten.
Das bringt ein ESD-Schutz
Tragbare Geräte wie AR-Brillen lassen sich bei Berücksichtigung einiger Empfehlungen und mit Verständnis der wesentlichen Paramter effektiv vor Schäden durch elektrostatische Entladungen schützen. Kleine uni- und bidirektionale ESD-Dioden an der richtigen Stelle platziert sowie mit kurzen Leiterbahnen angebunden und entsprechend getestet, schützen die sensible Elektronik. Damit können Hersteller hohe Kosten für Reparatur, Versand oder Schadenersatz und vor allem auch einen Rufschaden vermeiden.
Administrative Maßnahmen für einen wirksamen ESD-Schutz
Neben technischen sind auch administrative Maßnahmen für ein wirksames Schutzsystem geeignet. Dazu gehört insbesondere die Schulung der Mitarbeitenden: So entwickeln sie ein Bewusstsein für die unsichtbaren Gefahren. Die gültigen ESD-Normen fordern ein regelmäßiges Training „als erste effektive Stufe für einen wirksamen ESD-Schutz“. Neben den Mitarbeitenden im direkten Umgang mit den sensiblen Komponenten sind auch deren Kollegen aus unterstützenden Bereichen wie Arbeitsvorbereitung oder Logistik zu unterweisen.
Zudem ist eine regelmäßige Funktionsprüfung der etablierten ESD-Kontrollelemente nötig. Durch Alterung, falsche Reinigungsmittel oder Abnutzung können die installierten Schutzeinrichtungen ihre Funktion verlieren, ohne dass dies sichtbar ist. Daher sollte mindestens einmal jährlich eine messtechnische Überprüfung erfolgen.
Vier wichtige Tipps zum ESD-Schutz für AR Wearables
Auch in der Nutzungsphase von Kleingeräten wie AR Wearables sind Technologien für den Schaltungsschutz sowie geeignete Strategien für das Platinenlayout nötig, um die tragbaren Geräte und ihre Nutzer zu schützen.
1. Unidirektionale oder bidirektionale Dioden?
Aktuelle Transient Voltage Suppressor (TVS) Dioden als ESD-Schutz (ESD-Diode) bieten eine Vielzahl von Leistungsvorteilen für AR-Anwendungen, insbesondere durch ihren kleinen Formfaktor (Bilder 1 und 2). ESD-Dioden sind in unidirektionaler oder bidirektionaler Konfiguration erhältlich. Unidirektionale Dioden finden typischerweise für DC-Schaltungen, einschließlich Drucktasten und Tastaturen, sowie für digitale Schaltungen Verwendung. Bidirektionale Dioden kommen vor allem in AC-Schaltkreisen zum Einsatz, die bei jedem Signal eine negative Komponente von mehr als -0,7 V aufweisen können. Zu diesen Schaltungen gehören Audio, analoges Video, Datenports und RF-Schnittstellen.
Wann immer möglich, sollten Konstrukteure unidirektionale Dioden-Konfigurationen wählen, um die Leistung bei ESD-Stromschlägen mit negativer Spannung zu verbessern. Während dieser Schläge basiert die Klemmspannung auf der Durchlassvorspannung der Diode, die typischerweise weniger als 1,0 V beträgt. Eine bidirektionale Dioden-Konfiguration liefert während eines negativen Schlages eine Klemmspannung, die auf der Durchbruchsspannung in Sperrrichtung basiert, die höher ist als die Vorwärtsvorspannung der unidirektionalen Diode. Daher kann die unidirektionale Konfiguration die Belastung des Systems während negativer Transienten deutlich reduzieren.
2. Diodenposition nahe dem ESD-Eintrittspunkt
Die meisten Schaltungen benötigen keine ESD-Dioden auf Platinenebene an jedem der IC-Pins. Vielmehr sollte der Konstrukteur ermitteln, welche Pins der Außenseite der Anwendung ausgesetzt sind, wo vom Benutzer erzeugte ESD-Ereignisse wahrscheinlich auftreten. Wenn der Nutzer die Kommunikations-/Steuerleitung berühren kann, wird sie möglicherweise zu einem Pfad, über den ESD in die integrierte Schaltung eindringen kann. Zu den typischen Schaltungen gehören USB, Audio, Tasten, Schalter, RF-Antennen und andere Datenbusse. Das schrittweise Hinzufügen dieser diskreten Bauelemente benötigt Platz auf der Leiterplatte. Daher ist es wichtig, ihre Größe zu reduzieren, damit sie in die 0201- oder 01005-Bauformen passen. Für einige Wearable-Anwendungen sind auch platzsparende Mehrkanal-Arrays erhältlich. Es ist allgemein empfehlenswert, den ESD-Baustein so nahe wie möglich am ESD-Eintrittspunkt zu platzieren, der typischerweise als Steckverbinder oder E/A definiert ist.
3. Kurze Leiterbahnen
Um die Pins des ICs mit einer TVS-Diode zu schützen, sind beim Leiterbahn-Routing – von der E/A zur Masse – einige wichtige Punkte zu beachten. Im Gegensatz zu Blitztransienten setzt ESD keine großen Strommengen über einen langen Zeitraum frei. Um ESD effektiv zu handhaben, muss die Ladung so schnell wie möglich von der geschützten Schaltung zur ESD-Referenz übertragen werden. Die Länge der Leiterbahn – von der E/A-Leitung zur ESD-Komponente sowie von der ESD-Komponente zur Masse – ist dabei der entscheidende Faktor, nicht die Breite der Leiterbahn zur Masse. Die Länge der Leiterbahn sollte so kurz wie möglich sein, um die parasitäre Induktivität zu begrenzen. Diese Induktivität würde zu einem induktiven Überschwingen führen. Eine solche kurze Spannungsspitze kann mehrere hundert Volt erreichen, wenn die Stichleitung lang genug ist. Zu den aktuellen Gehäuse-Entwicklungen gehören μDFN und Wafer Level Chip Scale Packages (WLCSP), die direkt über die Datenbahnen passen, um die Notwendigkeit von Stichleitungen vollständig zu vermeiden.
ESD-Schäden und ihre wirtschaftlichen Folgen
ESD sieht zwar meist harmlos aus, kann jedoch Schäden mit verheerenden Folgen an elektronischen Komponenten und Baugruppen verursachen. In den seltensten Fällen entdecken die Mitarbeiter ESD. Dies verwundert nicht, denn Menschen spüren ESD erst ab einer Spannung von etwa 3500 V.
Schäden an Elektronik-Komponenten können schon bei Spannungen ab 100 V und höher verursacht werden. Die Auswirkungen von ESD verursachen den Ausfall von Komponenten und damit den Ausfall von Geräten, Systemen und Anlagen. Hierdurch entstehen hohe Ausschuss-, Qualitäts- und Reparaturkosten. Gewährleistungsansprüche und sogar Produkthaftungsschäden sind die Folge.
Grundsätzlich jedoch gilt: ESD-Schäden sind vermeidbar. Entscheidend ist vor allem die Berücksichtigung der gesamten Prozesskette. Nicht nur der Mensch und sein direktes Verhalten am Arbeitsplatz erhöhen das ESD-Risiko. Wenn eine ausreichende Verpackung fehlt, so kann es schon während der Lieferung oder Lagerung zu Schäden kommen.
Der Preis für Versäumnisse fällt nämlich hoch aus. Zunächst einmal betrifft dies die Kosten für Ausschuss und Reparatur sowie den Aufwand für Reparationen und Garantieerfüllung. Ferner leidet bei einer Häufung von ESD-Schäden das Unternehmensimage deutlich. Wenn es hart auf hart kommt und Ausfälle in entscheidenden Bereichen vorfallen, sind auch Produkthaftungsschäden denkbar.
4. Testen der Belastbarkeit gegenüber ESD
Human Body Model (HBM), Machine Model (MM) und Charged Device Model (CDM) sind für Unternehmen Testmodelle zur Charakterisierung der ESD-Belastbarkeit der integrierten Schaltungen von tragbaren Geräten oder Wearables, inklusive Prozessor, Speicher und ASIC. Damit stellen Halbleiterlieferanten die Widerstandsfähigkeit der Schaltungen während der Herstellung sicher. Der aktuelle Trend geht dahin, dass die Anbieter die Spannungsprüfungsebenen reduzieren, da dies Platz auf dem Chip spart. Zusätzlich haben die meisten Elektronikhersteller ESD-Schutzmaßnahmen während des Montageprozesses eingeführt.
Parameter zur Bewertung eines ESD-Schutzelements
Wenn der ESD-Schutz nur während der Montage vorgesehen ist, kann das Gerät in der Umgebung des Nutzers anfällig für ESD-Schäden sein. Elektronische Geräte ohne geeignete, integrierte ESD-Schutzmaßnahmen versagen dann schrittweise oder komplett. Um weniger ESD-bedingte Feldausfälle zu gewährleisten, muss der Entwickler ein ausreichend robustes Bauelement auf Leiterplattenebene auswählen, das gegen intensive elektrische Belastungen schützt. Dennoch sollte es die Bandbreite und elektrische Leistung bieten, die das Endprodukt erfordert. Bei der Bewertung eines ESD-Schutzbauelements sind die folgenden Parameter zu berücksichtigen:
- Dynamischer Widerstand: Definiert den Widerstand der Diode gegenüber der Zustandsänderung vom Blocker zur Leitung elektronischer Energie. Dieser Wert zeigt, wie schnell die Diode den ESD-Transientenimpuls klemmt und nach Masse ableitet. Je senkrechter die I-U- oder TLP-Kurve verläuft, desto effizienter ist die Lawinendiode und desto niedriger der dynamische Widerstand.
- Prüfung gemäß IEC 61000-4-2: Dieser Test während des Designs und der Charakterisierung bewertet, welche Schläge die ESD-Diode wiederholt ohne Beeinträchtigung der Gleichstromleistung aushalten kann. Für diesen Parameter gilt typischerweise: je höher der Wert, desto besser. Immer mehr ESD-Dioden von Littelfuse erreichen unter Kontaktentladungsbedingungen Werte von 20 bis 30 kV. Dies übertrifft die Industriestandards für Feldelektronik, die nominell bei 8 kV Luftentladung liegen.
- Gleichstromleistung: Beim Entwurf von zu schützenden Schaltungen sind mehrere wichtige Bereiche zu beachten. Dazu gehören Überspannungstoleranz (8/20 μs), parasitäre Kapazität und Induktivität sowie nominale und maximale Ableitströme.
Die Ansätze variieren je nach den Leistungsmerkmalen der zu schützenden Schnittstellen.
