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EMV Fachtagung 2014 Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen 1 Wichtige Überlegungen und Erkenntnisse aus der Entstehungszeit der ESD Prüfnormen Heinrich Ryser

Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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Page 1: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014

Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik

und der ESD Prüfnormen

1

Wichtige Überlegungen und Erkenntnisse aus der Entstehungszeit der ESD Prüfnormen

Heinrich Ryser

Page 2: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

Inhalt:

EMV Fachtagung 2014 2

1. Welche Typen von ESD Problemen gibt es?

2. Übersicht über die Entwicklung der EMV Prüfnormen

3. Von der ersten Ausgabe 1984 zur Ausgabe 1991

4. Weitere Verbesserungen in späteren Revisionen

5. Vergleich mit realen Störvorgängen

6. Diskussion der Prüfpegel

7. Diskussion noch nicht abschliessend gelöster Probleme

Page 3: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 3

1. Welche Typen von ESD Problemen gibt es ?

1. Zerstörung von Halbleiterbauteilen (Heute hauptsächlich in der Elektronikproduktion)

2. Störung der Funktion von elektronischen Systemen (Ziel der ESD Prüfung ist die Vermeidung dieser Probleme) 2.1. Bei Berührung des Produktes durch Personen 2.2. Bei Berührung des Produktes durch bewegliches Mobiliar 2.3. Bei Entladungen zwischen beweglichem Mobiliar in der Nähe 3. Entladung von metallischen Gehäuseteilen durch Veränderung

des externen elektrostatischen Feldes („Honda – Effekt“)

4. Explosionen durch Entladung statischer Elektrizität

Page 4: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

4

IEC 801-2 (1984) Ausgabe 1

IEC 61000-4-2 (2000 / 2001)

IEC 801-2 (1991) Ausgabe 2 IEC 1000-4-2 (1991)

IEC 61000-4-2 (2008)

Erfahrungen mit 801-2 Ausgabe 1 (Reproduzierbarkeit, Kalibration) Neue schnelle Elektronikelemente (indirekter Entladung wird wichtiger)

Probleme mit SK II Geräten Probleme mit indirekter Entladung

Erfahrungen mit Kalibration

2. Übersicht über die Entwicklung der EMV Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 4

Störung von Digitalsystemen durch Elektrostatische Entladungen (ESD)

Zerstörung von Halbleitern durch Elektrostatische Entladungen (ESD)

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

Neuorganisation der Normen

Weitere Verbesserungen ?

Page 5: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 5

2. Zuständigkeit der Normen Gremien für EMV (IEC /CISPR)

1930

1940

1950

1960

1970

1980

1990

2000

2010

2020

CISPR

TC77

IEC 61000 Serie

CISPR 22 ITE Emission

CISPR 24 ITE Immunität

IEC 1000 Serie

CISPR 36 ITE/MM Immunität

CISPR 32 ITE/MM Emission

Ab ca. 1980 gibt es Zuständigkeitskonflikte: Emission ? Immunität ?

Frequenzbereich ? Produkte ?

Ab ca. 2000 werden die EMV Normen Aufteilt in - Basic Normen - Generic Normen - Produkte Normen

TC65 WG4

IEC 801 Serie

Page 6: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

3. Von der ersten Ausgabe 1984 zur Ausgabe 1991

EMV Fachtagung 2014 6

1. Welche Typen von ESD Problemen gibt es?

2. Übersicht über die Entwicklung der EMV Prüfnormen

4. Weitere Verbesserungen in späteren Revisionen

5. Vergleich mit realen Störvorgängen

6. Diskussion der Prüfpegel

7. Diskussion noch nicht abschliessend gelöster Probleme

3. Von der ersten Ausgabe 1984 zur Ausgabe 1991 3.1. Problem 1: Unterschied Verifikation <> Prüfung 3.2. Problem 2: Schlechte Reproduzierbarkeit 3.3. Lösungsvorschläge 1984 – 1987 3.4. Zweite Ausgabe 1991

Page 7: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 7

150 Ω / 150 pF

3. Ausgangslage 1984: IEC 801-2 Edition 1

Page 8: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 8

Stromverlauf bei der Verifikation mit Masseanschluss „as short as Possible“ nach Norm

Stromverlauf bei der Anwendung mit 2m Massekabel und unterschiedlicher Auslegung des Massekabels (Realistische Beispiele)

3.1 Unterschied Verifikation > Prüfung

Page 9: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 9

3.2 Schlechte Reproduzierbarkeit

Ohne Abschirmung

Mit Abschirmung

Voll geschirmter Speicher KO mit 1 GHz Bandbreite

Page 10: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 10

3.2 Suche nach Gründen für die schlechte Reproduzierbarkeit

Prüfspannung

Stromsteilheit des „Initial Spike“ Hauptentladung

Streuung des „Initial Spike“

„Initial Spike“

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EMV Fachtagung 2014 11

3.2 Suche nach Gründen für die schlechte Reproduzierbarkeit

Zusammenhang zwischen Funkenlänge und Stromanstieg für eine Ladespannung von 6 kV Vergleich zwischen Theorie und Messung

Die Theoretische Kurve Eq. 3.8 ist abgeleitet aus dem Toepplerschem Gesetz von 1927 !

Page 12: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 12

3.3 Lösungsvorschläge 1984 - 1987

Vorschlag Kawamura (Sanki): Zusatzkapazität und einstellbare interne Funkenstrecke.

Resultat: Reproduzierbar langsame Anstiegssteilheit.

Page 13: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 13

3.3 Lösungsvorschläge 1984 - 1987

Resultat: Grosser Initialspike, aber schlechte Reproduzierbarkeit der Anstiegssteilheit.

Vorschlag Richman (Keytek): „Initial Spike Adapter“

Page 14: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 14

3.3 Lösungsvorschläge 1984 - 1987

Vorschlag Balzer (Siemens): Einstellbare Funkenstrecke.

Resultat: Reproduzierbar langsame Anstiegssteilheit.

Page 15: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 15

3.3 Lösungsvorschläge 1984 - 1987

Resultat: Grosser Initialspike, aber schlechte Reproduzierbarkeit der Anstiegssteilheit.

Vorschlag Landt (Siemens): Vergrösserung des Initial Spike mit „Handcapacity Simulator“.

Page 16: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 16

3.3 Lösungsvorschläge 1984 - 1987

Resultat: Hohe Ansiegssteilheit , gute Reproduzierbarkeit, Initial Spike je nach Konstruktion.

Vorschlag Ryser / Daout (Hasler AG): Entladung mit Relais.

Page 17: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 17

3.3 Lösungsvorschläge 1984 - 1987

Vorschlag Calcavechio / Pratt (IBM, ursprünglich geheim, später Teil von ECMA TR/40 1987)

Personnel discharge: 1.8 kΩ Furniture discharge: 15 Ω

Resultat: Hohe Anstiegssteilheit , gute Reproduzierbarkeit, unhandlich und voluminös.

Page 18: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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3.3 Lösungsvorschläge 1984 - 1987

Resultat: Grosser Initialspike, gute Reproduzierbarkeit der Anstiegssteilheit. Ca. 6 verschiedene Prototypen unterschiedlicher Hersteller wurden bei Hasler ausgemessen.

Vorschlag Landt / Ryser: Vergrösserung des Initial Spike und Entladung mit Relais.

Page 19: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 19

3.3 Diskussion in der IEC TC65 WG4 in Tokyo (1989)

Noch ohne Laptop, aber mit viel Papier!

Page 20: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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3.4 Resultat 1991: Neue Norm IEC 801-2 Edition 1991 / IEC61000-4-2

Der in IEC 801-2 Edition 1991 bzw IEC 61000-4-2 definierte Generator mit 330Ω / 150pF simuliert die Entladung mit einem Metallstück in der Hand

Ladespannung 4kV Strommaximum 16A Anstiegszeit ca. 1 nS Anstiegssteilheit ca. 20 A/ns (330 Ω / 150 pF)

Ladespannung 4kV Strommaximum 20A Anstiegszeit ca. 1 nS Anstiegssteilheit ca. 25 A/ns

Page 21: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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3.4 Resultat 1991: Neue Prüfgeräte mit Kontaktentladung und Luftentladung

330 Ω / 150 pF

Page 22: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

4. Weitere Verbesserungen in späteren Revisionen

EMV Fachtagung 2014 22

1. Welche Typen von ESD Problemen gibt es?

2. Übersicht über die Entwicklung der EMV Prüfnormen

3. Probleme mit erster Ausgabe 1984 >> Ausgabe 1991

5. Vergleich mit realen Störvorgängen

6. Diskussion der Prüfpegel

7. Diskussion noch nicht abschliessend gelöster Probleme

4. Weitere Verbesserungen in späteren Revisionen 4.1. Kalibration 4.2. Indirekte Entladung 4.3. Schutzklasse II Geräte

Page 23: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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4 Weitere Verbesserungen: Kalibration

1984

1991 2008

Page 24: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 24

4 Weitere Verbesserungen: Indirekte Entladungen

1991 2001

1984 (Keine Angaben)

Page 25: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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4 Weitere Verbesserungen: Schutzklasse II Geräte

1984 (Keine Angaben)

2001 2008

Problem: Ladungsakkumulation bis zum Durchbruch der SK II Isolation

1991 (Keine Angaben)

Page 26: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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5. Vergleich mit realen Störsituationen (Direktentladung)

Ladespannung 4kV Strommaximum 1A Anstiegszeit ca. 1 nS Anstiegssteilheit ca. 1 A/ns

Ladespannung 4kV Strommaximum 5A Anstiegszeit ca. 1 nS Anstiegssteilheit ca. 5 A/ns

Entladung mit Finger

Entladung mit Faust

Ladespannung 4kV Strommaximum 20A Anstiegszeit ca. 1 nS Anstiegssteilheit ca. 25 A/ns

Entladung mit Metallstück in der Hand

Ladespannung 4kV Strommaximum 70A Anstiegszeit ca 5 nS Anstiegssteilheit ca 20 A/ns

Entladung mit Wagen aus Metall

Page 27: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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5. Vergleich mit realen Störsituationen (Direktentladung)

„Künstlicher Mensch“ Salzwassersäule (4kV)

„Künstlicher Mensch“ Metallsäule (4kV)

10 A

Realer Mensch Aufladung 4 kV

10 A

20 A

Weitere Beiträge zu diesem Thema: King, Honda, Richman, Pratt

Page 28: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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5. Vergleich mit realen Störsituationen (Direktentladung)

Der in IEC 801-2 Edition 1991 bzw IEC 61000-4-2 definierte Generator mit 330Ω / 150pF simuliert die Entladung mit einem Metallstück in der Hand

Ladespannung 4kV Strommaximum 16A Anstiegszeit ca. 1 nS Anstiegssteilheit ca. 20 A/ns (330 Ω / 150 pF)

Ladespannung 4kV Strommaximum 20A Anstiegszeit ca. 1 nS Anstiegssteilheit ca. 25 A/ns

Page 29: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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5. Vergleich mit realen Störsituationen (Indirekte Entladung)

Indirekte Entladungen (zB Metallstühle) mit Aufladung von weniger als 2 kV verursachen am meisten Störungen bei schnellen Grossrechnern (ECL Technologie). Entladungen mit kleinen Spannungen haben sehr kurze Anstiegszeiten des Stromes. Oft handelt es sich um Indirekte Entladungen in der Nähe des Störopfers.

Page 30: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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6 Diskussion der Prüfpegel: Aufladung einer Person

Messungen 1990: Aufladung beim gehen mit Gummischuhen auf Polyamid Teppich bei 25% Luftfeuchtigkeit (Abstreifen der Schuhe wie beim Schuhereinigen am Hauseingang)

Weitere Beiträge zu diesem Thema: Balzer, Honda, Fujiwara, Chase,

Page 31: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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6 Diskussion der Prüfpegel: Messen der Elektrostatischen Aufladung

Konfiguration A

B

C

D Konfiguration C und D: Meter 2 misst ca. 20 dB (dh. Faktor 10 !) zuviel Meter 4 misst ca. 12 dB (dh. Faktor 4 !) zuviel

Vergleichsmessungen 1990 mit vier verschiedenen Messgeräten (1 bis 2) In vier verschiedenen Konfigurationen (A bis D)

Page 32: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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1. Welche Typen von ESD Problemen gibt es?

2. Übersicht über die Entwicklung der EMV Prüfnormen

3. Von der ersten Ausgabe 1984 zur Ausgabe 1991

4. Weitere Verbesserungen in späteren Revisionen

5. Vergleich mit realen Störvorgängen

6. Diskussion der Prüfpegel

7 Diskussion noch nicht abschliessend gelöster Probleme

7. Diskussion noch nicht abschliessend gelöster Probleme 7.1. Kalibration 7.2. Indirekte Entladung 7.3. Entladungen durch Variation statischer Felder („Honda-Effekt“)

Page 33: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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7.1. Offene Fragen zur Kalibration

1984 1991 / 2001

Reale Messung (Extremes Beispiel)

Reflexion von der Plattengrenze 0.3 m >> 2 ns Laufzeit hin und zurück

Reflexion vom Ende des Massekabels 2.5 m >> 15 ns Laufzeit hin und zurück

„First peak“

Kalibration der Stromsonde (Frequenzbereich bis 4 GHz)

2008

Page 34: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

EMV Fachtagung 2014 34

7.1. Offene Fragen zur Kalibration (Dämpfung der Reflexionen)

„First peak“

Ohne Zusatzmassnahme

Masseband in der Mitte mit der Hand zurückgehalten

Ohne Zusatzmassnahme Ferritkern am Ende des Massabandes

Page 35: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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7.2. Offene Fragen zur indirekten Entladung (ESD fields)

2008

Offene Fragen: -  Unterschiedliche Positionen der VCP

(sufficient different Positions such that the four surfaces of the EUT are completely illuminated)

Entladung in der Mitte der HCP und der VCP

Page 36: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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7.2. Offene Fragen zur indirekten Entladung (ESD fields)

10 Seiten „Informative Annex“ mit Messungen und numerischen Simulationen aber keine Angaben zu möglichen Testmethoden

2008

Page 37: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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7.3. Offene Fragen zum Einfluss varierender statischer Felder (Honda-Effekt)

Demonstration des Effekts am Schluss des Vortrags

Page 38: Zur Entwicklung der ESD Prüftechnik und der ESD Prüfnormen

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Der mechanische Schalter als Hochfrequenzquelle

1970  Mechanischer Schalter als Störquelle für „Burst“-Störungen („Schnelle Transienten“)

1940  Mechanischer Schalter im CISPR Referenzgenerator (ns Impulse mit 100 Hz Repetitionsfrequenz) Die Impulse mit Anstiegszeiten von weniger als 1 ns werden dadurch erzeugt, dass mit einem Kontakt eine Koaxialleitung entladen wird. Für eine Impulsbreite von 1 ns braucht es ca. 20 cm Kabel und eine gute Konstruktion im Schalterbereich. Solche Generatoren sind sehr stabil und sind zum Teil noch heute im Einsatz.

1990 Mechanischer Schalter im ESD Generator

1940 Mechanischer Schalter als Störquelle für Radiostörungen (Knack)

1980 Funkenstrecke in den frühen Burst Generatoren

Zu beachten: Öffnender mechanischer Schalter >>> Anstiegszeit ca. 5 ns Schliessender mechanischer Schalter >>> Anstiegszeit > 100 ps

1910 Funkenstrecke im Radiosender (davon kommt der Name „Funk“ und Rundfunk“)