OAMK / Tekniikan yksikkö LABORATORIOTYÖOHJE Tietoliikennelaboratoriotyö Versio 1.0 21.12.2005 ESD-mittauksia 1. Työn tarkoitus Työn tarkoituksena on tutustuttaa opiskelija ESD-suojaukseen, ESD-häiriöihin ja niiden aiheuttamiin virhetilanteisiin elektronisissa laitteissa. Lisäksi työssä tutustutaan ESD-standardin mukaisiin testeihin. Työssä tehdään ESD-mittauksia pöydällä rakennetulla testisetillä. Testattaviin laitteisiin kohdistetaan ilma- ja kontaktipurkauksia sekä epäsuoria ilmapurkauksia pystypinnan kautta. Purkaukset kohdistetaan eri suunnista testattavaan laitteeseen.. Kriittisiä paikkoja tietokoneessa ovat liittimet ja kaikki mahdolliset aukot kuoressa (CD-/DVDasema jne.). Lisäksi häiriöitä voi aiheuttaa lisälaitteiden, kuten hiiren ja näppäimistön huonosta EMC-suojauksesta tai liitäntäjohdoista. 2. Teoria Sähköstaattinen purkaus (ESD = Electro Static Discharge) Sähköstaattinen purkaus on yksi ulkoisista ilmiöistä, jota sähkölaitteet joutuvat vastaanottamaan. Staattisen sähkön vaikutukset voidaan rinnastaa mikroskooppiseen sähkömyrskyyn. Staattista sähköä esiintyy jokapäiväisessä elämässämme. Tyypillisiä esimerkkejä staattisesta sähköstä on pöly jota kertyy televisioiden ja monitorien ruutuihin. Saamme odottamattomia staattisia sähköiskuja myös ovenkahvoista, eläimistä ja vaatteista. Valokaari joka syntyy kun sähkövaraus purkautuu ihmisestä on yksi esimerkki sähköstaattisesta purkauksesta. Nämä sähköstaattiset pintavaraukset ovat joko positiivisia tai negatiivisia riippuen erimerkkisten varausten suhteesta materiaalissa. Hankaamalla synnytetyn kitkaprosessin ja sen jälkeisen erotusprosessin aikana tuotettujen varausten määrä riippuu materiaalien kosketus pinta-alasta, käytetyistä materiaaleista, suhteellisesta ilman kosteudesta ja materiaalien pintarakenteesta. Yli 30000 voltin staattiset varaukset eivät ole tavattomia. Ne voivat kehittyä jopa vain lattialla käveltäessä.
Sähkövaraus on luotu tuottamalla epätasapainotilanne positiivisten ja negatiivisten hiukkasten välille, tällöin sähkövaraus ei ole luonnollisessa eikä pysyvässä tilassa. Materiaali, jonka elektronit ovat epätasapainossa, pyrkii saavuttamaan pysyvän tilan. Kun tämä tapahtuu nopeasti syntyy sähköstaattinen purkaus. Maadoitetut johtavat materiaalit eivät voi aiheuttaa sähköstaattisia purkauksia. Tämä johtuu sähköstaattisen purkauksen häviämisestä maadoitetuissa johtavissa materiaaleissa. Maadoittamattomat johtimet voivat kuitenkin luoda ja pitää staattista varausta. Materiaali, joka estää staattisen varauksen kehittämisen hankaamalla, luokitellaan antistaattiseksi. ESD-pulssin kytkeytyminen elektroniikkalaitteisiin voidaan karkeasti jakaa kolmeen mekanismiin: 1. Suora purkaus elektroniseen piiriin tai komponenttiin 2. Suora purkaus laitteen koteloon 3. Epäsuora purkaus Sähköstaattisen purkauksen vaikutukset Sähköstaattiset purkaukset voivat aiheuttaa paljon ongelmia sähköisissä järjestelmissä. Vakavissa tapauksissa se esimerkiksi vahingoittaa komponentteja heikentämällä tai polttamalla puolijohdeliitoksia. Pienet johteet kuten integroitujen piirien sisäiset johteet ovat myös arkoja sähköstaattisille purkauksille. Sähköstaattiset purkaukset voivat myös läpäistä johtamattomia tasoja jota käytetään esim. FET:eissä. Vähemmän vakavissa tapauksissa sähköstaattiset purkaukset aiheuttavat häiriöpulssin sähköisiin järjestelmiin. Analogisissa järjestelmissä sähköstaattiset purkaukset voivat aiheuttaa lyhytaikaisen häiriön laitteen toimintaan. Tämä häiriö voi olla häiritsevä, mutta järjestelmä yleensä palaa normaalin toimintaan häiriön jälkeen. Digitaalisissa järjestelmissä sähköstaattiset purkaukset ovat vakavampia koska toiminta etenee yleensä tilasta toiseen, jos joku näistä tiloista on väärä, koko järjestelmän toiminta voi muuttua. Tietoa voi hävitä tai se voi olla väärää. Ihmiset ovat sähköstaattisten purkauksien yleisempiä aiheuttajia. Staattinen sähkö syntyy hankaussähkön vaikutuksella. Varauksen määrää riippuu pinnan tyypistä ja suhteellisesta kosteudesta.
Ihmisruumin kyky pitää varausta riippuu ensisijaisesti pinta-alasta ja siksi kapasitanssi vaihtelee yksilökohtaisesti. Ihmisruumin indusoiman jännitteen suuruus rajoittuu yleensä noin 30000 volttiin, koska korkeammat potentiaalit purkautuvat ilmakehään ionisoitumalla (koronapurkaus). Ihmisruumin resistanssi riippuu siitä, millä ruumiinosalla kosketus tapahtuu ja ihon ominaisresistanssista joku riippuu ihon kosteudesta. Suora kytkeytyminen signaali- tai voimajohtimiin aiheuttaa varmimmin laitteen väärän toiminnan tai komponenttien tuhoutumisen. Johtimia joita ei voida fyysisesti eristää, tulisi suojata rajoittavilla laitteilla kuten erilaisilla suojapiireillä. Sähköstaattisen purkauksen aiheuttama virtapulssin suuri muutosnopeus aiheuttaa jännitepiikin maadoituslevyyn. Myös maassa esiintyvä jänniteheilahdus voi mahdollisesti luoda virheitä loogisiin operaatioihin ja keskeyttää järjestelmän toiminnan. Kaksi yleisintä puolijohde liitoksen tuhoutumisen syytä on liiallinen estosuuntainen virta ja suuri lämpeneminen myötäsuuntaisen virran aikana. Ensimmäinen tapa vaatii vain vähän energiaa, kun jänniteraja ylittyy vaikka vain hetkeksikin vahinko on jo tapahtunut. Koska se on terminen, jälkimmäinen tapa ei riipu vain virran määrästä vaan myös sen kestosta. Sähköstaattiset purkaukset ovat suhteellisen lyhyitä, joten liitos kestää suuriakin myötäsuuntaisia virtoja ilman pysyviä vahinkoja. Sähköstaattisen purkauksen epäsuora kytkeytyminen Epäsuora kytkeytymismekanismi voidaan teoriassa jakaa kolmeen osaan: sekundäärinen purkautuminen, kapasitiivinen (ei käsitellä materiaalissa) ja induktiivinen kytkeytyminen. Missään tapauksessa yksi kytkeytymisreitin osa ei sisällä johdetta. Epäsuoran kytkeytymisen kaksi ensimmäistä tapaa esiintyvät suurena jännitteenä pinnassa johon varaus purkautuu. Mm. virran arvon nopea muutos aiheuttaa suuren jännitteen laitteen runkoon. Sekundäärinen purkaus Sekundäärinen purkautuminen tapahtuu kun ihminen koskettaa metallista pintaa ja syntynyt jänniteero pinnan ja muiden osien välillä laitteessa on tarpeeksi suuri tuottamaan sekundäärisen purkauksen. Kun virtapiiriä ei ole maadoitettu kunnolla laitteen runkoon, sähköstaattinen purkaus kehittää suuren jännite-eron rungon ja virtapiirin välille. Kun eristysväli näiden kahden välillä ei ole
riittävä tapahtuu sekundäärinen purkaus. Kytkemällä virtapiirin maa runkoon estetään jännite-erojen aiheuttama ESD-purkaus. Tämä järjestely käytännössä poistaa sekundääriset purkaukset. Hyvin pieni-induktanssisenkin maadoitusjohtimen jännitehäviö kasvaa suureksi, koska virran muutosnopeus on suuri. Näin rungon potentiaali nousee helposti vaikka maadoitus noin päälisin puolin vaikuttaakin toimivalta. Tälläinen tilanne syntyy, kun esimerkiksi laitteen huonosti maadoitettu kotelon osa varautuu. Tällöin kotelon ja elektroniikan välinen potentiaaliero saattaa nousta liian korkeaksi ja tapahtuu toinen purkautuminen kotelon ja laitteen sisällä olevien modulien välillä. Toisiopurkautuminen on yleensä huomattavasti nopeampi ja vahingollisempi, koska purkauspulssin nousunopeutta rajoittavat induktanssi ja resistanssi puuttuvat. Johtavan kotelon impedanssi on hyvin pieni. Staattisen purkauksen estäminen: Laitteet suojataan staattiselta purkaukselta maadoituksella. Piirilevy tulee maadoittaa koteloon vain yhdestä pisteestä. Yksipistemaadoitus estää purkausvirtojen kulkemisen piirilevyn kautta ja toisiopurkautumisen. Kotelon varautuessa potentiaaliero kotelon ja piirilevyn välillä ei nouse suureksi, koska molemmat on maadoitettu samaan potentiaaliin ( jännitemuutokset ovat yhtäsuuret kotelossa ja piirilevyn maatasossa). Sekundäärisen purkauksen mahdollisuutta voidaan pienentää myös pienentämällä impedanssia maahan nähden kaikissa metalliosissa johon käyttäjä voi päästä käsiksi. Laitteen mitään metalliosaa ei saa jättää maadoittamatta maahan. Jos mahdollista, sisäinen virtapiiri pitää eristää kaikista metalliosista johon käyttäjä voi päästä käsiksi. Hyvä tapa on, että käyttäjällä ei ole mahdollisuutta koskettaa metallisia osia, on käyttää eristäviä osia kytkimissä, potentiometreissä jne. Eristyksen lisääminen saattaa olla apukeino, jos muu ei auta. Tasaisen ilmavälin läpilyöntilujuus on n. 5 kv / mm. Sen sijaan parhaat muovieristeet kestävät huomattavasti suurempia jänniterasituksia (jopa 140 kv / mm). Tällöin eristeeksi riittää muutaman millimetrin kymmenesosan vahvuinen muovikalvo estämään rungon jännitteiseksi tulemisen. Induktiivinen kytkeytyminen Suuret jännitteet ja virrat jotka syntyvät sähköstaattisissa purkauksissa tuottavat hetkellisiä magneetti- ja sähkökenttiä joilla on suuri amplitudi. Syntyvän magneettikentän tiheys
sähköstaattisessa purkauksessa riippuu virran suuruudesta ja koko virtapiirin fyysisestä rakenteesta. Jos magneettikenttä leviää pois lähteestään, se indusoi jännitteen mihin tahansa silmukkaan, jonka läpi se etenee. Tekniikka, jolla tämän tyyppisiä sähköstaattisesta purkauksesta aiheutuvia häiriöitä saadaan pienennettyä on siirtää häiriöitä vastaanottava piiri kauemmas häiriön aiheuttajasta. Tämä vaihtoehto ei ole aina mahdollinen. Silmukan alaa piirissä voidaan myös muuttaa. Lisäksi voidaan asettaa suoja sähköstaattisten purkausten aiheuttajan ja piirin välille pienentämään magneettikentän vaikutusta. Sähköstaattisen purkauksen kytkeytyminen kaapeleissa Sähköstaattiset purkaukset voivat myös aiheuttaa häiriöitä kaapeleihin. Esimerkissä piirit kahdessa laatikossa on kytketty suojatulla kaapelilla. Kuvassa sähköstaattisesta purkauksesta aiheutuva pulssi kytkeytyy joko vasemman puoleiseen laatikkoon tai kaapelin suojavaippaan. Molemmissa tapauksissa purkautuminen aiheuttaa virran joka jakautuu maadoitusimpedanssin ja kaapelin suojavaipan välillä. Maadoitusimpedanssin pieni impedanssi vähentää kaapelin suojavaipassa kulkevaa virtaa. Liittimien impedanssi kasvattaa suoraan kaapelin impedanssia. Kaapelin suojavaipan tulisi muodosta 360 kosketus liittimeen. Sähköstaattisilta purkauksilta suojautumiseksi kaapelin suojavaippa olisi parasta maadoittaa koteloon. Tämä järjestely jakaa sähköstaattisesta purkauksesta aiheutuvan virran piirin ympärille. Joissakin tapauksissa paras tapa välttää monesta kohtaa kytkettyä maadoitusta on käyttää erotettua maajohdinta kaapelin sisällä. Tässä kaapelin suojavaippa tarjoaa vain suojaavan toiminnan eikä enää ole ensisijainen paluutie virralle. Linkki erään ESD-pistoolin valmistajan sivuille: http://www.schaffner.com/test_systems/en/_pdf/technical_informations/transient_immunity_testin g_e_4.pdf
Kuva 1 Pöydällä sijaitsevan laitteen testiasetelma Kuva 2 Lattialla sijaitsevan laitteen testiasetelma Standardi Laitteisto Kontaktipurkaus Testijännite Ilmapurkaus Testijännite EN 50082-1 Generic Immunity - Residential, Commercial and Light Industrial N/A 8kV EN 50082-1 Draft Generic Immunity - Residential, Commercial and Light Industrial 4kV 8kV EN 50082-2 Generic Immunity - Industrial Environment 4kV 8kV EN 50082-2 Generic Immunity - Industrial Environment 4kV 8kV EN 55104 Immunity for Household Appliances, Tools and Similar Apparatus 4kV 8kV Taulukko 1 Eri tyyppisten laitteiden rasitusluokat ja maks. jännitteet, jotka tulee kestää Se mihin rasitusasteeseen laite luokitellaan riippuu laitteen tulevista ympäristöolosuhteista.
Rasitusaste Testijännite, kontaktipurkaus Testijännite, ilmapurkaus 1 2 kv 2 kv 2 4 kv 4 kv 3 6 kv 8 kv 4 8 kv 15 kv X X X Taulukko 2 ESD -testin rasitusasteet 3. Välineet NSG 435 ESD-simulaattori ESD:n siedon mittaamiseksi tarvitaan ESD-simulaattori, jonka avulla testattavalle laitteelle voidaan antaa "sähköiskuja". Simulaattorin pystyy säätämään halutulle jännitteelle. Tämä jännite latautuu laitteen sisällä olevaan kondensaattoriin, josta se edelleen purkautuu, kun laitteen testikärki on kiinni EUT:ssa (Equipment Under Test) ja painetaan purkausnappulaa. Pöytä-PC ESD-tila Pöydällä sijaitseva testiasetelma
4. Esitehtävät 4.1 Mitkä ovat kolme kytkeytymismekanismia ESD-häiriölle? 4.2 Induktiivisen ja sähköstaattisen purkauksen erot? 4.3 Miten ESD-purkauksia kehittyy luonnossa? 4.4 Kerro kolme käytännön esimerkkiä huonosta suunnittelusta joissa ESD-häiriö voi kytkeytyä laitteeseen ja miten suojautua näiltä?
5. Mittaukset Valmistelut Testi Kytke opettajan opastuksella ESD-maadoitukset testiasetelmaan. ESD simulaattorin maajohdin kytketään maatasoon. Lue ESD-pistoolin manuaalista käyttöohjeet ja aseta pistooliin oikeat arvot testin mukaan. Valitaan neljä kohdetta testilaitteesta mille purkaukset annetaan. Purkauksia annetaan sellaisiin laitteen osiin, joita kosketellaan normaalikäytössä. Kuhunkin testattavaan kohtaan annetaan vähintään 10 yksittäistä purkausta (5 positiivista ja 5 negatiivista). Purkausten väliaika on vähintään 1 sekunti. Testaaminen aloitetaan pienellä jännitteellä, jota kasvatetaan, kunnes saavutetaan ennalta määritelty rasitusaste tai laitteen toiminnassa havaitaan häiriö. Annettaessa kontaktipurkaus laitteen kuoreen painetaan pistoolin piikkikärki johtamattoman pintamateriaalin läpi. Epäsuora ilmapurkaus pinnan kautta tehdään niin, että pöydälle asetettava purkauslevy on n. 30 cm päässä kohteena olevasta laitteesta. 1. Ilmapurkaus (induktiivinen) Laite: Laitteen Toimintatila: Laitteen osa (esim. kohtisuora sivu), jolle purkaus on annettu. Jännite Reaktio, joka purkauksesta syntyy. 2 kv 4 kv
8 kv 15 kv Purkaus (johtuminen) pöydällä olevan pinnan kautta 15 kv Mieti syitä häiriötiloihin: 1. Kontaktipurkaus (sähköstaattinen) Laite: Laitteen Toimintatila: Laitteen osa, jolle purkaus on annettu. Jännite
Reaktio, joka purkauksesta syntyy. 2 kv 4 kv 6 kv 8 kv (15) kv Mieti syitä häiriötiloihin: