Überspannung und ESD: das Maschinenmodell, sein Entladeverlauf und der Schutz

Statische Elektrizität ist eine Störung, die jeder schon einmal gespürt hat. Trotzdem könnten die wenigsten sagen, warum sie Halbleiter zerstört oder wie der Entladestrom tatsächlich aussieht.

Dieser Artikel behandelt die Grundlagen von elektrostatischer Entladung (ESD) und Überspannung, erklärt den Verlauf des Entladestroms anhand des Ersatzschaltbilds des Maschinenmodells (MM) und führt bis zur Auswahl von Schutzbauelementen. Beim MM ist die Induktivität des Entladepfads maßgeblich und erzeugt eine gedämpfte Schwingung – ideal, um anhand der Schaltung zu verstehen, warum der Verlauf überhaupt schwingt.

Woher statische Elektrizität kommt

Statische Elektrizität entsteht durch Reibung zwischen Isolatoren (Reibungselektrizität). Kunststoffböden, Teppiche, Kleidung aus Kunstfaser – die Isolatoren des Alltags laden sich leicht auf. Und nicht nur der menschliche Körper: auch metallische Gegenstände laden sich auf, einschließlich Fertigungsanlagen, Vorrichtungen und Werkzeuge.

Wie viel Ladung sich ansammelt, bestimmt die Luftfeuchtigkeit. Trockene Luft ist ein hervorragender Isolator; bei hoher Feuchte isoliert die Luft selbst schlechter und die angesammelte Ladung fließt von allein ab. Deshalb gibt es in den trockenen Wintermonaten so viel Statik.

Berührt ein aufgeladener Gegenstand eine Anschlussklemme eines Geräts, entlädt sich die gespeicherte Ladung auf einen Schlag. Diese Energie reicht mehr als aus, um ein Halbleiterbauelement zu zerstören.

Es gibt nicht nur ein Entladungsmodell – HBM und MM

Das Ersatzschaltbild einer elektrostatischen Entladung hängt davon ab, was sich entlädt. Zwei Modelle sind maßgeblich.

• Human Body Model (HBM): Entladung von der Fingerspitze einer aufgeladenen Person. Die Norm (ANSI/ESDA/JEDEC JS-001) legt C = 100 pF und R = 1,5 kΩ fest. Da der Widerstand groß ist, ergibt sich ein nicht schwingender, exponentiell abklingender Verlauf.
• Maschinenmodell (MM: Machine Model): Entladung von einem aufgeladenen Metallkörper (Anlage, Vorrichtung). C = 200 pF, R ≈ 0 Ω. Bei einer Metall-Metall-Entladung bleibt fast kein Widerstand, sodass die Induktivität des Entladepfads in Resonanz gerät und der Verlauf zu einer gedämpften Schwingung wird.

In diesem Artikel arbeiten wir mit dem MM, bei dem sich die Wirkung der Induktivität – die gedämpfte Schwingung – im Ersatzschaltbild deutlich zeigt.

Das Maschinenmodell (MM) – eine Metallentladung als Ersatzschaltbild

Das Maschinenmodell stellt einen aufgeladenen Metallkörper als C-R-L-Schaltung dar. Die im Metall gespeicherte Ladung (C) entlädt sich auf einen Schlag über den Widerstand (R) und die Induktivität (L) des Entladepfads.

Was die einzelnen Elemente bedeuten (Maschinenmodell, MM):

• C (Ersatzkapazität): steht für die auf dem Metallkörper gespeicherte Ladung. Der MM-Wert beträgt 200 pF.
• R (Entladewiderstand): bei Metall-Metall-Entladung bleibt kaum Pfadwiderstand. Der MM-Wert beträgt 0 Ω (in der Praxis wenige Ohm). Der kleine Widerstand lässt einen großen Strom fließen und macht die Antwort schwingend.
• L (Ersatzinduktivität): die Leitungsinduktivität des Entladepfads, rund 0,5 µH. Da R nahezu null ist, gerät dieses L mit C in Resonanz und erzeugt die gedämpfte Schwingung – das Wesen des MM.
• Schalter: steht für den Augenblick, in dem der Metallkörper die Klemme berührt und die Entladung beginnt.

Der Verlauf des Entladestroms ist die Antwort dieser C-R-L-Reihenschleife.

Zur Einordnung: Das MM wurde ursprünglich von japanischen Halbleiterherstellern als Worst Case des Human Body Model entworfen. Mit nahezu keinem Widerstand und entsprechend großem Strom ist es bei gleicher Ladespannung zerstörerischer als das HBM – deshalb liegen die MM-Prüfspannungen bei einigen hundert Volt, unterhalb der Kilovolt des HBM. Das MM gehört heute nicht mehr zu den Pflichtprüfungen der IC-Qualifizierung (JESD22-A115 ist seit 2016 inaktiv; verbindlich sind heute HBM und CDM), weshalb wir es hier als klassisches Modell zum Verständnis der Physik des Entladeverlaufs behandeln.

Der Entladeverlauf – gedämpfte Schwingung und Dämpfung

Der MM-Entladeverlauf ist die Antwort des aus C, R und L gebildeten RLC-Reihenschwingkreises. Seine Form teilt sich in zwei Fälle, je nachdem, ob R kleiner oder größer als der kritische Widerstand 2√(L/C) ist.

Für C = 200 pF und L = 0,5 µH beträgt der kritische Widerstand 2√(L/C) = 2√(0,5 µH / 200 pF) = 100 Ω.

• R unterhalb des kritischen Widerstands (das MM-eigene R ≈ 0): Die L-C-Resonanz ergibt eine gedämpfte Schwingung. Die Resonanzfrequenz beträgt 1/(2π√(LC)) ≈ 16 MHz.
• R oberhalb des kritischen Widerstands: Die Schwingung verschwindet, und die Antwort wird zu einem nicht schwingenden, exponentiellen Abklingen.

Gefährlich am MM ist, dass der Widerstand fast null ist. Die Impedanz des Entladepfads bestimmt im Wesentlichen die Wellenimpedanz √(L/C) = √(0,5 µH / 200 pF) ≈ 50 Ω, sodass selbst bei einer Ladespannung von 200 V der Spitzenstrom 200 V / 50 Ω ≈ 4 A erreicht. Bei gleicher Spannung fließt ein weit größerer Strom als beim HBM (R = 1,5 kΩ) – und das im Nanosekundenbereich.

Warum es Halbleiter zerstört

Das Eingangsgate eines CMOS ist eine hochisolierte Elektrode, deren Dielektrikum ein Oxidfilm von nur wenigen bis einigen zehn Nanometern ist. Fließt der große ESD-Strom durch diesen Film, durchschlägt die örtliche Joulesche Erwärmung die Isolation an einer einzigen Stelle.

Die Zerstörungskraft des MM kommt aus der Höhe des Spitzenstroms und der Steilheit seines Anstiegs. Da praktisch kein Widerstand vorhanden ist, wird die gespeicherte Ladung auf einen Schlag freigesetzt. Energetisch gilt E = ½ × C × V²: mit C = 200 pF und V = 200 V ergibt sich E = ½ × 200×10⁻¹² × (200)² = 4 µJ. Das wirkt klein, wird aber in einigen zehn Nanosekunden abgegeben und geht mit mehreren Ampere Spitzenstrom einher – für einen dünnen Dielektrikumsfilm tödlich.

Ein weiteres Problem entsteht bei Geräten, deren Eingangsklemme an einen Steckverbinder führt. Solange der Steckverbinder nicht gesteckt ist, bleibt der CMOS-Eingang hochisoliert und lädt sich leicht auf – und im Moment des Steckens erfolgt die Entladung.

Auswahl von Schutzbauelementen gegen ESD und Überspannung

Die Grundmaßnahme gegen ESD und Überspannung ist das Begrenzen mit einem Schutzbauelement. Hier die wichtigsten Typen.

TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor)

Eine Art Zener-Diode. Im Normalfall sperrt sie, doch sobald die Spannung ihre eingestellte Klemmspannung überschreitet, wird sie augenblicklich niederohmig und nimmt den Überschuss auf. Ihre Reaktion ist extrem schnell – im Pikosekundenbereich – und bewältigt damit so steile Überspannungen wie ESD.

• Unidirektional: für Überspannungen in eine Richtung, ähnlich einer Gleichrichterdiode
• Bidirektional: auch für Wechselspannung und Rückwärtsüberspannungen. Wird häufig zum Schutz von Signalleitungen eingesetzt

Varistor (ZNR / MOV)

Ein Bauelement, dessen Impedanz mit steigender Spannung stark abfällt (spannungsabhängiger Widerstand). Da seine Kennlinie symmetrisch ist, wirkt er in beide Richtungen. Er reagiert etwas langsamer als eine TVS-Diode, nimmt aber mehr Energie auf, was ihn für den Schutz von Versorgungsleitungen prädestiniert.

GDT (Gasableiter)

Nimmt die Überspannung über eine Bogenentladung im eingeschlossenen Gas auf. Die Klemmspannung liegt vergleichsweise hoch (einige zehn Volt und darüber) und er verkraftet Überspannungen mit großem Strom, etwa Blitzstoßspannungen. Eingesetzt in Telefonleitungen, Antennenanlagen und Ähnlichem.

Platzierung der Schutzbauelemente und die Überlegung dahinter

Setzen Sie das Schutzbauelement so nah wie möglich an die Eingangsklemme. Es geht darum, die Überspannung zu begrenzen, bevor sie in die Leiterplatte gelangt.

Außerdem muss die Induktivität des Anschlusspfads minimal sein, damit das Bauelement seine volle Wirkung entfaltet. Ist die Leiterbahn vom Bauelement zur Masse lang, hebt der Spannungsabfall L × di/dt die Wirkung des Schutzbauelements wieder auf. Bei einer Entladung mit steilem Anstieg – großem di/dt wie beim MM – wiegt diese Bahninduktivität besonders schwer.

Auch gestaffelter Schutz ist wirksam. Ein GDT am Steckereingang für große Ströme plus eine TVS-Diode innerhalb der Leiterplatte für schnelles, präzises Begrenzen deckt große wie kleine Überspannungen ab.

ESD-Schutz in der Fertigung

Unabhängig vom Schutz im fertigen Produkt zählt auch der ESD-Schutz in Fertigung und Montage. Wie das Maschinenmodell zeigt, erzeugt eine Entladung von aufgeladenen Anlagen oder Vorrichtungen einen sehr hohen Spitzenstrom. Die Eingangsklemme eines CMOS bleibt bis zur Verdrahtung hochisoliert, und schon geringe Aufladung zerstört sie.

Grundmaßnahmen in der Fertigung:

• Den Arbeitstisch mit einer leitfähigen Matte belegen und über einen hohen Widerstand (rund 1 MΩ) erden
• Die Mitarbeitenden tragen ein metallisches Armband, das ebenso geerdet wird
• Leitfähigen Boden und leitfähiges Schuhwerk verwenden (etwa 0,1 bis 100 MΩ, da ein zu geringer Widerstand Stromschlaggefahr bedeutet)
• Ionisatoren einsetzen, um die Luft zu ionisieren und die Ladung natürlich abklingen zu lassen
• Bauteile in leitfähigen Beuteln (ESD-Beuteln) lagern und transportieren

Über einen hohen Widerstand wird geerdet, weil das plötzliche Erden eines bereits aufgeladenen Gegenstands einen großen Strom fließen ließe und das Bauelement zerstören würde. Ziel ist, die Ladung langsam abzuführen.

Zusammenfassung

• Statische Elektrizität entsteht durch Reibung, und es laden sich sowohl Menschen als auch Metallkörper (Anlagen, Vorrichtungen) auf. Besonders häufig in der trockenen Jahreszeit im Winter
• Das Ersatzschaltbild der ESD hängt von der Quelle ab: ein Mensch ist HBM (100 pF / 1,5 kΩ, exponentielles Abklingen), ein Metallkörper ist MM (200 pF / 0 Ω, gedämpfte Schwingung)
• Da beim MM R ≈ 0 ist, gerät die Pfadinduktivität mit C in Resonanz und es entsteht eine gedämpfte Schwingung. Oberhalb des kritischen Widerstands 2√(L/C) wird daraus ein exponentielles Abklingen
• Mit nahezu keinem Widerstand erreicht das MM selbst bei einigen hundert Volt Spitzenströme von mehreren Ampere – genug, um ein dünnes CMOS-Dielektrikum zu zerstören
• Schutzbauelemente (TVS, Varistor, GDT) direkt am Steckverbinder platzieren, mit kürzestmöglichem Weg zur Masse
• Auch in der Fertigung sind leitfähiger Boden, Erdungsarmbänder und Ionisatoren unverzichtbar

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