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ESD-SCHUTZVORRICHTUNGEN

06.11.2013  Passive Bauelemente   MURATA

MURATA bietet zwei zusätzliche Arten von ESD-Vorrichtungen an – Keramik und Silizium.

Einführung

Die heutigen Elektroniksysteme sind empfindlich für elektrostatische Entladungen, kurz ESD. Die integrierten Schaltkreise (ICs) werden mit immer kleiner werdenden Knotenpunkten(Process Nodes) gebaut, so dass die Transistoren einfach kleiner sind. Die Siliziumschichten werden immer anfälliger für Risse, und die Gefahr, dass an den Leiterbahnen aus Metall Unterbrechungen entstehen oder sich Brücken an den kleineren Knotenpunkten bilden, wird immer größer. Darüber hinaus stellen die High-Speed-Kommunikations-Standards bisher ungekannte, sehr hohe Anforderungen an die Signalintegrität. Um die empfindlichen Elektronikbauteile vor dauerhaften Schäden zu schützen, müssen daher Vorrichtungen zum Schutz vor elektrostatischen Entladungen eingebaut werden. Mit Hilfe dieser Vorrichtungen, von denen es verschiedene Arten gibt, werden die Entladungen von den empfindlichen Teilen eines Systems (wie den ICs) weggeleitet. Nach einem ESD-Ereignis sorgt die ESD-Vorrichtung dafür, dass die Spannung auf einem bestimmten Pegel „eingefroren” und der bei dem Ereignis entstehende Strom zur Erdung geleitet wird. Bei der Entscheidung, welche Art von ESD-Vorrichtung für eine bestimmte Anwendung in Frage kommt, sind verschiedene Faktoren zu berücksichtigen. Beispielsweise muss bei einer Anwendung mit High-Speed-Datenverkehr eine ESD-Vorrichtung, deren Kapazität unter 1pF liegt, verwendet werden, weil höhere Kapazitäten die Signalintegrität gefährden könnten. Abbildung 1 enthält eine Grafik, in der die ESD-Unterdrückungsspannung im Verhältnis zur verwendeten Kapazität dargestellt wird. Sie wird von Murata verwendet, um die richtige Vorrichtung für eine bestimmte Applikation auszuwählen ((Bild: Auswahl der ESD-Vorrichtung)).

Herkömmliche ESD-Vorrichtungen

Varistoren sind im Wesentlichen nichtlineare variable Widerstände, und Suppressordioden sind Varistoren mit niedriger Kapazität. Diese Schutzbausteine sind zwar relativ billig, haben jedoch einige Nachteile. Erstens die niedrige Leistungsfähigkeit – die typische Klemmspannung einer Suppressordiode liegt bei 150 bis 500V, was bei den meisten ICs weit vom Grenzwert entfernt ist. Zweitens sind diese Bauteile nicht sehr langlebig – normalerweise halten sie zwischen 10 und 20 ESD-Ereignissen aus. TVS (Transient Voltage Suppression)-Dioden oder Zener-Dioden sprechen auf ein ESD-Ereignis sehr schnell an, sind aufgrund ihrer relativ geringen Strombelastbarkeit jedoch nur für Schaltkreise mit niedrigen Stromspitzen geeignet. Sie sind durchaus haltbar und werden typischerweise als Schutz für Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen eingesetzt, weil sie auch in Serie angebracht werden können, weshalb ihre Kapazität niedriger sein kann.

MURATAS ANTWORT:

1. Keramik-ESD-Schutzbausteine 
Keramik-ESD-Schutzbausteine haben eine extrem geringe Kapazität (0,05pF) und können daher für Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen verwendet werden. Sie sind außerdem extrem robust und lange haltbar. Zum Prüfen der Keramic-ESD-Schutzbausteine von Murata haben wir zur Simulation eines ESD-Ereignisses eine 8kV-Spannung gemäß IEC61000-4-2-Ebene 4 angelegt. Die Spitzenspannung erreichte 300V, jedoch wurde die Klemmspannung bei 40V angehalten. Vergleicht man dies mit einem 1pF Varistor und einem 3pF Varistor, so ergeben sich Klemmspannungen von 200 bzw. 100V. Keramik-Schutzbausteine haben außerdem eine extrem niedrige Durchgangsdämpfung (-0,004dB@2,4GHz), was ein weiterer Vorteil gegenüber von Varistoren bedeutet. Ein typischer Keramik-ESD-Schutzbaustein misst 1,0 x 1,5 x 0,33mm.

2. Silizium-ESD-Schutzbausteine
Auch Silizium-ESD-Bausteine bieten einen exzellenten ESD-Schutz, aber ihre Kapazität ist normalerweise nicht so gering wie die der Keramik-Schutzbausteine, sondern liegt bei etwa 0,25pF. Zu den Vorteilen der Silizium-ESD-Schutzbausteine zählt die schnelle Einschaltzeit, wobei die Spitzenspannung auf ein Minimum gesenkt wird (siehe Abbildung). Dargestellt ist hier der Vergleich zwischen einem Bauteil aus der Silizium-ESD-Reihe von Murata und einer TVS-Diode, die einer 8kV-Prüfspannung gemäß IEC61000-4-2 Ebene 4 ausgesetzt wurden. In weiteren Tests ergab sich beim Silizium-Baustein ein sehr niedriger Ein-Widerstandswert von lediglich 0,3 Ohm im Vergleich zu den 0,8 Ohm beim TVS-Baustein. Ein niedriger Ein-Widerstandswert bedeutet, dass die Klemmspannungen niedrig gehalten werden können. Bei diesem Beispiel wurde die Klemmspannung bei nur 8V festgehalten, im Vergleich zu 35V beim TVS-Baustein. Einer der Hauptvorteile des Silizium-Bausteins gegenüber dem Keramik-Baustein ist, dass auch Mehr-Kanal-Ausführungen zur Verfügung stehen, womit Leiterplattenplatz gewonnen wird, was bei der heutigen Kompaktbauweise ein wichtiger Vorzug ist. Die Abbildung zeigt einen Vergleich zwischen mehreren Schutzbausteinen und einem 10-Kanal-Silizium-ESD-Schutzbaustein. Der Mehrkanal-Schutzbaustein von Murata, bei dem außerdem zum gleichzeitigen Schutz gegen EMI-Störungen LC-Filter eingebaut sind, misst 2 x 2mm, während bei der Lösung mit mehreren Elementen – bestehend aus Varistoren und mehreren LC-Filtern – eine zehnmal größere Fläche auf der Leiterplatte benötigt wird. Zur Verfügung steht eine breite Auswahl an Silizium-Bausteinen mit unterschiedlichen Kapazitäten in unterschiedlich großen Gehäusen und mit unterschiedlich vielen Kanälen für verschiedene Anwendungen.

Es stehen also zahlreiche Arten von ESD-Schutzbausteinen zur Verfügung. Sie reichen von den TVS-/ Zener-Dioden und Varistoren bis zu den sehr kleinen von Murata hergestellten Keramik- und Silizium-Schutzbausteinen. Die Auswahl des richtigen ESD-Schutzbausteins für eine bestimmte Anwendung bedarf der Analyse des erforderlichen Leistungsniveaus, des Platzangebots auf der Leiterplatte und der Kosten. Keramik-Bausteine zeichnen sich durch extrem niedrige Kapazitäten, ausgezeichnete Haltbarkeit und geringe Kosten aus. Für Silizium-Bausteine sprechen extrem niedrige Kapazitäten, schnelle Ansprechzeiten und die Möglichkeit der Integration des EMI-Schutzes in einem Gehäuse, womit Leiterplattenplatz eingespart werden kann. Murata ist weltbekannt für Schutzbausteine in winzigen Gehäusen.

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ESD Suppresion Performance in relation
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ESD Suppresion Performance
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