DE3903115C1

DE3903115C1 - Arrangement for simulating the consequences of an electrostatic discharge

Info

Publication number: DE3903115C1
Application number: DE19893903115
Authority: DE
Inventors: Ingobert Dipl.-Phys. 8500 Nuernberg De Dittrich
Original assignee: Rundfunk-Betriebstechnik 8500 Nuernberg De GmbH
Current assignee: Rundfunk-Betriebstechnik 8500 Nuernberg De GmbH
Priority date: 1989-02-02
Filing date: 1989-02-02
Publication date: 1990-05-17
Anticipated expiration: 2009-02-03

Abstract

To obtain a reliable reproducible and reaction-free simulation of an electrostatic discharge in the vicinity of an electronic specimen under test, it is proposed to use an electrically shielded frame antenna which is connected to a conventional electrostatic discharge generator via an impedance matching network. The active length of the frame antenna is small compared with the wavelengths resulting from the upper cut-off frequency for the desired electrostatic discharges. This upper cut-off frequency is about 300 to 400 MHz.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Eine derartige Anordnung ist aus DIN VDE 846, Teil 1, bekannt.The invention relates to an arrangement according to the preamble of claim 1. Such Arrangement is known from DIN VDE 846, part 1.

Bei der elektrostatischen Aufladung von Personen auf isolierenden Bodenbelägen besteht für elektronische Geräte und Anlagen bei ungenügender Störfestigkeit die Gefahr, daß durch den Entladungsvorgang mit seinen gal vanischen, elektrischen und magnetischen Wirkungen Funk tionsstörungen bis zur Zerstörung auftreten. Um diese Wirkungen zu simulieren, werden allgemein sogenannte ESD-(electro-static discharge)-Prüfgeräte verwendet, deren technische Daten, wie zum Beispiel der Ladestrom verlauf und die Prüflings-Generatoranordnung, genormt sind (DIN VDE 846, Teil 11 und IEC 801-2). Bei sämtlichen ESD-Prüfgeräten wird eine Funkenentladung zwischen einer Prüfspitze und dem Gehäuse des Prüflings (direkte Ent ladungsprüfung) bzw. einer in definiertem Abstand vom Prüfling positionierten Leiterplatte (indirekte Ent ladungsprüfung) oder einer über den Prüfling geführten Leiterschleife erzeugt. Diese Prüfmethode leidet jedoch unter verschiedenen Unsicherheiten und macht sie schlecht reproduzierbar. Dabei spielen Leitfähigkeit, Elektronen- Austrittsarbeit, Oberflächenbeschaffenheit und Ober flächenverunreinigungen des Prüflings, Luftdruck, Luft feuchtigkeit, Form der Prüfspitze, und dergleichen eine maßgebliche Rolle für den Entladungslichtbogen und den Entladestromverlauf. Eine gewisse Verbesserung ist dadurch möglich, daß anstelle eines offenen Lichtbogens ein Vakuumrelais mit einer kontrolliert triggerbaren Ent ladungsstrecke vorgesehen wird.When electrostatically charging people insulating flooring exists for electronic Devices and systems with insufficient immunity to interference Danger that the discharge process with his gal Vanic, electrical and magnetic effects radio disturbances until destruction. Around Simulating effects are commonly called ESD (electro-static discharge) test equipment used, their technical data, such as the charging current course and the DUT generator arrangement, standardized are (DIN VDE 846, Part 11 and IEC 801-2). With all ESD test equipment will discharge a spark between one Test probe and the housing of the test object (direct ent charge test) or one at a defined distance from DUT positioned PCB (indirect ent charge test) or one passed over the test object Conductor loop generated. However, this test method suffers under various uncertainties and makes them bad reproducible. Conductivity, electron Work function, surface quality and upper surface contamination of the test object, air pressure, air moisture, shape of the probe, and the like significant role for the discharge arc and the Discharge current curve. This is a certain improvement possible that instead of an open arc Vacuum relay with a controlled triggerable Ent charge route is provided.

Es ist ferner bekannt (Prospekt der Firma Schaffner Elektronik GmbH, Karlsruhe "NSG 432 Simulator für sta tische Entladungen" Publ. Nr. 7401 D), für die indirekte Entladungsprüfung den Entladestrom über einen bügel förmigen Prüfadapter zu führen und dadurch einen elek tromagnetischen Feldimpuls zu erzeugen.It is also known (prospectus from Schaffner Elektronik GmbH, Karlsruhe "NSG 432 simulator for sta table discharges "Publ. No. 7401 D), for indirect Discharge test the discharge current via a bracket to lead shaped test adapter and thereby an elek to generate a tromagnetic field pulse.

Bei bügelförmigen Prüfadaptern wie bei einer über den Prüfling geführten Leiterschleife tritt das Problem auf, daß je nach Güte der Schleife aus dem breiten Frequenz spektrum der Prüfimpulse nur ein sehr schmaler Hoch frequenzanteil zur Wirkung kommt. Zudem verschiebt sich dieser selektierte Frequenzanteil entsprechend der mo mentanen Impedanz, die vom Abstand zwischen Prüfling und Schleife bzw. den Abmessungen des Prüflings abhängt. Schließlich ist das Verhältnis zwischen elektrischem und magnetischem Anteil des elektromagnetischen Prüf feldes nicht definierbar infolge der sich ändernden Wechselwirkung zwischen Prüfling und Schleife.In the case of bow-shaped test adapters such as one over the DUT led conductor loop the problem occurs that depending on the quality of the loop from the wide frequency spectrum of test pulses only a very narrow high frequency component comes into effect. It also shifts this selected frequency component corresponding to the mo mental impedance, which is the distance between the device under test and loop or the dimensions of the test object. After all, the relationship between electrical and magnetic part of the electromagnetic test field not definable due to changing Interaction between the device under test and the loop.

Die Aufgabe der Erfindung besteht demgegenüber darin, einen Simulator für elektrostatische Entladungen zu schaffen, welcher eine zuverlässige, reproduzierbare und rückwirkungsfreie Simulation des Entladungsvorganges gestattet.In contrast, the object of the invention is a simulator for electrostatic discharges create which is a reliable, reproducible and non-reactive simulation of the discharge process allowed.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die im kennzeichnen den Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.This object is achieved according to the invention in an arrangement of the type mentioned by the in solved the part of claim 1 specified features.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich aus dem Unteranspruch. An advantageous embodiment of the invention The arrangement results from the subordinate claim.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß neben den direkten galvanischen Wirkungen durch die Entladung ein starkes elektromagnetisches Impulsfeld mit über wiegend magnetischem Anteil auftritt, das Fehlfunktionen insbesondere auch in kleinen Leiterschleifen von ge druckten Schaltungen erzeugen kann. Durch die Vorgabe eines festen Strompfades durch die erfindungsgemäß vorge sehene Rahmenantenne mit hinreichend hoher Grenzfrequenz kann der Störimpuls präzise eingestellt werden. Die Prüfbedingungen lassen sich mit Hilfe eines mechanischen Distanzstückes, das mit der Antenne verbunden ist, noch genauer einstellen.The invention is based on the knowledge that in addition to direct galvanic effects due to the discharge a strong electromagnetic pulse field with over predominantly magnetic component occurs that malfunctions especially in small conductor loops from ge can produce printed circuits. By default a fixed current path through the pre-invented see loop antenna with a sufficiently high cutoff frequency the interference pulse can be set precisely. The Test conditions can be determined using a mechanical Spacer, which is connected to the antenna, still adjust more precisely.

Zusammen mit einem Anpaßnetzwerk zur breitbandigen Impedanzanpassung der Rahmenantenne an den Entladungsge nerator kann die Rahmenantenne auf bereits vorhandene Entladungsgeräte aufgesteckt werden. Durch eine zusätz liche Filterschaltung innerhalb des Entladungsgenerators läßt sich der zeitliche Verlauf und insbesondere die Anstiegszeit des Magnetfeldes auf Werte einstellen, welche den jeweiligen Prüferfordernissen entsprechen. Infolge der Verwendung einer elektrischen Schirmung für die Rahmenantenne wird eine unterschiedliche Wechsel wirkung mit dem Prüfling bzw. der Umgebung verhindert.Together with a matching network for broadband Impedance matching of the loop antenna to the discharge area nerator can loop the loop antenna onto existing ones Discharge devices can be plugged on. With an additional Liche filter circuit within the discharge generator can the time course and in particular the Set the rise time of the magnetic field to values, which correspond to the respective test requirements. Due to the use of electrical shielding there will be a different change for the loop antenna effect with the test object or the environment prevented.

Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Simulators lassen sich selbst gleichspannungsempfindliche Prüflinge oder solche in isolierenden Gehäusen mit den durch elektrostatische Entladungen entstehenden magnetischen Feldern beauf schlagen bzw. prüfen, und zwar unbelastet von den durch galvanische Verzweigungen des Prüfstroms verursachten Prüfwirkungen.With the help of the simulator according to the invention even DC-sensitive specimens or such in insulating housings with those by electrostatic Discharge magnetic fields beat or check, and not burdened by the galvanic branches of the test current caused Test effects.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels in der Zeichnung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt eine schematische Ansicht eines ESD-Magnetfeld- Impuls-Simulators.The invention is based on an embodiment explained in more detail in the drawing. The only figure shows a schematic view of an ESD magnetic field Pulse simulator.

Der in der einzigen Figur gezeigte Simulator umfaßt einen elektrostatischen Entladungsgenerator 5, welcher aus dem geschlossenen Stromkreis einer einstellbaren Spannungsquelle 51, einem Ladewiderstand 52 und einem Ladekondensator 53 besteht. Der Ladekondensator 53 ist Teil einer sich anschließenden Filterschaltung, welche in ihrem Querzweig den Ladekondensator 53 und in ihrem Längszweig einen Entladewiderstand 54 aufweist. Dem Entladewiderstand 54 ist ein Entladerelais 55 nachge ordnet, welches zu Prüfzwecken elektrisch oder von Hand getriggert wird, um einen Impulsstromkreis zu schließen, welcher von dem oberen Belag des aufge ladenen Ladekondensator 53 über den Entladewiderstand 54, das geschlossene Entladerelais 55, ein noch zu erläutern des Anpaßnetzwerk 20 und eine ebenfalls noch zu erläutern de Rahmenantenne 10 zurück zu dem unteren Belag des Ladekondensators 53 führt, welcher über einen Masseband- Anschluß 56 auf Erdpotential liegt.The simulator shown in the single figure comprises an electrostatic discharge generator 5 , which consists of the closed circuit of an adjustable voltage source 51 , a charging resistor 52 and a charging capacitor 53 . The charging capacitor 53 is part of an adjoining filter circuit which has the charging capacitor 53 in its transverse branch and a discharge resistor 54 in its longitudinal branch. The discharge resistor 54 is arranged downstream of a discharge relay 55 , which is triggered for test purposes electrically or by hand to close a pulse circuit, which is explained by the upper coating of the charged charging capacitor 53 via the discharge resistor 54 , the closed discharge relay 55 of the matching network 20 and a loop antenna 10 , also to be explained, leads back to the lower coating of the charging capacitor 53 , which is connected to earth potential via a ground band connection 56 .

Der Entladungsgenerator 5 kann, wie in der Figur gezeigt, in einem pistolenförmigen Griffstück oder in einem auf dem Boden aufzustellenden Gehäuse untergebracht sein. Der insoweit beschriebene elektrostatische Entladungs generator ist bekannt.The discharge generator 5 can, as shown in the figure, be accommodated in a pistol-shaped handle or in a housing to be set up on the floor. The electrostatic discharge generator described so far is known.

Erfindungswesentlich ist die Verwendung der Rahmenan tenne 10, welche einen mit gestrichelter Linie einge zeichneten, nicht-unterbrochenen Leiter aufweist, welcher von dem Ausgang 21 des Anpaßnetzwerkes 20 zu dessen Ausgang 22 führt. Um den Innenleiter der Rahmenantenne 10 ist in isolierendem Abstand eine metallische Schirmung beispielsweise in Form eines Schirmrohres angebracht, welche an der mit 15 bezeichneten Stelle unterbrochen ist. Im Bereich der Unterbrechungsstelle 15 ist auf die metallische Schirmung ein Distanzstück 12 aufge bracht, welches dazu dient, die Rahmenantenne 10 in einem durch die Abmessungen des Distanzstückes 12 de finierten Abstand an einen nicht dargestellten Prüfling heranzuführen.Essential to the invention is the use of the framework 10 , which has a broken line drawn in, uninterrupted conductor which leads from the output 21 of the adapter network 20 to its output 22 . A metallic shield, for example in the form of a shield tube, is attached to the inner conductor of the loop antenna 10 at an insulating distance, which is interrupted at the point denoted by 15 . In the area of the interruption 15 , a spacer 12 is brought up on the metallic shield, which serves to introduce the loop antenna 10 at a distance de defined by the dimensions of the spacer 12 to a test specimen, not shown.

Der über den nicht-unterbrochenen Innenleiter der Rahmen antenne 10 fließende Stromimpuls beim Schließen des Entladerelais 55 induziert ein elektromagnetisches Feld, dessen magnetische Komponenten durch die Unterbrechung der metallischen Schirmung an der Stelle 15 wirksam werden. Dabei gewährleistet das zwischen Generator 5 und Rahmenantenne 10 angeordnete Anpaßnetzwerk 20 eine breitbandige Impedanzanpassung zwischen der Aus gangsimpedanz des Generators 5 und der Eingangsimpedanz der Rahmenantenne 10. Durch die Rahmenantenne 10 wird daher ein fester Strompfad mit hinreichend hoher Grenz frequenz vorgegeben, welcher eine präzise Einstellung des Prüf- bzw. Störimpulses erlaubt.The current pulse flowing through the uninterrupted inner conductor of the frame antenna 10 when the discharge relay 55 closes induces an electromagnetic field, the magnetic components of which become effective at point 15 due to the interruption of the metallic shielding. The matching network 20 arranged between the generator 5 and the loop antenna 10 ensures a broadband impedance matching between the output impedance of the generator 5 and the input impedance of the loop antenna 10 . The loop antenna 10 therefore specifies a fixed current path with a sufficiently high cut-off frequency, which permits a precise setting of the test or interference pulse.

Das Anpaßnetzwerk 20 ist entweder - wie dargestellt - als vorderer Teil der den Generator 5 umfassenden Prüf pistole ausgebildet oder stellt für sich allein ein hand geführtes Bedienteil dar, welches über eine Kabelverbin dung mit dem am Boden aufgestellten Entladungsgenerator 5 elektrisch verbunden ist. In beiden Ausführungsformen des Anpaßnetzwerkes 20 wird die Rahmenantenne 10 über geeignete, hier nicht näher dargestellte Steckverbindun gen mit den Ausgängen 21, 22 des Anpaßnetzwerkes 20 gekoppelt.The matching network 20 is either - as shown - as a front portion of the generator 5 comprehensive testing pistol formed or is itself a hand-held operating unit is that manure over a Kabelverbin is electrically connected to the erected on the bottom discharge generator. 5 In both embodiments of the matching network 20 , the loop antenna 10 is coupled to the outputs 21 , 22 of the matching network 20 via suitable plug connections, not shown here.

Zur Speisung der Hochspannungsquelle 51 ist ein Netzge rät erforderlich, daß bei der in der Zeichnung darge stellten Ausführungsform über ein Kabel mit dem pistolen förmigen Handgriff und dem darin untergebrachten Hoch spannungsgenerator 5 verbunden ist. Im Falle eines auf dem Boden aufgestellten Hochspannungsgenerators wird das Netzgerät zweckmäßigerweise im selben Gehäuse unter gebracht.To feed the high voltage source 51 , a Netzge advises that in the embodiment shown in the drawing Darge is connected via a cable to the pistol-shaped handle and the high voltage generator 5 housed therein. In the case of a high-voltage generator set up on the floor, the power supply unit is expediently placed in the same housing.

Claims

1. Arrangement for simulating the consequences of an electrostatic discharge in the vicinity of an electronic device, with an electrostatic discharge generator and an associated, hand-held control panel, characterized by

a) An electrically shielded loop antenna ( 10 ), the active length is small compared to the wavelength, which results from the upper limit frequency of the electrostatic discharge, and
b) a circuit ( 20 ) for adapting the impedance of the electrostatic discharge generator ( 5 ) to the loop antenna ( 10 ).

2. Arrangement according to claim 1, characterized by a in the discharge generator ( 5 ) provided filter circuit ( 53 , 54 ) for generating a desired pulse shape, in particular at lower rates of rise of the discharge pulse.