technische universität dortmund

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1 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Arbeitsgebiet Bordsysteme Simulationsbasierte Optimierung von ESD- Schutzkonzepten für Integrierte Schaltungen Dipl.-Ing. Stanislav Scheier, Dipl.-Ing. Ali Razavi, Prof. Dr.-Ing. Stephan Frei Arbeitsgebiet Bordsysteme

2 Gliederung Einleitung Modellierung ESD-Online-Simulator Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Einleitung Motivation Elektrostatische Entladungen (engl. ElectroStatic Discharge ESD) stellen eine ernstzunehmende Bedrohung in der Elektronik-Industrie dar. Ein Mensch oder eine Maschine können sich bis auf mehrere kv aufladen und empfindliche Elektronik schädigen. Aufladungen bis ~3 kv nicht spürbar! Die ESD-Zerstörfestigkeit vieler Systeme wird durch den Strompfad über die einzelnen Komponenten vom Stecker bis zum Elektronik-IC-Pin bestimmt. Durch Simulationen können Bedrohung und Wirksamkeit von Schutzstrategien bereits im Vorfeld untersucht und optimiert werden. PCB Trace I Generator I Protection I Termination Protection Element Termination V Termination ESD Generator 3

4 Einleitung Ziele und Anforderungen Elektronikentwickler sind meist mit Modellierungs- und Simulationsverfahren nicht vertraut. Einfaches Tool zur Simulation von der Belastung in Elektroniksystemen notwendig. Geeigneten Modelle notwendig, die mit Messungen verifiziert und parametriert wurden. Einfache Erweiterbarkeit mit neuen Modellen Implementierung in einem Open-Source Simulator (Qucs) Hervorhebung fundamentaler Effekte bei ESD 4

5 Gliederung Einleitung Modellierung ESD-Online-Simulator Zusammenfassung und Ausblick 5

6 Modellierung ESD Generator Transmission Line Pulser (TLP) Erzeugt einen Rechteckspannungspuls mit variabler Pulshöhe, -breite und Anstiegszeit. Schalter Anstiegs zeitfilter Gängiges Messsystem, um die IV- Kurve eines nichtlinearen Bauelements auch bei hohen Spannungen zu messen V 0 Z 0 = 50Ω L = L in Z 0 = 50Ω L = 2m V discharge Prüfmittel / ESD-Nachbildung ESD Generator nach IEC Standard R3 = 150Ω L3 = 130nH Prüfstandard für elektronische Systeme R1 = 180Ω R2 = 1Ω In EU ist die Prüfung Pflicht für nahezu alle elektronischen Geräte. Simuliert eine menschliche Entladung über einen metallischen Gegenstand. L1 = 2µH C1 = 150pF V = V 0 L2 = 10nH C2 = 7pF V = V 0 V discharge 6

7 Modellierung Platinenleiterbahnen (PCB) Platinenleiterbahnen können aufgrund von Reflexionen die Pulsform stark beeinflussen. Aufgrund der meist geringen Leiterbahnlänge können die entstehenden Verluste vernachlässigt werden. Geringe Leiterbahnlängen können bei den Qucs-Leitungsmodellen zu Instabilitäten führen. Approximation mit kaskadierten LC-Netzwerken numerisch günstiger. Für jede Länge kann ein entsprechendes LC-Netzwerk erstellt werden. L L C C 7

8 Modellierung Lineare Schutzelemente und Terminierungen Kondensatoren Bevorzugte Schutzstrategie aufgrund der geringeren Kosten und der guten Eignung für den EMV-Schutz. Beeinflussen negativ die Signalübertragungsrate aufgrund des Tiefpassverhaltens. Widerstände Lineare Widerstände veranschaulichen die Funktionsweise verschiedener Strukturen. Können als einfache Approximation für unbekannte Elektronik-ICs verwendet werden. 8

9 Modellierung Nichtlineare Schutzelemente und Terminierungen, Messaufbau Statisches Verhalten wird mit Kennlinienschreiber gemessen Verhalten bei höheren Spannungen wird mit TLP gemessen IC-Zerstörung wird über eine Veränderung der statischen Kennlinie detektiert Parasitäre Elemente werden mit NWA bestimmt. PC GPIB V 2.21 µa source meter current voltage GPIB Ethernet oscilloscope HPP I TLP 50 Ω switch 50 Ω 50 Ω CT 1 50 Ω 2 kω PCB IC GND CAN LIN 20 db 26 db 50 Ω 9

10 Modellierung Elektronik-IC Verschiedene IC-pins wurden bisher untersucht und modelliert IC elektrische Domäne Das elektrische Ersatzschaltbild entspricht einem nicht-linearen Widerstand. IC thermische Domäne Unter hoher Spannung wird ein Teil des Siliziums leitfähig, die eingeprägte Leistung/Energie wird in diesem Teilvolumen umgesetzt Thermische Ersatzschaltung besteht aus RC Element und gesteuerter Wärmequelle. Schmelztemperatur von Silizium wird als kritischer Grenzwert gesetzt. Parametrierung erfolgt mit TLP Daten LS CP I Wirk nicht-linearer Widerstand - vorwärts V Wirk RB Forwärts nicht-linearer Widerstand rückwärts RB Rückwärts P TT = I WWWW V WWWW P Th H Θ C Th T Umgebung R Th T Struktur 10

11 Modellierung Elektronik-IC Verifikation von einem Mikrokontroller µc-xc864 Modell ESD Generator U IC I IC µc-xc864 U L SOCKET current [A] ESD pulse V charge [V] V IC, max [V] I IC, max [A] E fail [µj] IEC NoiseKen (0%) TLP 100 ns (9%) kv IEC, measurement 5.5 kv IEC, simulation time [ns] current [A] TLP 100ns 450V meas TLP 100ns 450V model time [ns] 11

12 Modellierung Nichtlineares Schutzelement, Varistor Spezielle nichtlineare Komponenten Weisen eine geringe parasitäre Kapazität auf Varistor Gleichung: I vvv = V n vvv V 1A LS 10 5 Varistor CT0603K14G absolute value of measured current varistor model result I=(V/37.4)^17, RS=7.45e+07, RB=0.64 CP RS Varistor Gleichung RB current [A] voltage [V] 12

13 Modellierung Nichtlineares Schutzelement, TVS Diode Spezielle nichtlineare Komponenten Weisen eine geringe parasitäre Kapazität auf Dioden Gleichung: V DDDDD I DDDDD = I S (e nv T 1) CP LS Dioden Gleichung Vorwärts RB Forwärts Dioden Gleichung Rückwärts RB Rückwärts TVS_Diode_CD0603_T12C TVS_Diode_CD0603_T12C current [A] measured current model result: VD=log(ID/I0)*nBR*VT+ID*RB+VBR VD=log(ID/1e-06)*2.04*VT+ID* current [A] measured current model result: VD=log(ID/I0)*nBR*VT+ID*RB+VBR VD=log(ID/1e-06)*3.53*VT+ID* voltage [V] voltage [V] 13

14 Gliederung Einleitung Modellierung ESD-Online-Simulator Zusammenfassung und Ausblick 14

15 ESD-Online-Simulator Startansicht Benutzerfreundliches Tool basierend auf dem Open-Source Simulator Qucs Zu finden unter oder über die AG Bordsysteme Homepage Simulationstopologie: Starke Vereinfachung eines Steuergerätes Berücksichtigung relevanter Bauelemente Alle Modelle sowie Qucs-Simulator können heruntergeladen werden Komplexere Simulationen sind möglich 15

16 ESD-Online-Simulator Auswahlbereich 16

17 ESD-Online-Simulator Ablauf User Interface Eingabedaten Darstellung Eingabedaten in ASCII- Format Netzliste in Qucs-Format Kommunikation mit Matlab Start von Matlab Erzeugung einer Pseudo- Netzliste als ein Textfile Konvertierung der Pseudo-Netzliste in eine Netzliste im Qucs-Format, Start der Qucs-Simulation, Einlesen der Simulationsergebnisse, Darstellung der Ergebnisse Simulation Simulationsergebnisse als Bild Simulationsergebnisse in Qucs-Format 17

18 ESD-Online-Simulator Ergebnisse Wenn die kritische Temperatur von ca C überschritten wird, gilt der IC-Pins als beschädigt 18

19 Gliederung Einleitung Modellierung ESD-Online-Simulator Zusammenfassung und Ausblick 19

20 Zusammenfassung und Ausblick Ein benutzerfreundlicher ESD-Simulator wurde entwickelt. Abschätzung des realen ESD-Verhaltens von Elektroniksystemen ist möglich. Umfangreiche Modellbibliothek verfügbar. Erweiterung mit neuen Modellen ist geplant, z.b. spannungsabhängige Kondensatoren 20

21 Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik Arbeitsgebiet Bordsysteme Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dipl.-Ing. Stanislav Scheier