Was ist Elektrostatische Entladung (ESD) und welche Bedeutung hat es für mein PCB-Design?

Nach zwei Jahren im Süden bin ich vor kurzem in den trockenen Westen der USA gezogen. Ich bin hier aufgewachsen, hatte aber vergessen, wie häufig man hier kleine elektrische Schläge abbekommt. Die hohe Luftfeuchtigkeit im Süden erhöht die Leitfähigkeit der Luft. Im Westen dagegen bewirkt die trockene und damit weniger leitfähige Luft, dass die Entladungen viel stärker sind. Als Kinder sind wir immer in unseren Socken über den Teppich gerutscht und haben so versucht, uns gegenseitig elektrische Schläge zu verpassen (das ist bei Hochzeiten sehr verpönt - seien Sie gewarnt).

Obwohl mich noch immer jeder elektrische Schlag überrascht, fügt er mir doch keinen Schaden zu. Das trifft für Elektronik nicht zu, die schon durch Spannungen zerstört werden kann, die Sie nicht einmal spüren können. Deshalb ist es wichtig zu wissen, was Elektrostatische Entladung (ESD) ist und wie Sie in Ihren PCB-Designs Vorkehrungen zur Abschwächung und Abwehr elektrostatischer Entladungen treffen.

Was ist Elektrostatische Entladung (ESD)?

Der Begriff ist Ihnen sicherlich schon einmal begegnet, doch was bedeutet ESD? ESD steht für "Electro-Static-Discharge" oder auf Deutsch elektrostatische Entladung. ESD tritt auf, wenn sich zwei Objekte mit unterschiedlichen Ladungen genügend annähern oder ausreichend aufgeladen sind, um das Dielektrikum zwischen ihnen zu durchbrechen. Bei Verbraucherprodukten erfolgt dieser Durchbruch üblicherweise durch die Luft, mit Spannungen von über 40 kV/cm.

Am bekanntesten sind elektrostatische Entladungen in Form von Blitzen, wenn Wolken und Erde einen riesigen Kondensator bilden. Weniger dramatisch ist es, nachts eine Fleece- oder Wolldecke zu schütteln und kleine Funken springen zu sehen.

Was bedeutet das für mein PCB?

Auf jedem PCB kann es zu ESD-Phänomenen kommen, z. B. wenn es berührt wird, oder nah genug an Menschen, Verpackungen, Kabeln, Haustieren mit Fell oder Gegenständen mit entgegengesetzter Ladung heran kommt. Wenn diese sich berühren, entlädt sich die Spannung und erzeugt eine vergleichsweise massive Spannungsspitze. Wenn die Spannungsspitze abfällt, erzeugt der Entladestrom elektromagnetische Felder auf dem PCB. Ziel des ESD-Schutzes ist es, jegliche Auswirkungen oder Effekte der Entladung und der daraus resultierenden elektromagnetischen Felder zu minimieren.

Insbesondere da viele moderne Chipsätze mit kleinen lithographischen Strukturen hergestellt werden, sind sie wenig oder gar nicht beständig gegen Hochspannung und sogar gegen Gleichspannungen, die über ihrer Betriebsspannung von 3,3 V liegen. Eine elektrostatische Entladung, die direkt eines dieser Bauteile erreicht, hat in der Regel katastrophale Folgen. D. h. die integrierte Schaltung wird völlig zerstört.

Fast jedes Element Ihres PCB-Designs (Leiterbahnen, Routing, Layer, Bauteilplatzierung und Abstand) kann Auswirkungen auf die ESD-Beständigkeit Ihrer Leiterplatte haben. Sie müssen das Thema ESD deshalb schon im Frühstadium Ihres Designprozesses bedenken. Andernfalls könnte es zu größeren Nacharbeiten an Ihrem PCB-Design kommen, um Probleme beim Routing und der Bauteilplatzierung zu beheben.

Was verursacht elektrostatische Entladungen in Produkten?

Auch wenn Sie keine gigantischen Cousins mit der Flügelspannweite eines Pterodaktylus und riesigen Füßen für eine statische Aufladung abzuwehren haben, können ESD-Phänomene immer noch durch sehr banale Aktivitäten ausgelöst werden. Häufig kommt allein durch einfaches Gehen genügend Ladung zusammen, um normale Bauteile zu beschädigen.

Auf einem PCB entsteht eine Entladung meist an der Benutzerschnittstelle oder an einem anderen Eingang. Jede Aktivität, wie das Anschließen von Kabeln oder das Berühren von Knöpfen, Tasten oder Bildschirmen kann zu einer Entladung führen und tut dies auch oft. Auch die Berührung von Bauteilen selbst kann wirklich schlecht ausgehen. Ich habe auf diese Art viele HF-Module verloren.

Wie schütze ich meine Leiterplatte?

Die erste Verteidigungslinie für Ihr PCB ist der Schutz der Platine gegen alle externen Verbindungen. Da die Benutzer direkt mit Ihrem Produkt interagieren, erfordert das gründliche Überlegungen. Jedes Mal, wenn jemand etwas anschließt, ein Kabel herauszieht oder einen Knopf drückt, gibt es ein ESD-Risiko für das Gerät.

Stellen Sie sicher, dass auf Ihrem PCB wirklich alle Anschlüsse mit einer Kupferfläche oder einem Pad befestigt sind. Sie sollten das Pad getrennt von der PCB-Masse separieren, damit eine Entladung am Eingang nicht sofort zu jedem anderen Bauteil auf der Leiterplatte durchschlägt.

Anstatt einer Masseverbindung sollten Sie an jedem externen Anschluss einen TVS (Transient Voltage Suppressor) einsetzen, um die Leiterplatte und ihre empfindlichen Bauteile zu schützen. Der TVS ist eine kleine Diodenschaltung, die die Eingangsspannung bis zu einer bestimmten Schwelle blockiert, unter Hochspannungsbedingungen aber leitend wird und so den Rest des PCB schützt.

Es gibt noch eine Reihe weiterer Designmethoden, die Sie verwenden sollten:

• Reduzieren von Schaltungsschleifen

• Einsetzen bewährter Erdungsmethoden

• Minimierung parasitärer Induktivitäten

• Minimierung der Leiterbahnlängen

Es ist schon wahr, dass das Verfolgen der Spannungstoleranzen Ihrer Bauteile, das Überprüfen der Leiterbahnenbreiten und das Erfüllen all Ihrer anderen Anforderungen eine Tortur sein kann, aber es ist ein notwendiger Teil des Designs einer gut geschützten Leiterplatte. Gute PCB-Software wie Altium Vault und die Funktionen von Altium Designer können die Einhaltung Ihrer Anforderungen und Designregeln einfacher machen. Dann können Sie sich auf die angenehmen Seiten Ihres PCB-Designs konzentrieren. Vertreter von Altium stehen Ihnen jetzt mit Hilfsangeboten zur Verfügung... oder nachdem Sie mit Ihren häuslichen ESD-Tests (Reiben von Ballons am Fell Ihres Hundes, um seine Haare zu Berge stehen zu lassen) fertig sind.

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