ESD vizsgálat — Elektrosztatikus kisülés vizsgálati módszerek és szabványok

Mi az ESD vizsgálat?

Az elektrosztatikus kisülés (ESD) vizsgálat az elektronikus berendezések azon képességét értékeli, hogy ellenálljanak az elektrosztatikus töltés hirtelen átvitelének, amely akkor következik be, amikor egy feltöltött személy vagy tárgy megérinti vagy megközelíti a terméket. Az ESD események rendkívül gyorsak (felfutási idejük 1 nanoszekundum alatt van), és nagyon rövid időtartamra több tíz amperes csúcsáramot generálhatnak. Ezek a tranziens események félvezető károsodást, firmware sérülést, adatvesztést, rendszer-újraindulást és rejtett megbízhatósági hibákat okozhatnak.

Az ESD vizsgálat gyakorlatilag minden EMC megfelelőségi program kötelező része, legyen szó fogyasztói eszközről, ipari vezérlőről, orvostechnikai műszerről vagy gépjármű-elektronikai modulról. A vizsgálat a termékek kezelése, telepítése és használata során előforduló valós körülményeket szimulálja.

Miért fontos az ESD vizsgálat?

Az elektrosztatikus töltés felhalmozódása a mindennapi tevékenységek elkerülhetetlen következménye. Szőnyegen való járás, autóülésből való kiszállás vagy csomagolóanyag eltávolítása néhány száz volttól több mint 25 kilovoltig terjedő feszültséget generálhat a páratartalomtól, az érintett anyagoktól és a tevékenységtől függően. Amikor ez a töltés egy elektronikus eszközbe kisül, az energia egy apró területre koncentrálódik és nanoszekundumok alatt jut el az eszközbe.

Az ESD esemény következményei az eszköz érzékenységétől, a kisülési útvonaltól és az energiaszinttől függenek:

Kemény hiba: A félvezető átmenetek, kapu-oxidok vagy vékonyréteg-alkatrészek azonnali és végleges károsodása. Az eszköz működésképtelenné válik.
Lágy hiba: Átmeneti meghibásodás, például rendszer-újraindulás, kommunikációs hiba vagy kijelző-torzulás. Az eszköz az esemény után helyreáll, de megszakítást tapasztalt.
Rejtett károsodás: Egy alkatrész részleges degradációja, amely nem okoz azonnali hibát, de csökkenti a működési tartalékot, és végül korai meghibásodáshoz vezet a felhasználónál.

Azok a termékek, amelyek nem felelnek meg az ESD vizsgálaton, valószínűleg megbízhatatlan viselkedést mutatnak a végfelhasználók kezében, ami garanciális visszaküldésekhez, vevői elégedetlenséghez és potenciális biztonsági veszélyekhez vezet.

IEC 61000-4-2 szabvány

Az IEC 61000-4-2 az elektronikus berendezések ESD zavartűrési vizsgálatának fő nemzetközi szabványa. Gyakorlatilag minden termék EMC szabvány és szabályozási keretrendszer hivatkozik rá, beleértve:

EN 55035 és EN 301 489 (Európa)
FCC Part 15 (az ANSI C63.16 hivatkozásán keresztül)
IEC 60601-1-2 (orvostechnikai eszközök)
IEC 62368-1 (audio/videó és IKT berendezések)

Az IEC 61000-4-2 aktuális kiadása meghatározza a vizsgálati generátor hullámformáját, kalibrálási eljárásait, a vizsgálati összeállítást, a kisülési módszereket és a szigorúsági szinteket.

Kontakt kisülés és légi kisülés

Az IEC 61000-4-2 két kisülési módszert határoz meg:

Kontakt kisülés

Az ESD generátor lekerekített hegyét a vizsgálati ponttal közvetlen érintkezésbe helyezik, mielőtt a kisülést egy belső relé kiváltaná. A kontakt kisülés rendkívül jól ismételhető hullámformát eredményez, mivel a kisülési feszültség pontosan szabályozható. Ez az előnyben részesített módszer, amelyet minden vezető és hozzáférhető felületre, csatlakozóra, csavarra és fém illesztésre alkalmaznak.

Légi kisülés

Az ESD generátort feltöltik, majd a levegőn keresztül közelítik a vizsgálati felület felé, amíg az elektromos térerősség meghaladja a légköz átütési feszültségét, és szikra ugrik át. A légi kisülés kevésbé ismételhető, mivel a kisülési feszültség a közelítési sebességtől, páratartalomtól, résszélességtől és az elektróda geometriájától függ. Ugyanakkor szükséges a szigetelt felületek vizsgálatához, és a leggyakoribb valós ESD helyzetet képviseli (egy személy nyúl az eszköz felé).

Amikor mindkét módszer alkalmazható egy vizsgálati pontra, a szabvány előírja, hogy mindkettőt végre kell hajtani, és a terméknek mindkettőn meg kell felelnie.

Vizsgálati szintek

Az IEC 61000-4-2 négy standard vizsgálati szintet határoz meg növekvő szigorúsággal:

Szint	Kontakt kisülés	Légi kisülés
1	2 kV	2 kV
2	4 kV	4 kV
3	6 kV	8 kV
4	8 kV	15 kV

Az alkalmazandó vizsgálati szintet a termékszabvány határozza meg. A legtöbb kereskedelmi és ipari berendezést 3. vagy 4. szinten vizsgálják. Az IEC 60601-1-2 szerinti orvostechnikai eszközöket jellemzően 4. szinten vizsgálják (8 kV kontakt, 15 kV légi). Egyes termékkategóriák vagy végfelhasználói környezetek a 4. szintet meghaladó szinteket követelhetnek meg, amelyeket a termékbizottság “X” szintekként határoz meg.

ESD generátor specifikációk

Az ESD generátornak (más néven ESD szimulátornak vagy ESD pisztolynak) meg kell felelnie az IEC 61000-4-2-ben meghatározott szigorú teljesítménykövetelményeknek:

Kisülési hálózat: 150 pF tárolókapacitás sorba kapcsolva 330 ohm kisülési ellenállással (Emberi Test Modell)
Kimeneti feszültségtartomány: Állítható, jellemzően 200 V-tól 30 kV-ig
Első csúcs felfutási ideje: 0,7 ns-tól 1 ns-ig
Csúcsáram 4 kV kontakt kisülésnél: 15 A névleges
Áram 30 ns-nál: 8 A névleges
Áram 60 ns-nál: 4 A névleges

A generátort rendszeresen kalibrálni kell kalibrálási cél és megfelelő sávszélességű oszcilloszkóp (legalább 2 GHz) segítségével a gyors felfutású áram hullámforma pontos rögzítéséhez. A kalibrálás ellenőrzése elengedhetetlen, mivel a relé, a hegy vagy a kábel degradációja módosíthatja a hullámformát és pontatlan vizsgálati eredményeket produkálhat.

Emberi Test Modell (HBM)

Az IEC 61000-4-2 kisülési hálózata az Emberi Test Modellt képviseli — egy feltöltött emberi test ujjon keresztül történő kisülésének elektromos közelítését. A 150 pF kondenzátor az emberi test töltéstárolási kapacitását, a 330 ohm ellenállás pedig a bőrön és testszöveteken keresztül vezető kisülési út impedanciáját képviseli.

A HBM az elektronikaipari ESD modellek egyike. Mások közé tartozik a Gépi Modell (MM) alacsonyabb ellenállással és a Töltött Eszköz Modell (CDM), amely egy feltöltött eszköz földelt felülethez történő kisülését szimulálja. Az IEC 61000-4-2 kizárólag a HBM-re összpontosít a rendszerszintű vizsgálat során.

Vizsgálati összeállítás

Az IEC 61000-4-2 szabványos vizsgálati összeállítása a következőket tartalmazza:

Földelési referenciasík (GRP): Egy fémlemez (réz vagy alumínium, minimum 0,25 mm vastagság), legalább 1 m x 1 m méretben, a laboratórium padlójára vagy asztalára helyezve, az épület védőföldjéhez csatlakoztatva.
Vízszintes csatoló sík (HCP): Egy 1,6 m x 0,8 m fémlemez az asztalra helyezve a vizsgált berendezés mellé, két 470 kohm ellenálláson keresztül a GRP-hez csatlakoztatva. Ez a sík egy vezető felületet szimulál a termék közelében.
Függőleges csatoló sík (VCP): Egy 0,5 m x 0,5 m fémlemez függőlegesen elhelyezve, 0,1 m-re a vizsgált berendezés hátuljától, szintén két 470 kohm ellenálláson keresztül a GRP-hez csatlakoztatva. Ez a sík a közeli vezető felülethez való közvetett kisülést szimulálja.
Szigetelő tartó: A vizsgált berendezést 0,1 m vastag szigetelő tartóra helyezik az asztalon, vagy padlóra helyezett berendezés esetén közvetlenül a GRP-re, 0,1 m szigetelő réteggel alatta.

A csatoló síkok lehetővé teszik a közvetett kisülés vizsgálatát, ahol az ESD generátor a termék közelében lévő csatoló síkba süt ki, nem közvetlenül a termékbe. A közvetett kisülések a berendezés zavartűrését vizsgálják a közeli ESD esemény által keltett sugárzott elektromágneses térrel szemben.

Vizsgálati eljárás

Összeállítás ellenőrzése: Konfigurálja a vizsgálati környezetet, csatlakoztassa a vizsgált berendezést normál perifériáihoz és tápegységéhez, és ellenőrizze, hogy a berendezés megfelelően működik.
Közvetlen kisülés — kontakt módszer: Alkalmazzon legalább 10 egyszeri kisülést (jellemzően váltakozó polaritással) a vizsgált berendezés minden vezető felületére, csatlakozójára és hozzáférhető pontjára. A kisülések között hagyjon legalább 1 másodpercet.
Közvetlen kisülés — légi módszer: Alkalmazzon legalább 10 egyszeri kisülést a vizsgált berendezés minden szigetelt felületére és nem vezető területére.
Közvetett kisülés: Alkalmazzon kisüléseket a vízszintes és függőleges csatoló síkokra a meghatározott vizsgálati szinten.
Monitorozás: Figyelje a vizsgált berendezést a vizsgálat során bármilyen rendellenesség, például újraindulás, kijelző-torzulás, kommunikációs hiba, hallható zaj vagy funkcióvesztés tekintetében.
Vizsgálat utáni ellenőrzés: Erősítse meg, hogy a vizsgált berendezés a vizsgálati sorozat után visszatért a normál működéshez.

Megfelelési/meg nem felelési kritériumok

Az IEC 61000-4-2 teljesítménykritériumokat határoz meg, amelyek közül a termékszabvány választ:

A kritérium: Normál működés a specifikációs határokon belül a vizsgálat alatt és után.
B kritérium: Átmeneti teljesítményromlás vagy funkcióvesztés a vizsgálat alatt, amelyet önálló helyreállás követ a normál működéshez.
C kritérium: Átmeneti teljesítményromlás vagy funkcióvesztés, amely kezelői beavatkozást (tápellátás ki-be kapcsolás, újraindítás) igényel a normál működés visszaállításához.
D kritérium: Nem helyreállítható; végleges teljesítményromlás vagy károsodás. Ez a kritérium azt jelenti, hogy a termék megbukott.

A legtöbb termékszabvány minimumként a B kritériumot követeli meg az ESD zavartűréshez. A biztonságkritikus berendezések gyakran az A kritériumot követelik meg.

Hogyan segíthet a TESTUPS?

A TESTUPS teljes körű IEC 61000-4-2 ESD vizsgálati szolgáltatásokat nyújt akkreditált laboratóriumi környezetben, kalibrált ESD generátorokkal, szabványos csatoló síkokkal és tapasztalt vizsgálati mérnökökkel. Támogatjuk az ISO 10605 szerinti gépjármű-ipari ESD vizsgálatokat és az IEC 60601-1-2 szerinti orvostechnikai eszközök ESD vizsgálatait is. Csapatunk segít a vizsgálati terv kidolgozásában, a hibaanalízisben, ha a termékek nem felelnek meg, valamint tervezési javaslatokkal az ESD ellenálló képesség javítására.

Kapcsolódó információkért tekintse meg cikkeinket az ISO 10605 gépjármű-ipari ESD vizsgálatról és a 7 EMC vizsgálat elektromos járművekhez témakörökben.