Eine elektrostatische Entladung (ESD) ist ein plötzlicher Stromfluss zwischen zwei elektrisch geladenen Objekten, der durch den Durchschlag der sie trennenden Dielektrika, d. h. durch einen dielektrischen Durchschlag, verursacht wird. Bei elektronischen Geräten können der daraus resultierende Stromfluss und mögliche Funken das Gerät dauerhaft beschädigen (siehe Abbildung 1). Ein oft zitiertes, aber unbewiesenes Zitat lautet: „…die mit ESD verbundenen Verluste in der Elektronikindustrie werden auf jährlich zwischen einer halben Milliarde und 5 Milliarden Dollar geschätzt.“ In Wirklichkeit ist es äußerst schwierig, die genauen Kosten von ESD-Schäden zu schätzen; dennoch zwingt ESD zur Entwicklung und Prüfung vieler Hardware-Prototypen während der Konstruktion und Fertigung und trägt zu einer hohen Anzahl von Gewährleistungsansprüchen sowie zu einem Verlust des Verbrauchervertrauens bei, falls ein Ausfall in den Händen des Verbrauchers auftritt. Daher unternehmen Elektronikhersteller große Anstrengungen, um empfindliche Komponenten ordnungsgemäß abzuschirmen und Systeme so zu konstruieren, dass statische Aufladungen reduziert, abgeleitet und neutralisiert werden.
Zur Prüfung der ESD-Empfindlichkeit verwenden Hardware-Ingenieure in der Regel Testmodelle, die in verschiedenen Normen von Organisationen wie ANSI, JEDEC und der IEC definiert sind. Die gängigsten und am weitesten verbreiteten ESD-Modelle sind das Human-Body-Modell (HBM), das eine Entladung von einer geladenen menschlichen Fingerspitze auf ein geerdetes Gerät approximiert (siehe Abbildung 2), und das Charged-Device-Modell (CDM), das eine Entladung von einem geladenen Gerät auf ein anderes leitendes Objekt mit niedrigerem elektrostatischem Potential approximiert. Diese Tests werden in der Regel mit ESD-Simulatoren oder ESD-Kanonen durchgeführt, um Hochgeschwindigkeits- und Hochspannungsimpulse an verschiedenen Punkten des Prüflings (DUT) anzulegen.
Selbst für einen erfahrenen Ingenieur kann es eine große Herausforderung sein, während der Prüfung den Ort eines ESD-Ausfalls genau zu lokalisieren – oder überhaupt festzustellen, ob ein Ausfall aufgetreten ist. ESD-Ausfälle werden typischerweise in drei Gruppen eingeteilt: katastrophale, latente oder Störungsausfälle. Im Falle eines katastrophalen Ausfalls funktioniert das Prüfobjekt (DUT) nicht mehr und es liegt in der Regel ein
r physischer Schaden vor, wie beispielsweise geschmolzene und/oder verkohlte Bauteile. Intuitiv mag ein katastrophaler Ausfall wie das Worst-Case-Szenario klingen; tatsächlich ist er jedoch der ideale Fall, auf den man bei Qualitätssicherungstests stoßen kann, da er leicht zu erkennen, zu lokalisieren und im endgültigen ESD-Schutzkonzept zu berücksichtigen ist. Latente und Störungsfehler sind hingegen viel schwieriger zu diagnostizieren, da das Prüfobjekt (DUT) weiterhin funktioniert und kaum oder gar keine Anzeichen einer physischen Beschädigung aufweist. Latente Fehler sind oft mit bloßem Auge nicht erkennbar und führen zu einem geschwächten Gerät, das zum Zeitpunkt der Prüfung noch funktioniert, sich aber mit fortschreitender Nutzung im Laufe der Zeit verschlechtert und häufig im Besitz des Verbrauchers Fehlfunktionen aufweist oder ausfällt. Störungsausfälle resultieren aus Überströmen, die das Prüfobjekt zwar nicht physisch beschädigen, aber die halbleitenden Eigenschaften der Komponenten beeinträchtigen, was zu unvorhersehbarem Verhalten und Datenverlust im Betrieb führt. Latente Fehler lassen sich manchmal unter Vergrößerung erkennen, Störungsausfälle sind jedoch während der Prüfung nahezu unmöglich zu entdecken.
Angesichts des hohen Zeit- und Materialaufwands für ESD-Hardwaretests und der Schwierigkeit, latente und versteckte Fehler zu lokalisieren, ist die Simulation von ESD-Tests äußerst wertvoll, da sie Stellen identifizieren kann, die anfällig für ESD-Schäden sind, und so dazu beiträgt, die ESD-Schutzmaßnahmen bereits während der Produktentwicklung zu optimieren. Als Reaktion auf diesen wachsenden Bedarf wurde das Vollwellen-Simulationssoftwarepaket XFdtd® von Remcom um neue ESD-Simulationsfunktionen erweitert . Mithilfe der verbesserten benutzerdefinierten Wellenformfunktion von XFdtd können Ingenieure ESD-Wellenformen importieren, die durch verschiedene Teststandards definiert sind, und diese verwenden, um ESD-Stromquellen in einem XFdtd-Projekt zu erstellen. An dieser Stelle können ESD-Simulator-/Gun-Modelle erstellt und verwendet werden, um die DUT-Geometrie an den interessierenden Stellen anzuregen, wobei die resultierenden elektromagnetischen (EM) Felder und Stromflüsse simuliert und analysiert werden (siehe Abbildung 1).
Um die Herausforderung zu bewältigen, festzustellen, ob und wo ein tatsächlicher ESD-Ausfall aufgetreten ist, wurde den elektrischen Materialdefinitionen von XFdtd ein neuer Materialparameter hinzugefügt: die Durchschlagfestigkeit. Die Durchschlagfestigkeit eines Materials definiert das maximale elektrische Feld, dem es standhalten kann, ohne dass es zu einem dielektrischen Durchschlag kommt (d. h. ohne dass es seine isolierenden Eigenschaften verliert). Durch das Hinzufügen des Parameters „Durchschlagfestigkeit“ zu XFdtd ist es möglich, die Ränder der FDTD-Zellen während transienten Simulationen mithilfe eines Nahfeldsensors für dielektrischen Durchschlag auf einen möglichen Durchschlag zu überwachen (siehe Abbildung 3). Der Sensor weist die XFdtd-Berechnungsengine an, die Zellränder auf elektrische Felder zu überwachen, die die Durchschlagfestigkeit ihrer Bestandteile überschreiten, und Fälle aufzuzeichnen, in denen ein dielektrischer Durchschlag wahrscheinlich ist. Der Sensor erfordert, dass der Benutzer die dielektrische Festigkeit im freien Raum definiert, die für alle Kanten verwendet wird, die kein definiertes Material enthalten. Die standardmäßige dielektrische Festigkeit im freien Raum ist auf 3 MV/m eingestellt, was der dielektrischen Festigkeit von Luft auf Meereshöhe entspricht. Der Sensor ermöglicht es dem Benutzer außerdem, einen Begrenzungsrahmen zu definieren, um das für den dielektrischen Durchschlag überwachte Volumen einzuschränken. Die Verwendung dieser Funktion spart Rechenaufwand, da nur die spezifischen Bereiche von Interesse definiert werden, anstatt den gesamten Berechnungsbereich zu untersuchen.
Nach Abschluss einer FDTD-Simulation können die Zellränder, die ihre jeweilige Durchschlagfestigkeit überschreiten, angezeigt werden, wie in Abbildung 4 dargestellt.
XFdtd wurde zudem um eine Funktion erweitert, mit der bestimmte elektronische Bauteile überwacht werden können, die über ihre Nennwerte für Spannung und Stromstärke hinaus belastet werden; diese Werte sind den Datenblättern der Bauteile zu entnehmen. Anhand der Ergebnisse nach der Simulation lassen sich jene Bauteile identifizieren, die aufgrund unsicherer Grenzwerte dauerhaft beschädigt werden (siehe Abbildung 5).
Auch wenn Simulationen Hardware-Tests nicht vollständig ersetzen können und sollten, bieten diese neuen Berechnungsfunktionen ESD-Ingenieuren einen besseren Einblick in die wahrscheinlichen Ursachen von ESD-Ausfällen, sodass ESD-Schutzkonzepte bereits vor der Hardware-Prototypenentwicklung optimiert werden können. Remcom ist überzeugt, dass diese Funktion die Produktentwicklungskosten und die Markteinführungszeit senken und gleichzeitig die Produktzuverlässigkeit sowie das Vertrauen der Verbraucher stärken wird. Diese neuen Funktionen bilden die Grundlage für weitere multiphysikalische Funktionen, darunter Plasmaentladungs- und thermische Simulationen zur Modellierung des Stroms und der Wärme, die bei Funkenentladungen entstehen. Durch die Zusammenführung dieser Berechnungstechniken wird die Analyse der nachgelagerten Stromflüsse nach einem anfänglichen dielektrischen Durchschlag ermöglicht, wodurch Ausfälle von dielektrischen Bauteilen und Schaltungskomponenten genauer vorhergesagt werden können.