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ESD 試験についての考察

by Tim Williams, Elmac Services

翻訳: T.Sato


序論: なぜそれを行なうのか

デジタル製品の全体的な頑丈さの非常に良い試験の1つは、 EMC 指令の必須要求のもとでの共通の試験でもある、 静電気放電 (ESD) イミュニティ試験である。 この試験は IEC 61000-4-2 で規定されており、これは、 標準化されたパルス発生器と、被試験装置 (EUT) にストレスを印加する手続きを含む。 この手法は多くの民生製品規格で参照されているだけではなく、 今は軍用規格 (DEF STAN 59-411) にも現れており、 IC レベルの試験のためにも提案されている。

その普及にもかかわらず、それは単純で素直な試験ではない。 解釈とスキルが必要な多くの領域があり、 適切で再現性のある結果は試験技術者の経験と理解に大きく依存する。

この記事は、この試験の誤解の余地のあるいくつかの側面を議論する。 ここでは ESD イミュニティのための製品設計の広範なトピックは考慮しない; むしろ、日常的な業務の中で試験を行なわなければならない技術者を対象とする。 読者が既に IEC 61000-4-2 を良く知っている、 あるいは少なくともそれを読んだことがあり、 ESD 発生器の使用のいくらかの経験があると仮定する。

Figure 1
Figure 1: ESD 帯電プロセス
Figure 2
Figure 2: 放電現象
Figure 3
Figure 3: 標準化された放電電流波形
ESD 現象は、2つの非導電性材料が互いに擦り合わされ、あるいは分離され、 従って一方の材料からの電子が他方に移行する時に始まる (Figure 1)。 これは、それぞれの材料の表面上に摩擦電荷を蓄積させる。 もしその表面が大部分が導電性の物体 (人体のような) を覆っていれば、 その電荷は物体全体に配分されるであろう。 その静電電圧は、移行電荷 Q を物体の総静電容量 C で割ったもの (Q = C×V) と、 電荷が表面から漏出する速度とのバランスによって達成される。 いかなる表面導電性も電荷減衰速度を加速させ、 従ってその後の ESD イベントに使える電圧を制限するであろう。 この理由のため、 相対湿度 (表面導電率に影響する) は静電電圧の蓄積に劇的に影響する: 高い電圧 (10〜20kV) は乾燥した環境と関係し、多湿条件は電圧を低く保つ。

高い静電位差を持つ2つの物体が接近する時、それらのあいだの空隙が降伏し、 結果的なイオン化経路を通る電流によってそれぞれの上の電荷が均等化される。 この電流の経路は、物体とその周囲とのあいだの浮遊容量、 そして経路の残りのインダクタンスとレジスタンスによって完成させられる (Figure 2)。 その一方が接地されているかも知れないものの、 いずれの物体も接地されている必要はない。

実際の電流波形は複雑で、多くの変数に依存する。 これには、分布回路リアクタンスの影響とともに、 接近の速度と角度、そして環境条件が含まれる。 放電の機構は非線形的である; 高い電圧 (6〜10kV 以上) では、 より長い経路の大きなインダクタンスが波形の立ち上がり時間を制限する。 低い電圧では、発生源の局部 (指や金属の工具) に伴う、 数百ピコ秒のオーダーの非常に早い立ち上がり時間を持つ「先駆」スパイクが生じる。 このスパイクは、そのエネルギーは小さいものの、 高速なデジタル機器の動作への損害は、 5〜15ns の立ち上がりを持つかも知れない その後の大きな放電よりも大きいものとなり得る。 IEC 61000-4-2 は、典型的な ESD イベントを代表することを意図した、 校正された発生器が発生しなければならない波形を規定する (Figure 3)。

電流パルスと対照的に、ある種の高インピーダンス回路に対するものを除き、 放電の前と最中の電界は比較的小さい影響を持つ。 試験レベルは kV で規定されているものの、 これは発生器のコンデンサが保持する電圧のみを参照し、 EUT の回路が受ける実際のストレス電圧とは直接関係しない。

物理的セットアップ

ESD 放電に伴う非常に早いエッジのため、 ESD 試験では高周波テクニックが不可欠である。 EUT − 接地間静電容量の管理のための、接地基準面の使用が必須である。 それなしでは、放電リターン電流経路は管理されず、 立ち上がり時間とリターン電流経路は試験毎に変化し、再現性はないであろう。 EUT は、基準面から規定された距離離して、 だがそれが実際の接地プラクティスを代表するものでない限りは 別に接地することなく配置しなければならない。 接地基準面は EUT の境界から少なくとも 0.5m 拡がるべきであり、 安全上の目的のため、主電源の安全接地に接続すべきである。 放電発生器のリターン・ケーブルは、常に接地基準面に接続する。 試験中、それは EUT から充分に離すべきであり、 勿論その上や近くに垂れ下がるべきではない。

卓上機器

Figure 4
Figure 4: 卓上の一般的なセットアップ
卓上 (あるいは、大抵は同じ方法で扱われる、壁面取り付け型) 機器は、 その上に水平結合板 (HCP; 典型的にはアルミニウム板) を置いた 木や絶縁性の机の上に配置される (Figure 4)。 その見掛けとは異なり、これは接地面ではない: それは両端に 470kΩ の除電用抵抗を持つケーブルで接地基準面に接続される。 その抵抗の目的は、それぞれのパルスの印加中は HCP を接地基準面から分離し (従って、ワイヤを面から分離するためにケーブルの両端に位置する)、 だがその後で電荷が漏洩できるようにする (ミリ秒のオーダーの時定数で) ことである。 それらの抵抗は高いパルス電圧を受けるので、 標準的な炭素皮膜や金属皮膜のものではなく、炭素系固定体抵抗器とすべきである。

EUT は薄いプラスチックのシートで HCP から絶縁され、 HCP の前面から 10cm に前面を合わせられる。 放電は、EUT の適切な箇所に、そして HCP にも印加される。 この絶縁は、EUT の金属部と HCP のあいだでの弧絡の機会がないように、 EUT の下面で連続すべきである。 さらに、EUT から 10cm 離した 0.5×0.5m の垂直結合板 (VCP) への 接触放電も必要である。 VCP も、470kΩ + 470kΩ 除電抵抗ケーブルを通して、接地基準面に接続される。 机の周囲には、HCP の縁と 金属の壁や他の構造物全てとのあいだの隔離を維持するための余地が必要である。

床置き型機器

床置きの EUT は、 上記の接地面上の 10cm の高さの絶縁性のパレット上に置くべきである。 これは試験施設とのあいだの移動を容易にし、 また実際の設置における機器とコンクリート補強用鉄筋とのあいだの 典型的な距離を模擬する。 電力、信号、そして接地リードの配置は、 設置プラクティスを代表すべきである。 変動を避けるため、それらは接地面上の一定の高さを引くべきである; 絶縁性のスペーサを用いた 10cm の標準距離が推奨される。

卓上機器の場合と同様、シミュレータの接地リターン・リードは 低インダクタンスの接続具を介して接地基準面に接続される。 何らかの診断の目的のため以外では、 それは EUT のキャビネットに接地すべきではない; これは、ケーブルが地面の近くでキャビネットに入る時には殊に 重要な結合要因となるかも知れない、 キャビネットの下部と接地面とのあいだの電界を低下させる影響を持つ。

EUT への直接放電とともに、 キャビネットから 10cm 離れた垂直基準面への間接接触放電も必要である。 接地面自身への間接放電は適当ではない。

試験箇所の選択

その試験手続きは、気中と接触のいずれかもしくは双方を用いた EUT への直接放電、 そして発生器を水平結合板や垂直結合板に対して用いる間接放電を含む。 後者は、近傍の導電性の物体への放電からの近傍界放射ストレスを 代表することを意図している; 試験のこの部分がつまらないものとなる多くの種類の製品があるが、 一部の製品は直接印加では不合格とならずこれに不合格になることが知られている。

直接放電は、通常の使用中にオペレータやユーザーが アクセス可能となる箇所に印加すべきである。 アメンドメント2 (2001) は、アクセス可能な部分の定義を与えた。 手短に言うと、試験から除外されるのは:

Figure 5
Figure 5: コネクタのピンの試験
Figure 6
Figure 6: 放電箇所の選択
ITE イミュニティ規格 (CISPR 24) は、 未接続のコネクタのコンタクトへの放電を特に除外している。 コネクタのピンへの直接放電の問題 (Figure 5) は、 それを印加するのであればそれぞれのピンに接続された保護回路に 相当のコストをかけなければならないため、しばしば論争となる。 だが、規格への適合の論点を別として、 曝露される可能性のあるピンの保護は通常はより頑丈な製品を作る。 その動作環境で曝露されないであろうと判断する強い根拠がない限り、 そのようなピンを試験することは良いプラクティスである。

実際の印加箇所は、接触と気中の双方で EUT の全周を調べることによって、 実験的に選択しなければならない。

もし EUT が予定の試験レベルに耐えたようであれば、 最悪の印加箇所を見つけるためにレベルを上げることができる。 規格は過剰試験に対して警告している: 「機器に対する損傷を避けるため、 最終的な試験レベルは製品仕様上の値を超えるべきではない。」 だが、製造業者は彼らの製品のための特定の試験レベルを自ら規定しないので、 最良のコースは、調査の目的のために受け入れられる最大レベルが何であるかについて、 製品設計者と事前に決定することである。

接触放電と気中放電: いつどちらを用いるか

結果的なストレスが管理の困難な空隙の気紛れに依存しないので、 接触放電モードが好まれる; だが、それは導電性の表面に印加しなければならず、 プラスチックやその他の絶縁性の部分には使用できない。 接触放電モードでは、 放電を行なう前にその尖ったチップが導電面に垂直に接触させられる。 好まれる攻撃箇所は、 パネルの縁の周囲、部品間の継目、スイッチのような突出した金属、 ねじの頭やコネクタのシェル、そしてプラグイン・カードの縁である。

そのチップは、必要なレベルの気中放電電圧に耐えるであろうと製造業者が宣言する ――この場合、それは尖っていない気中放電チップを用いて確認される―― のでない限り、絶縁性の処理 (塗装のような) 全てを貫通させるために用いられる。 (放電を許すことなく通常の 8kV のレベルに耐えられる 塗装金属仕上げを見つけることは稀である。) 水平結合板や垂直結合板への間接放電は、全て接触法を用いて行なわれる。

気中放電は、放電が生じるかも知れないが接触法ではうまく試験できない、 スロット、継目、絶縁されたスイッチやキーパッドの開口、 その他の領域に対して試される。 気中放電試験は通常はより高い電圧を用い、 これは絶縁の背後にある導電性の面への 絶縁性の表面に沿った沿面放電経路をより容易に見つけるであろう。 そのような沿面放電経路の降伏距離は、 汚染、埃、そして湿度によってしばしば劇的に増加する; 試験のこの部分での放電を避ける機会を最大とするためには、 EUT は可能な限り清浄で、乾き、輝き、そして新しいべきである。

試験レベル

Table 1
Table 1: 試験レベル
IEC 61000-4-2 は、 機器が動作させられることが予期される環境に最も適当なレベルを 製造業者がその中から選択できる、 一連の試験レベルを与えている (Table 1)。 その環境条件は、予期される最低の相対湿度、 そして静電気誘発性の材料が近くにあるかどうかに関係する。 このレベル選択の自由度のため、IEC 61000-4-2 やそれに相当する EN は、 EMC 指令のための義務的な規格としての直接の使用には適さない。

この ESD 試験を参照する多くの製品/一般イミュニティ規格が発行されている。 ESD 要求は通常は製品セクタ内で良く整合化されており、 大抵は接触 4kV と気中 8kV の放電レベルが求められる。 IEC 61000-4-2 の注釈を参照:

試験法の違いのため、示されている電圧は手法によって異なる。 これは、試験法のあいだで試験の厳しさが同等であることを意味しない。

ESD イベントのもっともクリティカルなパラメータは 放電電流の立ち上がり速度であるので、 実際の ESD ストレスは放電電圧の線形な関数ではなく、 印加の手法 (気中か接触か) にも依存する。

移動するスパーク・ギャップのため、接近速度が変わると、 結果的な放電電流の立ち上がり時間は 1ns から 20ns 以上までのあいだで変化し得ることがわかっている。 だが、接近速度を一定に保つことは、一定の立ち上がり時間をもたらさない。 電圧と速度の組み合わせによっては、 立ち上がり時間は依然として30倍以上変動変動し得る。 それだけではなく、特に気中放電では、時に驚くような矛盾がある; 低いストレスレベル、例えば 4kV が障害を引き起こすが、 より高いレベル (8kV や 15kV) がそうしないことは、大いに予期できる。 この規格の第1版が低いレベルを全て試験するように要求する (第2版については後述) のはこの理由のためであり、 この要求は試験技術者に見落とされていることがある ―― それは5章の最初にある。 これは、この問題に影響されない接触法が好まれる理由でもある。

印加の方法

IEC 61000-4-2 は、垂直/水平結合板のそれぞれへの10回の放電とともに、 あらかじめ選択された箇所への少なくとも10回の単一放電を推奨する。 それはそれぞれの放電のあいだの1秒の間隔を推奨するが、 障害が生じたかどうかを告げられるように より長い時間が必要かも知れないことを認めている。

EUT の感度が事前にわかっているのでない限り、 最も敏感な場所を突き止めるための予備試験が常に必要となるであろう; これは、20回/秒、あるいは発生器が可能な頻度での調査放電によって達成できる。 放電は「最も敏感な極性」で印加すべきであるが、 特定の箇所についてどちらの極性が最も敏感であるかを確実に見出せるとは限らず、 従って標準的なプラクティスはそれぞれの箇所に双方の極性を印加することである。

ITE イミュニティ規格 (CISPR 24) は、少なくとも4つの試験箇所に対して、 正と負の極性での200回の接触放電を求める。 極性やレベルを切り替えながら行なうのではなく、 他の極性や次のレベルに切り替える前に 1つの極性と1つのレベルの完全なセットを印加するのが普通である。

Table 7
Figure 7: EUT への発生器の適用における要素
上で概要を述べたように、気中放電法については、 接近速度は結果的なストレス、特にパルス立ち上がり時間に顕著な違いを生じ得る。 変動を最小限とするために、 発生器をできる限り自信を持って動かすことが最良である。 これについて、 規格は「丸い放電チップは EUT に触れるまで (機械的な損傷を与えることなく) できる限り速く接近させなければならない」と言っており、 これは、それは神経質な作業者のための手順ではないことを意味する。 最も困難なのは、キーを作動させ、それによって 試験を台無しにすることなくこのアドバイスに従うことが不可能となる キーパッドの試験である。 (完璧主義者はこの目的のために機械的考案物を設計して使うことだろう。)

結果に違いを生じさせるもう1つの要因は、発生器を保持する角度である。 発生器の前面とそのチップ、そして試験される EUT の表面のあいだの静電容量は、 パルス波形の細部を決定する等価試験回路のパラメータとなる。 この静電容量を再現可能とするため、 発生器を EUT の表面に対して垂直に保護することが必要である。 一方、結合板に放電を印加する時、ガンは結合板の縁の中央に、 そのチップを結合板と垂直にではなく一直線として保持すべきである ―― Figure 7 参照。

環境条件

環境温度 相対湿度 気圧
15℃〜35℃ 30%〜60% 86kPa (860mbar)〜106kPa (1060mbar)
Table 2: 環境範囲
ESD 試験は、EMC 試験全ての中で、 印加されるストレスに環境条件が影響するかも知れない唯一のものである。 (勿論、環境条件はある種の EUT への直接的な影響を持つかも知れない。) 気中放電は発生器のチップと EUT のあいだの空隙の降伏特性によって管理され、 これは湿度、温度、そして気圧に影響され得る。 規格は、試験環境におけるこれらの属性の許容範囲を Table 2 に示すように与える; 通常、困難をもたらすかも知れない唯一のものは相対湿度であるが、これは重要であり、 典型的には試験所内の空調、及び/もしくは加湿が必須となるだろう。 その気圧の要求は、数千フィート以上の標高における試験を妨げるであろう。

EUT 内で生じるかも知れない二次放電はそれらに影響され得るものの、 接触放電法はこれらのパラメータに影響されない。

接地されていない EUT

アメンドメント2 (2001)、そしてその後の第2版は、 接地接続の欠如のために機器が自ら除電できない状況で、 ESD パルスの印加のあいだに EUT を除電する方法を設けている。 問題は、接地された製品と異なり、 バッテリー電源や安全クラス II の製品には パルスの後で電荷を漏洩させる方法がないことである。 漏洩メカニズムがなければ、 EUT 全体が最初のパルスでもたらされた電荷を保持するであろう。
Figure 8
Figure 8: 接地されていない EUT の試験
EUT 全体と接地基準面とのあいだの静電容量が、 EUT が到達する電圧を決定するであろう: 放電パルスのあいだに発生器が運んだ電荷 (Q = C×V) は 発生器の静電容量と EUT の静電容量のあいだで分担される (Figure 8)。 従って、例えば、 発生器の 150pF の静電容量と 6kV の試験電圧は 900μC の電荷を生じる; EUT の静電容量が 50pF であるとすれば、放電のあいだ、 この 900μC は 150pF + 50pF で分担され、 その後でそれぞれのコンデンサに 900μC / 200pF = 4.5kV の電圧を残す。

何もしなければ、 これは明らかに次のパルスが印加される時に問題を生じることだろう。 もし、通常はそうであるようにそれが同じ極性であれば、 発生器と EUT のあいだの電位差は今度は 1.5kV に過ぎず、 従ってそのストレスは著しく小さいものとなる。 また、EUT の電圧はさらに高くなり、 3回目やそれ以降のパルスはさらに小さい電位差を見ることになる。 一方、次のパルスが逆の極性であれば、電位差は 10.5kV となり、 そのストレスは著しく大きいものとなる。 従って、ストレスを同一に保つため、 EUT が直接の接地接続を持つならば自ずと生じるであろうように、 パルスのあいだに EUT 全体から電荷を除去することが重要である。

好まれる手法は、 その片端を水平結合板か接地基準面 (床置きの機器の場合) に、 他の端を EUT パルスが印加される箇所に接続した、 両端に 470kΩ 除電抵抗を持つケーブルの使用によるものである。 この除電ケーブルは、EUT の反応に影響するかも知れないものの、 パルスの印加中もそのままにできる。

その代わりに、それぞれのパルスの後で 470kΩ で接地されたカーボン・ファイバーのブラシで放電印加範囲を掃く、 あるいは時間があれば EUT が自ずと徐々に除電するのを単に待つこともできる。 抵抗を持たない接地ワイヤをパルスのあいだに EUT に当てることは、 EUT の動作を妨害し、あるいは損傷を与えさえする可能性を持つ、 試験パルスよりも大きい逆のストレスを生じるであろうことから、 推奨できない。

性能判定基準

結合経路に、従って全体としてのサセプティビリティに影響するであろう EUT への余分な接続 ――モニタやオシロスコープのような―― を行なうことなしに 誤動作を検出する、何らかの手段を用意しなければならない。 この試験を参照するほとんど全ての製品規格や一般規格で適用される 典型的な性能判定基準は、基準Bである:

「装置は、試験の後で意図されたように動作を継続しなければならない。 装置が意図されたように用いられた時、 製造業者が規定した性能レベルを下回る性能の低下や機能の喪失は許容されない。 この性能レベルは、性能の許容可能な喪失に置き換えられるかも知れない。 だが、試験中、性能の低下は許容される。 実際の動作状態や蓄積されたデータの変化は許容されない...」

勿論、この一般的な言い回しはそれぞれの製品のために解釈しなければならない。 おそらくは表示、通信、そして良く定義された静的動作状態を持つ 典型的なデジタル製品については、 試験中に表示を観察し、通信機能を動作させ、 試験の前後に内部診断確認プログラムを走らせることを考えるかも知れない。 放電パルスが印加された時の表示のちらつきやデータ・パケットの喪失は 許容できるかも知れない (「試験中、性能の低下は許容される」)。 試験の印加の後で素直に回復しない、表示や通信リンクのラッチアップ、 あるいは内部メモリー・データの喪失や動作状態の変化は許容できないであろう。

試験が行なわれるまで、設計者は ESD 試験の結果として 何が起こり得るかの考えを持たないことが多い。

実際的な監視方法と許容できる性能判定基準に達するためには、 通常は設計者と試験技術者のあいだの議論が必要である。

第2版の影響

IEC 61000-4-2 の第2版は 2008年 12月に発行された。 その懐胎期間は長かった; 世界中で何千台もの ESD 発生器が使われているので、 発生器の大きな再設計を意味するかもしれないいかなる変更に対しても 相当の抵抗があった。 ここでは、試験法自身にはごく少数の変更が行なわれた。 発生器については、第2版は、確実に校正試験所への影響を持つ、 校正用ターゲットと校正手続きについての新たな規定を追加した。 だが、同時に、波形の立ち上がり時間の規定 (0.7〜1ns から 0.8ns±25% へ) と ピーク電流の規定 (±10% から ±15% に) をやや緩和した。 Annex A は、なぜ発生器に対する より厳しい変更が必要と見做されなかったのかを説明する、 「発生器の仕様に関する根拠」を加えた; より厳しく管理された波形を与えるように変更された発生器での ラウンドロビンが行なわれたが、 「新たな波形は実際の EUT の試験結果の再現性の顕著な改善を何らもたらさなかった」。 それは、発生器が放射する電界が再現性問題の原因となり得ることも指摘する:

「... このパラメータが再現性問題の原因であるという保証なしでは、 さらにラウンドロビン試験を行なうために必要な資源は重大であろう。 放射電磁界の実際の EUT への影響を見積り、また試験結果の再現性に影響する 関連パラメータをどのように制御するかを理解するためには、 相当の技術的調査が必要である。」

測定不確かさ (MU) についての新たな情報的附属書があるが、 これは発生器のパラメータの校正にのみ関係する。 だが、認定試験所が用いており、 UKAS の ESD 試験への不確かさの適用の標準的な手法を述べる Lab 34 で形式化された現在のアプローチと比較してみると、 それは機械にスパナを投げ込むものとなっている。 その最後のパラグラフは次のように言明する:

一般に、発生器が仕様の範囲内にあることを確かとするために、 校正結果はこの規格の規定された限度内にあるべきである (許容差は MU によって減じられない)。

Lab 34 では、発生器のパラメータに許される許容差は校正の MU で減じられ、 これは必要なストレス・レベルが満足されているという 95% の信頼度を与えるために必要である。 IEC 61000-4-2 第2版のこの言明の結果は、 このレベルの信頼度が達成されないというものである。

第2版には、他に2つの注目すべき変更がある。 最初のものは、6.3章の、試験前検証のはっきりとした推奨である。 認定試験所はこれを当然のこととして行なう傾向があるが、 正しいストレスが印加されないことを明らかにすることなく 発生器セットアップが損傷を受ける可能性は少なからずあるので、 それは常に良いプラクティスである。 簡単な試験前確認は、接地面に対する固定の空隙に発生器を印加し、 校正の直後に設定された正しい閾値電圧よりも上でパルスをトリガした時に スパークが生じることを確認することである。

第2の変更は、「規定された試験レベルまでの全ての試験レベル」に対して 試験するという要求が、今は気中放電にのみ適用されることである (第5章)。 気中放電法は不安定であることが知られているが、接触法は遥かに予測可能で、 試験レベルに比例するストレスを印加するので、これは合理的である。

まとめ

この ESD イミュニティ試験は広く用いられているが、その見掛け上の単純さは、 理解して管理しなければ多様な結果を引き起こし得る様々な要因を正しく伝えない。 信頼できる再現可能な結果を得るためには、 試験技術者の経験とスキルが最重要である。


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これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2010-02-13