Modellierung und messtechnische Parametrierung im Zeit und Frequenzbereich von Überspannungsschutzelementen

Abstract

Transiente Überspannungen wie Elektrostatische Entladungen (ESD) stellen eine ernstzunehmende Bedrohung für Automobil-, Industrieund Verbraucherelektronik dar. Eine Entladung von Mensch oder Werkzeug kann ICs stören oder zerstören [1]. Verschiedene Strategien und Designrichtlinien zur Vermeidung von ESD Fehlern sind bekannt. Eine zuverlässige Maßnahme an IC-Pins mit hohen Datenraten ist die Bestückung des Systems mit spannungsselektiven Schutzelementen. Typische Vertreter dieser Schutzstrategie sind „Multi-Layer“-Varistoren (MLV) und „Transient Voltage Suppressor“Dioden (TVS). Üblicherweise erfolgt die Beurteilung der Leistungsfähigkeit anhand der quasistatischen I-U-Kennlinie, wie es der Ansatz in [1] (System Efficient ESD Design: SEED) vorschlägt. Der Übergang vom sperrenden in den leitenden Zustand ist jedoch von dynamischen Prozessen begleitet. Ausgeprägte Einschalteffekte in Form von Spannungsüberhöhungen können in den ersten Nanosekunden beobachtet werden. Abbildung 1 stellt die Sprungantwort von TVS und MLV dar. Eine simulationsgestützte Dimensionierung von ESD-Schutzkonzepten erfordert Modelle, die diese Einschalteffekte berücksichtigen. Im Bereich von Leistungsdioden ist der Effekt unter dem Namen "Forward Recovery" bekannt und entsprechende Modellierungsansätze wurden in [3] präsentiert. Eine Übertragung des Ansatzes auf TVS-Dioden wurde in [4] vorgestellt. Die Modellparametrierung erfolgte durch Zeitbereichsmessungen mit einem Transmission Line Pulser (TLP). Für die nichtlineare I/U-Kennlinie ist bei MLV die ZnO-Keramik verantwortlich. Aufgrund von Herstellungsprozessen besteht die Keramik aus einzelnen ca. 1-100 μm großen Körnern. Das Korninnere weist eine hohe Leitfähigkeit auf, während der Kornrand isolierend ist. Zwei aneinandergrenzende Körner formen eine Korngrenze, auch als Mikrovaristor bezeichnet. Die MLV-Keramik ist somit eine Reihenund Parallelschaltung einzelner Mikrovaristoren. Die nichtlineare I-U-Kennlinie ist ein Korngrenzenphänomen. Im Bändermodell wirkt sich eine Korngrenze wie eine Potentialbarriere aus. Ab einer Durchbruchsspannung (2,5 V bis 3,5 V für ZnO) wird die Potentialbarriere von Elektronen überwunden und ein rapider Stromanstieg ist zu beobachten. Die Höhe der Potentialbarriere ist zusätzlich zum Herstellungsprozess von der Bewegung der Minoritätsladungsträger (Löcher) abhängig. Diese Eigenschaft bewirkt eine dynamische Abnahme der Potentialbarriere in den ersten Nanosekunden und äußert sich in einer Spannungsüberhöhung bei Belastung mit Rechteckpulsen [11]. In [5] und [6] wurden das dynamische Verhalten von ZnO-Überspannungsableiter in Zeitbereich analysiert und Modellierungsmöglichkeiten vorgeschlagen. Eine detaillierte Untersuchung des Durchbruchs im Frequenzbereich wurde in [7] vorgestellt. Diese Arbeit beschreibt eine Charakterisierungsmethode unter Kombination von Zeitund Frequenzmessmethoden. Im Zeitbereich wird die quasi-statische I-U-Kennlinie des Bauelements bestimmt und mit entsprechenden Gleichungen approximiert. Messungen im Frequenzbereich bei verschiedenen DC-Vorspannungen geben detaillierte Auskunft über die frequenzabhängige Impedanz bis zum Durchbruchsbereich. Ein Verhaltensmodell wird abgeleitet und dessen nichtlineare Parameter werden identifiziert. Das Verhalten der nichtlinearen Parameter im Hochstrombereich wird mit der I-U-Kennlinie extrapoliert. Das Verfahren und dessen Vorteile werden an einem MLV demonstriert. Das parametrierte Modell wird zur Simulation von ESD Ereignissen auf Systemebene verwendet. Die Verbesserung gegenüber einem einfachen Modell wird gezeigt und diskutiert.