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ESD란? 정전기 방전(ESD)은 인체와 같이 전하를 띤 두 물체가 서로 접촉할 때 정전기가 발생하는 현상입니다. 인체에서 발생하는 고전압 ESD 펄스가 전자 기기에 닿으면 전자 기기에 유입되어 기기 내부의 IC 회로를 손상시킬 수 있습니다. 이러한 ESD 현상은 전자 부품의 작동 속도가 빨라지고 전자 부품의 작동 전압이 감소시킴으로써 심각한 간섭문제를 발생시켜 전자 시스템의 손상, 오작동 또는 고장을 일으킬 수 있습니다.

 

 

ESD IEC 표준

테스트 결과의 재현성을 보장하기 위해 사용 가능한 대부분의 ESD generator에는 IEC 61 000-4-2 표준의 사양을 준수합니다. 이 표준은 ESD generator에 의한 주입 파형 교정 절차를 설명합니다. 파형 특성은 ESD generator의 파형 특성은 표준에 문서화된 이상적인 파형 특성과 비교됩니다. 아래 그림 1에 표시된 전류(A) 대 시간(ns)의 플롯은 Contact discharge 모드에서 ESD generator의 이상적인 성능을 나타냅니다. 파형의 동작은 주로 상승 시간에 의해 결정되며 방전의 첫 번째 피크 전류, 30ns의 전류 및 60ns의 전류에 의해 결정됩니다.

 

그림 1. IEC 61000-4-2 표준에 따른 ESD 전류 파형

 

 

목적

Air discharge는 절연 플라스틱이나 스마트폰의 유리 커버와 같이 전도성 부품이 노출되지 않는 경우에 사용됩니다. Air discharge가 생성 시 ESD generator 끝과 테스트 대상 디바이스 사이에 Arc가 형성됩니다. 이렇게 발생된 방전 전류 상승 시간 및 피크 진폭은 Arc 방전 경로 길이에 따라 달라집니다. Arc 경로 길이는 습도 및 generator가 DUT에 접근하는 속도에 따라 달라집니다. 이 백서에서는 선형 ESD generator 전파 모델과 비선형 Arc 모델을 결합하여 Air discharge 모드에서 전류와 전계를 시뮬레이션하는 방법을 제안합니다. ESD generator를 설계하고 CST Studio Suite 과도 TLM 솔버를 사용하여 다양한 구성에 대해 동작을 평가합니다.

 

 

ESD 테스트 방법

ESD 테스트 방법이 표준은 Contact discharge 및 Air discharge이라는 두 가지 ESD 테스트 방법을 정의합니다.

Con-tact discharge 방법에서 테스트 generator의 전극은 테스트 중인 장비(EUT)의 노출된 도체와 접촉하고 generator 내의 방전 스위치에 의해 작동되는 방전입니다. Contact discharge 전류는 테스트 및 인증 프로세스의 재현성을 가능하게 합니다. Air discharge 방식에서는 테스트 generator의 충전된 전극을 DUT에 가깝게 가져가 스파크에 의해 장치에 방전이 작동합니다.

IEC 61000-4-2 표준은 도체가 노출되지 않아 Contact discharge이 불가능한 경우 Air discharge 테스트를 채택합니다. 그러나 이 테스트 모드는 Contact discharge 테스트보다 재현성이 떨어집니다.

이 백서에서 ESD generator 테스트 설정은 SIMULIA CST Studio Suite를 사용하여 모델링되었으며 시뮬레이션은 IEC 표준에 명시된 Air discharge에 대한 다양한 테스트 레벨 (예 : 2kV, 4kV, 8kV)에 대해 수행됩니다, 시뮬레이션 결과는 표 1에 언급된 표준의 특정 값 중 15kV 값과 비교될 예정입니다.

 

표 1. IEC 61000-4-2 테스트 레벨 및 ESD generator 파라미터

 

 

Air discharge ESD generator 모델

ESD generator는 일반적으로 일반적인 인체 방전을 재현하는 데 사용되며, 이를 통해 제품을 다음과 같이 테스트할 수 있습니다. 정확하고 효율적인 3D 모델링과 generator의 meshing은 해석 관점에서 매우 중요 합니다. Air discharge를 위한 ESD generator의 실제 설계는 복잡하기 때문에 metallic elements, resistors, capacitors, nonlinear arc로 구성된 선형 섹션으로 분리해야 합니다. 이에 상응하는 등가화된 3D 모델은 그림 2와 같이 CST Studio Suite에서 모델링하여 제공하고 있습니다.

Air discharge 의 경우, ESD generator에는 원형 방전 팁이 사용됩니다. 이 모양의 장점은 접촉 방전에 사용되는 원뿔형 팁에 비해 전하의 분산 강도가 높다는 것입니다.

 

그림 2. Air discharge을 위한 ESD generator 설계 및 캘리브레이션 설정

 

Rompe-Weizel 모델

Air discharge 의 물리적 테스트에서 대전된 팁은 Arc가 발생할 때까지 먼 거리에서 EUT 쪽으로 이동합니다. Arc는 ESD 발생기 팁과 DUT 사이의 틈에서 공기가 파괴되어 발생합니다. Rompe-Weizel 모델은 Arc의 전기적 거동을 모델링하는 데 사용되며 CST Studio Suite에서 Transient-co simulation을 사용하여 구현되었습니다. 본 모델은 시간 종속 Arc 저항을 시뮬레이션에 표시할 수 있으며 시뮬레이션 결과를 다양한 Arc 길이에 대한 물리적 테스트 데이터와 비교하기 위해 변수를 변경할 수 있습니다.

Rompe Weizel model은 아크 길이가 상승 시간 및 피크 전류에 미치는 영향을 설명하며, 아크 저항은 다음과 같이 계산됩니다.

 

여기서, R은 Arc 저항(Ω), d는 Arc 길이(m), a는 경험적 이온화 상수, i(ξ) 는 방전 전류(A)입니다.

 

 

Transient co-simulation

그림 3. CST Studio Suite Co-Simulation 셋업

 

CST Studio Suite는 시간 영역에서 Maxwell의 방정식과 아크 저항 방정식을 동시에 풀 수 있는 기능을 제공하여 주어진 형상, 충전 전압 및 아크 길이에 대한 전류 및 필드를 추정합니다.

그림 3에 표시된 transient co-simulation설정에서 Arc 저항은 3D 구조에 직접 연결된 SPICE 블록을 사용하여 모델링 됩니다. 이러한 저항은 ESD generator 3D 등가모델과 회로 시뮬레이터를 통해 연결됩니다. 회로 시뮬레이터는 SPICE 모델과 같은 비선형 요소를 모델링할 수 있습니다. SPICE 모델은 Rompe Weizel model을 구현한 것으로 Arc 길이 및 이온화 계수 파라미터를 변경하여 해석에 사용해 볼 수 있습니다. 매 time step마다 circuit 모델과 3D solver 간에 전압 및 전류 정보가 교환됩니다.

 

 

다양한 Arc 길이의 효과

 전압과 속도가 동일하게 유지되더라도 Air-discharge 전류가 재현이 어렵다는 것은 잘 알려진 사실입니다. 이러한 이유는 Arc 길이가 다르기 때문입니다.

Paschen의 한계 값보다 긴 아크 길이는 매우 nonhomogeneous field에서 가능합니다. 그림 4는 5kV 충전 전압에 대한 Arc 길이가 ESD 전류 파형에 미치는 영향을 보여줍니다. Arc 길이 1.1mm는 Paschen 길이와 같으며, 이러한 방전 전류는 높은 습도와 느린 접근 속도에서 발생합니다. 이로 인해 짧은 아크 길이에 비해 느린 상승 시간(1.76ns)과 낮은 전류 피크 값(8.64A)이 발생합니다. 적당한 접근 속도는 Arc 길이 0.7mm에서 발생되며, 이 길이에서 상승 시간(0.72ns)은 IEC에 명시된 대로 Contact discharge ESD의 상승 시간과 어느 정도 유사합니다. 61000-4-2 표준과(0.7ns-1ns) 다소 유사합니다.

매우 짧은 Arc 길이는 높은 접근 속도와 건조한 공기에서 발생합니다. 그림 4에는 Arc길이 0.3mm의 전류 피크 값은 29.54A이고 상승 시간은 0.16ns입니다.

 

그림 4. 다양한 Arc 길이에 대한 ESD 방전 전류

 

 

팁 간격의 효과

물리적 ESD 테스트 중에 발생기 팁은 Arc가 발생할 때까지 다양한 속도로 EUT 쪽으로 이동합니다. 방전 시 Arc 길이는 DUT와 generator 팁 사이의 거리와 같습니다. 앞서 다양한 Arc 길이에 따른 효과를 확인한 그림 4는 언급한바와 같이 Arc 길이에 따른 효과 검증 을 할 수 있으며, Arc 길이가 팁과 test wall과의 간격과 동일하기 때문에 이 분석 결과를 통해 test wall과 팁의 간격을 설정해 볼 수 있습니다. 

 

aR 변화의 효과

이상적으로는 경험적 이온화 상수인 aR 은 상수 입니다. 이 상수 값은 Rompe-Weizel 법칙에 의한 계산된 저항 값 비교했을 때 약간의 편차가 있을 수 있습니다. 정상 압력 하의 공기에서 aR의 문헌 값은 대부분 0.5x10-4 ~ 4x10-4 m2/V2 sec 범위입니다. 일부 전압 레벨에 대한 aR 의 기준 값은 “Computer Simulation of ESD from voluminous objects compared to transient fields of humans”[1]에서 참조할 수 있습니다.

CST Studio Suite를 사용하여 그림 5과 같이 aR 의 문헌 값 범위에 대한 parametric 분석을 진행해 보았습니다. 이는 ESD gen-erator 성능을 IEC 표준과 일치시키기 위해 적절한 aR 값을 선택해야 하는 경우 유효한 지표로 사용될 수 있습니다. 일반적으로 낮은 작동 전압의 경우 성능을 IEC 표준과 일치시키기 위해 더 높은 aR 값이 필요합니다.

 

그림 5. 다양한 aR값에 대한 ESD 방전 전류

 

다양한 전압 레벨에 대한 성능 

설계된 ESD generator는 IEC ESD 표준을 준수해야 하므로 다음을 확인해야 합니다. 표준에 따라 다양한 공급 전압에 대한 성능을 검증해야 합니다. 설계된 ESD generator는 그림 6과 같이 다양한 공급 전압으로 시뮬레이션을 수행했으며 결과는 다음과 같습니다. 이는 ESD IEC 표준에 문서화된 수준과 잘 일치합니다.

 

그림 6. 다양한 전압에 대한 ESD 방전 전류

 

 

측정을 통한 검증

Air discharge 전류는 재현성이 낮기 때문에 시뮬레이션된 전류 파형과 측정값을 일치시키기가 어렵습니다. 따라서 일반적으로 ESD 전류에 대한 전류 도함수를 평가하는 것이 일반적입니다. 전류 미분은 ESD generator 전류 파형의 피크 전류 및 전류 상승 시간을 사용하여 계산됩니다. 그림 7은 Arc 길이가 감소함에 따라 전류 미분이 증가하는 것을 보여줍니다. 물리적 테스트 또는 시뮬레이션 중에 대역폭을 적절히 선택해야 빠른 과도 전류가 놓치지 않도록 대역폭을 적절히 선택해야 합니다. 

 

SPICE Model을 이용한 유효성 검사

CST Studio Suite co-simulation에 Arc 저항을 모사하기 위해 사용되는 SPICE 모델의 정확성을 검증하기 위해 "Methodology for 3D full-wave simulation of electrostatic breakdown across an air gap"[2]의 내용을 기준으로 측정 결과와 시뮬레이션 결과를 비교해 보았습니다. 이때 Arc 모델 생성을 위한 SPICE 모델을 포함한 해석 결과와 [2]의 측정 결과를 피크 전류 및 전류 상승 시간을 통해 미분한 값으로 서로 비교해보면 그림 8과 같이 매우 잘 맞는 것을 확인 할 수 있습니다. 따라서 CST에서 제공하는 모델에 포함된 SPICE 모델을 이용하여 Arc 저항을 모사할 수 있으며, 이를 통한 Air discharge 해석에 활용해 볼 수 있습니다.

 

 

그림 7. 다양한 입력 전압에 대한 전류의 최대 시간 도함수 비교                                       그림 8. 5kV Air discharge을 위한 전류 파생 상품

 

 

ESD generator 검증

설계된 ESD generator를 추가로 검증하기 위해 "“Full-Wave Simulation of an Electrostatic Discharge Generator Discharging in Air-Discharge Mode into a Product "[3]을 참조했습니다. 참조에서 사용된 ESD generator 모델은 본 백서의 검증에 사용된 CST Studio Suite의 ESD generator 모델과 다르지만 유사한 전류 파생 결과가 나올 것으로 예상됩니다. 참조 모델의 피크 전류 파생 데이터는 그림 9과 같이 테스트 전압 5kV에 대해 본 백서에서 시뮬레이션한 CST Stu-dio Suite 모델과 잘 일치하는 것으로 나타났습니다. 세 번째 검증은 "Computer Simulation of ESD from voluminous objects compared to transient fields of humans "[4]의 모델을 참조하여 수행하였습니다. 10kV의 테스트 전압에 대해 시뮬레이션 된 피크 전류 및 전류 파생 데이터는 참조의 측정 값과 비교됩니다.

이러한 검증을 통해 그림 9 및 그림 10에 표시된 것처럼 CST Studio Suite에서 시뮬레이션 된 모델이 측정 결과와 거의 일치하는 것을 볼 수 있습니다.

 

그림 9. 10kV에 대한 시뮬레이션 피크 전류                                                      그림 10. 10kV에 대한 피크 전류 미분 시뮬레이션

 

 

* 본 자료는 Dassault systems 의 ELECTROSTATIC DISCHARGE AIR 의 번역본입니다.

* 본 자료는 다쏘시스템 홈페이지 자료로 자세한 내용은 아래 원본 링크를 통해 확인해 보시길 바랍니다.

   - 원본 : 다쏘시스템