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ESD란? Electrostatic Discharge (ESD)는 인체와 같이 전하를 띤 두 물체가 서로 contact할 때 정전기가 발생하는 현상입니다. 인체에서 발생하는 고전압 ESD 펄스가 전자기기 내부로 유입되면 기기 내부의 IC 회로를 손상시킬 수 있습니다. ESD 현상은 전자 부품의 작동 속도를 빨라지게 하고 작동 전압을 감소시킵니다. 이는 심각한 간섭문제를 발생시켜 전자 시스템의 손상 및 오작동 또는 고장을 일으킬 수 있어 이를 방지하기 위한 보호 설계가 필수적입니다.
 

ESD IEC 표준

테스트 결과의 재현성을 보장하기 위해 사용 가능한 대부분의 ESD generator는 IEC 61000-4-2 표준의 사양을 준수합니다. 이 표준은 ESD generator에 의한 주입 파형 교정 절차를 설명합니다. 해석용 ESD gen-erator의 파형 특성은 표준에 문서화된 이상적인 파형 특성과 비교됩니다. 아래 그림 1에 표시된 전류(A) 대 시간(ns)의 플롯은 Contact discharge 모드에서 ESD gen-erator의 이상적인 성능을 나타냅니다. 파형의 동작은 주로 상승 시간에 의해 결정되며 discharge의 첫 번째 피크 전류, 30ns의 전류 및 60ns의 전류에 의해 결정됩니다.

ESD 해석을 진행하는 경우 해석용 ESD Generator가 있어야 합니다. 해석용 ESD generator는 IEC 표준에 지정된 다양한 테스트 레벨(예: 2kV, 4kV, 6kV, 8kV , 표 1에 언급)의 결과가 표준에 명시된 성능 요구 사항과 유사하게 도출되는지 비교해보아야 합니다.

목적

ESD 표준에 근접하게 성능을 맞추기 위한 다양한 ESD generator 설계 연구가 이미 수행되었지만, 하위 구성 요소를 사용한 ESD generator 성능 튜닝에 관한 정보는 거의 없습니다. 이 백서에서는 시뮬레이션을 통해 다양한 ESD generator 설계 파라미터를 변경하고 그 효과에 대해 기술 합니다.

ESD generator 성능은 표준에 명시된 요구 사항과 비교하여 검증되며 다양한 출판물의 측정 결과와 추가 비교하여 검증하였습니다.

ESD 테스트 방법

이 표준은 contact discharge 및 Air discharge이라는 두 가지 ESD 테스트 방법을 정의합니다. contact discharge 방식에서는 테스트 generator의 전극이 테스트 대상 장비의 전도성 부분과 직접 contact한 상태로 유지됩니다. Air discharge 방식에서는 테스트 generator의 전극을 EUT에 가깝게 가져와서 전극과 EUT 사이에 아크가 형성되어 discharge가 발생합니다.

Contact discharge을 위한 ESD generator 모델

ESD generator는 일반적으로 일반적인 human body discharges 를 재현하는데 사용됩니다.

정확하고 효율적인 3D 모델링과 generator의 메시화는 중요한 측면입니다.

ESD generator의 실제 설계는 복잡하기 때문에 이에 상응하는 단순화된 3D 모델을 다쏘시스템에서 개발하여 고객에게 제공하고 있습니다. ESD generator 모델에는 다양한 금속 및 유전체 부품이 포함되어 있으며, Lumped element 및 Excitation용 포트가 포함되어 있습니다.

그림 2에서 볼 수 있듯이 제공되는 해석용 ESD generator는 2m 접지 스트랩이 포함된 ESD generator로 1.2m x 1.2m 금속 벽에 배치됩니다. 이를 통해 IEC 표준에 정의된 캘리브레이션 구성에 따라 CST Studio Suite에서 시뮬레이션하여 동작을 연구하고 성능을 검증합니다. 그림 3은 IEC ESD 표준 파형에 유사하게  시뮬레이션 된 ESD generator 모델의 팁 전류를 보여줍니다.

팁 설계, 접지 스트랩 형상, 스트랩 인덕턴스 등과 같은 특정 파라미터를 조정하여 ESD generator의 전류 특성이 규정에 만족되도록 수정해 볼 수 있습니다. 이러한 주요 파라미터 중 일부는 다음 섹션을 통해 설명하겠습니다. 

접지 스트랩 두께의 영향

ESD 표준에 따라 ESD generator에는 2m 길이의 접지 케이블이 장착되어 있으며, 이는 discharge 전류의 복귀 경로를 제공합니다. ESD 표준은 접지 스트랩의 두께 또는 직경에 대한 기준 값을 지정하고 있지 않으나 이 영향성에 대한 역할을 이해하는 것은 중요합니다. 그 이유는 이러한 특성이 전체 인덕턴스에 직접적으로 기여하고 discharge 파형에 영향을 미치기 때문 입니다. 이론적으로 스트랩의 self 인덕턴스는 길이,  직경과 같은 물리적 파라미터에 의해 제어됩니다.  이러한 특성을 시뮬레이션해 보았을 때 그림 5에서 볼 수 있듯이 partial 인덕턴스는 스트랩 반경에 반비례합니다.

이 백서에서 평가한 ESD generator 접지 스트랩의 길이는 약 2m입니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 첫 번째 피크 이후의 ESD generator discharge 성능은 self 인덕턴스의 변화로 인해 스트랩 반경에 영향을 받습니다. 특히 ESD 파형의 두 번째 피크를 이동시키는 데 중요한 역할을 합니다.

접지 스트랩 길이의 효과

ESD 표준에 따라 캘리브레이션에 필요한 접지 스트랩의 최소 길이는 2m이며, 이 길이가 충분하지 않은 경우 표준에 맞게 성능을 맞추기 위해 길이를 최대 3m까지 연장할 수 있습니다. 접지 스트랩의 길이는 루프 인덕턴스로 인해 두 번째 피크의 위치에 영향을 줍니다.

일부 간행물에서는 전기적으로 길이를 늘리기 위해 접지 스트랩과 직렬로 lumped element를 추가하여 더 짧은 접지 스트랩을 사용하는 방법을 제안합니다. 일부 상황에서는 이 근사치가 합리적일 수 있지만, 일반적으로는 접지 스트랩의 실제 길이를 모델링하여 전자기장 및 discharge 파형에 미치는 영향을 분석합니다.

그림 7에서 볼 수 있듯이, partial 인덕턴스는 낮은 주파수에서 접지 스트랩 길이에 정비례합니다.

그림 8에서 접지 스트랩의 길이를 3m로 늘리면 첫 번째 피크 이후의 ESD 파형에서 링잉이 감소합니다.

접지 스트랩의 길이가 길어지면 리턴 경로에서 루프 인덕턴스가 증가하여 생성된 ESD의 두 번째 피크에서 이상적인 값(표준)과의 편차가 줄어듭니다.

접지 스트랩 형상이 partial 인덕턴스에 미치는 영향

실제 ESD 테스트 중에 접지 스트랩이 다른 경로를 따라 다른 루프 구성을 형성할 수 있습니다. 그 중 일부는 그림 9에 나와 있습니다. 이러한 스트랩의 형상이 궁극적으로 루프에 영향을 미치는데 특히 첫 번째 피크 이후의 ESD discharge 프로파일에 영향을 미치게 됩니다. 이러한 인덕턴스 특성과 같은 분석은 CST Studio Suite의 Partial RLC solver를 사용하여 수행할 수 있습니다. 이렇듯 해석을 통해 접지 스트랩의 형상 특성을 관찰하고 사용자는 가상 물리적 테스트를 통해 사용할 접지 스트랩의 모양을 결정할 수 있습니다.

접지 스트랩과 ESD generator 사이의 인덕턴스 합산 효과

접지 스트랩 길이의 제한으로 인해 ESD generator의 전체 인덕턴스를 제어하기 어려울 수 있습니다.

또한 길이를 연장하면 더 많은 링잉이 발생할 수 있습니다. 따라서 이러한 제한을 극복하기위해 인덕턴스(예 1nH의 인덕턴스) 소자를 접지 스트랩과 ESD generator 사이에 연결하면 이러한 문제를 완화할 수 있습니다. 이 직렬 인덕턴스 값은 접지 스트랩에 추가되어 전체 인덕턴스 값의 증가를 야기합니다. 따라서 추가되는 값을 신중하게 선택해야 합니다. 물리적 ESD generator에서는 각 테스트에 대해 일괄 소자 값을 조정하는 것은 실용적이지 않습니다. 그러나 시뮬레이션은 원하는 경우 얼마든지 변경해 볼 수 있기때문에 해석을 통해 적합한 값을 결정할 수 있습니다. 이 문서의 모델은 그림 10에 표시된 접지 스트랩과 ESD generator 사이에 1nH 인덕터를 사용합니다. 이를 이용 시 케이블 길이와 generator 성능 간의 좋은 균형을 보여줍니다.  그림 11은 이에 대해 테스트 진행해본 내용으로 더 높은 인덕턴스 값을 추가하면 파형에 심각한 영향을 미치며, 이는 ESD generator에 대한 IEC 표준 사양을 위반할 수 있음을 확인 할 수 있습니다.  따라서 적절한 값의 선택이 중요하며, 본 모델은1nH 인덕터를 사용할 때 ESD 파형의 동작은 IEC 표준과 거의 일치합니다.

테스트 설정 시 ESD generator 동작

UT를 사용하여 ESD generator를 검증하기 전에 그림 12와 같은 테스트 설정을 통해 동작을 연구합니다. 테스트 셋업은 CST Studio Suite를 사용하여 IEC 61000-4-2 표준의 지침에 따라 모델링 됩니다. discharge 저항 와이어의 양쪽 끝에 사용되는 블리드 저항은 ESD를 점차적으로 제거합니다.

4kV 입력 전압에 대한 ESD 발생기의 동작은 그림 13과 같이 EUT 없이 모니터링됩니다. ESD generator의 초기 응답 및 초기 피크가 표준 모델과 유사했습니다. 다만 셋업이 있는 경우 discharge 프로파일의 "tail"에만 변동이 있음을 알 수 있습니다. 따라서 가상 테스트 평면 위에 EUT를 배치하고 접지면과 블리드 저항 와이어를 제외할 수 있습니다.

측정 결과를 통한 검증

측정 결과를 통해 설계된 ESD generator를 검증하기 위해 2003년 IEEE 전자파 적합성 심포지엄(IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility)의 논문집에 실린 "ESD excitation model for susceptibility study"을 참조했습니다[Ref]. 그림 14에서 CST Studio Suite를 사용한 모델의 단면도를 볼 수 있습니다. 이 접근 방식에서 ESD generator는 중앙에 직사각형 슬롯이 있는 금속 인클로저에 contact discharge됩니다. 중앙에 위치한 사각형 루프에 인클로저 내부와 상단 중앙에 위치한 사각형 루프에서 유도된 전압이 기록되며 이를 해석과 측정 결과 비교를 통해 검증해 보았습니다. 

1kV discharge에 대한 측정이 수행되었으므로 시뮬레이션에서도 유사한 조건이 설정되었습니다. 그림 15는 메탈 루프에 유도된 전압을 보여줍니다. 이때의 동작특성은 정현파 동작을 보이며, 이 이유는 슬롯의 길이가 ½ 파장에 해당하는 주파수에서 공진하기 때문입니다. 시뮬레이션 및 측정데이터는 잘 일치합니다.

그림 16과 17에서 볼 수 있듯이 ESD generator 팁 전류와 스트랩 전류는 시뮬레이션 결과와 측정 결과 간에 어느정도 좋은 일치도를 보여줍니다.

시뮬레이션은 Surface current 시각화를 통해 전류 분포와 강도에 대한 통찰력을 얻을 수 있습니다.\

그림 18은 1GHz 주파수에서 Surface current 를 플롯 한 것입니다. ESD generator 팁에서 인클로저까지의 전류 리턴 경로 및 수평 슬롯 주변, 접지 스트랩을 통해 다시 돌아오는 전류 리턴 경로를 명확하게 볼 수 있습니다. 또한 Surface current 위상에 애니메이션을 적용하여 시간변화에 따른 전류 흐름을 시각화 할 수 있습니다.

수평 및 수직 커플링 평면으로의 discharge

간접 discharge에 대한 ESD generator 모델의 견고성을 테스트하기 위해 수평 결합면(HCP)과 수직 결합면(VCP)으로 구성됩니다. mouse cable를 나타내는 와이어가 VCP 근처에 배치됩니다. 그림 19에 표시된 테스트 설정 및 측정 값은 2003년 IEEE Symposium on Electromagnetic Compatibility에서 발표된 다음 컨퍼런스 논문, "ESD excitation model for susceptibility study"에서 가져온 것입니다.

Mouse cable의 가까운 끝에서 유도된 전압의 측정 및 해석 결과를 서로 다른 시나리오로 비교해 보았습니다. 그림 20는 50옴 저항을 사용하여 VCP가 HCP로 종단되지 않은 경우의 결과입니다. 그림 21은 50옴 저항을 사용하여 VCP가 HCP로 종단된 경우의 결과입니다. 

스마트폰 기기의 가상 ESD 테스트

스마트폰 모델을 테스트 평면 위에 놓고 전도성 본체에 contact discharge을 수행하여 ESD 민감성을 테스트해보았습니다. 이때  두 가지 다른 discharge 위치에 대해 진행하였습니다. 첫 번째는 충전 슬롯 커넥터 쉴드이고 다른 하나는 금속 프레임 링입니다.

그림 22는 ESD 해석 예제로 generator의 8kV ESD를 인가하여 스마트폰의 외부 금속 프레임에 contact discharge을 인가 합니다. 이는 ESD에 의해 내부로 유기된 전류가 표준 USB 전류 제한을 초과할 경우 스마트폰 내부의 IC를 손상시킬 수 있기 때문에 이를 모니터링하기 위해 그림 23과 같이 IC 핀의 전류 레벨을 관찰한 내용입니다. 그림 24에 이 결과를 나타내었으며, 확인된 전류 레벨은 USB 표준에 지정된 전류 제한보다 훨씬 낮았습니다.

실제 ESD 테스트 중에 EUT는 다양한 방향으로 회전하고 EUT의 다양한 테스트 지점에 ESD 신호를 인가합니다. 이러한 의미에서 그림 25에서 볼 수 있듯이 스마트폰의 충전 슬롯 커넥터에 contact discharge ESD 테스트를 수행하였습니다. 그림 26은 그 결과로 내부 IC 핀의 유도 전류 레벨로 표준 USB 전류 제한보다 낮습니다.

결론

ESD는 전자 제품 분야에서 매우 중요한 현상입니다.

CST를 이용한 해석진행시 시장에 제품을 출시하기전 3D ESD 시뮬레이션을 통해 EUT에 미치는 악영향을 예측할 수 있습니다. 이를 위해 일반적인 ESD generator의 단순화된 모델이 CST Studio Suite용으로 개발되었으며 이를 통해 ESD 전류 및 필드 응답을 정확하게 시뮬레이션 할 수 있습니다. 앞서 안내된 내용과 같이 제공되는 ESD generator의 다양한 요소가 성능에 미치는 영향을 분석할 수 있으며 이를 기반으로 IEC 표준과 일치시킬 수 있습니다. CST에서 제공하는 ESD Generator를 이용하여 시뮬레이션을 많은 현업에서 진행하고 있으며, 해석을 통한 가상프로토타입의 결과는 측정값과 우수한 정확도를 보이고 있습니다. 또한 해석의 가장 큰 장점은 전자기장의 시각화를 통해 문제에 대한 통찰력을 얻어볼 수 있는 것입니다. 해석의 가상 프로토 타입을 통한 ESD 분석을 통해  제품 출시까지의 샘플 제조기간 및 비용 절감, 통찰력을 통한 제품 개발기간을  혁신적으로 줄여볼 수 있습니다. 
 

 * 본 자료는 Dassault systems 의 ELECTROSTATIC DISCHARGE Contact의 번역본입니다.

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

   - 원본 : 다쏘시스템