ESD規格の内容と考え方を知ろう！

試験セットアップは、以下の条件で配置されます。

• シールドルーム等の外部ノイズが遮断されかつグラウンドプレーンが配置された試験室内
• 製品の使用条件に応じて非導電性のテーブル上または床置き
• 机上の場合テーブル上に水平結合板を設置し、抵抗(470kΩx2)とケーブルを介してグラウンドプレーンに接続
• 製品の実際の使用条件で電源、通信ケーブルを接続
• 試験対象の機器及び接続ケーブルは絶縁板によってグラウンドプレーン、水平結合板から絶縁
• ESD発生器のリターンケーブルはグラウンドプレーンに接続

机上試験でのセットアップ例は以下のようになります。

ESDに対する設計、対策は大きく分けて以下の2つの考え方があります。

1. ノイズの流入を防止する
2. ノイズが流入した場合の誤動作・破壊を防止する
   
   

1つ目のノイズの流入を防止する場合にも2種類の考え方があります。
まず、「ESDが内部に侵入しないように筐体設計を行う」という考え方です。
例えば、製品をグラウンド接続されたシールド筐体で覆い、かつ侵入を防ぐべき箇所(基板など)との間の絶縁距離を確保することで、内部へのESDの直接的な侵入を防止することができます。
樹脂筐体の場合にも、ESDが侵入する可能性のある開口部や隙間から絶縁距離を確保することで同様に内部への侵入を防止できます。

ただし、外部コネクタ等のインターフェース部分はこういった考え方での侵入防止には限界があります。
こういった部分へはもう一つの「ESDが侵入した場合に保護すべき箇所にノイズを流入させない」という考え方が重要になります。
例えば、静電気の侵入が想定される個所に筐体との接続を設けることで静電気を逃がす経路を作り、かつフィルタ部品を追加することでIC部品等の保護すべき箇所へのノイズ影響を防止することができます。
この考え方は無線周波妨害の伝導イミュニティとも一部共通した考え方になります。

２つ目のノイズが流入した場合の誤動作・破壊を防止する対策には、保護すべき端子の近傍にバリスタやTVSダイオードといったクランプ素子やチップコンデンサを配置するという方法があります。
チップコンデンサは高周波のインピーダンスが低いため、保護すべきICの端子に高周波電流が流れることを防止することが出来ますが、ノイズのエネルギーが大きいような場合にはコンデンサ自身の定格を超過し破壊が発生する場合があることに注意が必要です。

クランプ素子は非線形特性を持つ素子で、一定電圧以上で流れる電流量が急激に増加することで、保護すべき端子に耐圧以上の電圧がかかることを防止します。
ここで注意すべき点は、クランプ素子の応答速度とI-V特性です。
ESDは瞬時的かつ大きなエネルギーであるため、応答速度の遅い素子では保護素子として十分に働かない可能性があります。
また、ICの端子内部にも過電圧を防止するために保護素子が含まれている場合があります。このような場合には内部の保護素子とESD保護として配置されるクランプ素子のI-V特性の関係によっては、優先的に内部の保護素子に電流が流れてしまうことがあります。一般的に内部の保護素子は外部に配置されるクランプ素子よりも許容電流量が小さいため、こういった設計により端子破壊が発生する場合があります。

このようなI-V特性の確認にはTLP測定が有効です。
TLP測定では、ESDのような短い時間のパルス波に対する端子や部品のI-V特性を確認できます。
この測定によって、保護対象の端子とクランプ素子の特性を事前に把握することができるため、このようなI-V特性の不適合による設計問題を未然に防ぐことが可能です。