Electrostatic discharge (ESD) at short gap distances and low voltages

Die vorliegende Arbeit berichtet über elektrostatische Entladungen (ESD) mit Durchbruchspannungen <2000 V bzw. Elektrodenabständen <300 µm. Zur Entladungsentwicklung und ihrer Parameterabhängigkeit wurden umfangreiche Messungen durchgeführt. Dabei konnte erstmalig das Vorhandensein eines Oberflächenprozesses während elektrostatischer Entladungen in Luft nachgewiesen werden. Modelle zur Quantifizierung der ablaufenden Prozesse wurden entwickelt. Die gefundenen Gesetzmäßigkeiten sollen helfen, die Entladungsentwicklung bei kleinen Abständen besser zu verstehen und die Reproduzierbarkeit dieser Entladungen insbesondere für die Verbesserung von ESD-Prüfverfahren zu erhöhen. Es werden die theoretischen Grundlagen insbesondere zur Entladungsentwicklung und zum Kanalaufbau von ESD mit Durchbruchspannungen <2000 V und Elektrodenabständen <300 µm erläutert. Verschiedene Durchschlagmechanismen werden vorgestellt und ihre Relevanz systematisch aufgezeigt. Ein besonderes Augenmerk liegt dabei auf der Beschreibung von Oberflächenprozessen, die bei kleinen Elektrodenabständen einen signifikanten Einfluß erlangen. Es wurde herausgefunden, daß diese Oberflächenprozesse durch eine resistive Aufheizung der Elektrodenoberflächen infolge Feldelektronenemission und nachfolgende explosive Thermofeldelektronen- und Partikelemission gekennzeichnet sind. Die verwendete Meß- und Versuchstechnik wird detailliert beschrieben, und die gewonnen Meßdaten werden dargestellt. Aus dem Vergleich mit den theoretisch abgeleiteten Gesetzmäßigkeiten wurden zwei Modelle entwickelt, die eine Beschreibung des Entladungsaufbaus bei kleinen Abständen ermöglichen. Es zeigte sich, daß auch mit einem einfachen phänomenologischen Ansatz die Entladungsentwicklung gut modelliert werden kann. Die bestimmenden Parameter von ESD bei Elektrodenabständen <300 µm und Durchbruchspannungen <2000 V werden dargestellt. Dabei wird auf Störintensität und Reproduzierbarkeit Bezug genommen. Es konnte nachgewiesen werden, daß Oberflächenprozesse eine Verringerung der Störintensität zur Folge haben. Die Reproduzierbarkeit der Entladungen nimmt bei gleichzeitig ablaufendem Oberflächen- und Gasentladungsprozeß ab. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit lag auf der Untersuchung von praktischen Anwendungen. Dabei wurde unter anderem der Einsatz von Funkenstrecken mit kleinen Elektrodenabständen als ESD-Schutzelement zum Einsatz in elektronischen Systemen untersucht. Es konnte nachgewiesen werden, daß ein Einsatz dieser Bauteile möglich ist, jedoch signifikante Veränderung der Schutzparameter innerhalb der Lebensdauer zu erwarten sind.The work presented here deals with electrostatic discharge (ESD) at short air gaps with breakdown voltages below 2000 V and gap distances below 300 µm. A lot of measurements have been carried out to understand the discharge development and parameter dependency of short gap ESD. For the first time the existence of a significant surface process at air discharges has been proofed. Models for quantification of different physical processes have been developed. The results should help to better understand the discharge development at short gap ESD and to increase the reproducibility of ESD-tests. Basic theoretical concepts, especially for the discharge development and the arc channel formation at breakdown voltages <2000 V and gap distances