ESD試験｜静電気放電ストレスの適合性評価

ESD試験

ESD試験は、人体や物体に帯電した静電気が機器へ放電した際の誤動作や損傷に対する耐性を評価する試験である。現場では机上の接触、指先の近接、筐体開口部からの沿面放電など多様なシナリオが起こるため、規格化された波形・レベル・手順で再現性高く実施することが重要である。電磁両立性（EMC）のうちイミュニティ評価の代表であり、量産出荷前の適合判定や設計段階の脆弱点抽出に広く用いられる。

Table Of Contents

ESD試験

定義と目的

ESD試験の目的は、静電気放電による過渡的な高電圧・高電流ストレスを受けた際に、機器が安全かつ意図した機能を維持できるかを確認することである。評価対象は誤動作（リセット、通信途絶、表示乱れ）から恒久損傷（IC破壊、絶縁劣化）までを含む。試験は不具合の再現性確保と合否判定の客観性を担保するため、規定の放電ネットワーク・接地条件・繰返し回数で実施する。

静電気放電の物理

静電気は帯電容量に電荷が蓄えられ、接近または接触時の電界強度増大により火花放電が生じる現象である。放電は数百ピコ秒〜数ナノ秒で立ち上がり、広帯域の周波数成分を含むため、配線・筐体・基板パターンがアンテナ的に振る舞い内部回路へ結合する。波頭が急峻であるほどL・Cの寄生成分で反射・共振し、コモンモード経路を介してI/Oへ侵入する。

規格と適用範囲（IEC 61000-4-2）

代表規格はIEC 61000-4-2であり、試験器の放電ネットワーク（150 pF/330 Ω）、電流波形の立上り時間、ピーク電流、30 ns・60 ns時点の規定値、試験レベル、配置、判定基準などを定める。一般的なレベルは接触放電2/4/6/8 kV、気中放電2/4/8/15 kVである。機器の使用環境、ユーザ接触の可能性、開口部の多寡を踏まえ、要求等級や評価点を選定する。

試験方式（接触・気中／直接・間接）

接触放電：ESDガンの先端を導電点に接触させて放電し、再現性を重視する。
気中放電：先端を被試験物に近づけ、空気絶縁破壊で火花放電させる。実使用に近いが再現性は低下しやすい。
直接放電：EUTの可到達導電部に直接印加する。
間接放電：HCP（水平結合板）・VCP（垂直結合板）へ印加し、結合を介してEUTに擾乱を与える。

試験セットアップ

EUTは非導電性台上に設置し、机上にはHCP、背後にVCPを配置する。HCPはGRP（基準接地板）へ規定長のストラップで接続し、ESDガンは規定のグラウンドケーブルを介してリターンを構成する。ケーブルは実使用に準じた配索とし、過度な束ねや浮遊を避ける。環境は温湿度や気圧の影響を受けるため、規格範囲内で管理する。監視装置で主要機能（電源、通信、表示、センサ応答など）をリアルタイム監視し、影響を見逃さない。

試験手順（代表例）

印加極性は正負の両方で実施する。
各印加点につき、接触放電は通常10回/極性、気中放電も同等回数を目安とする。
繰返し間隔は1 s程度とし、EUTの回復を待つ。
VCP・HCPへの間接放電を所定の位置で行い、共通モード結合の影響を評価する。
機能監視ログを保存し、単発・累積の影響を区別する。

判定基準（性能劣化の分類）

一般に性能基準A/B/C/Dが用いられる。Aは機能影響なし、Bは一時的な機能低下があっても自動回復、Cは操作者介入（再起動等）で回復、Dは損傷・安全上の障害で回復不能とする。合否は機能安全要件や顧客仕様に基づき定め、Aを目標としつつ、許容される場合はBでの合格判定もあり得る。

設計対策（回路・レイアウト・筐体）

回路素子：高速クランプのTVSダイオード、アレスタ、ESDサプレッサをI/O直近に配置。シリーズ抵抗やフェライトビーズで立上り抑制。
レイアウト：保護素子からリターンへの帰還経路を極短・低インダクタンス化。GND分割は必要最小限とし、シャーシ接続は多点で低インピーダンス化。
筐体・メカ：導電ガスケットでパネル合わせ目をシールド。開口近傍の絶縁距離・沿面距離確保、放電パスの意図的誘導（スパークギャップ）。
ケーブル：シールドの360°接地、余長の共振回避、コモンモードチョークの適用。

典型的な不具合と解析

代表的症状はマイコンのリセット、インタフェース（USB、UART）の切断、液晶のゴースト、センサ値のラッチアップなどである。デバッグでは電流プローブや近傍電界プローブで結合経路を同定し、ガン電流波形やEUTのノード電圧を高速計測する。再現が難しい気中放電は接触放電で代替的にメカニズムを推定し、対策の有効性を短ループで検証する。

試験器と波形検証

ESDガンは150 pF/330 Ωの放電ネットワークを内蔵し、立上り約0.7〜1 nsの電流波形を出力する。波形は規格ターゲットで校正し、ピーク電流と30 ns/60 ns電流を確認して規定値内であることを保証する。先端形状（円錐・丸形）やアプローチ速度は結果に影響するため、試験間の条件差を最小化する。