電子產(chǎn)品ESD認證測試及防制技術(shù)

1、ESD認證測試及防制技術(shù)目錄1 .前言2 .靜電放電的型式3 .靜電放電測試法規(guī)4 .系統(tǒng)產(chǎn)品靜電測試4.1 .IEC51000-4-2測試電壓規(guī)定4.2 IEC61000-4-2測試結(jié)果評估判定5 .電子產(chǎn)品之ESD防制設(shè)計5.1 ESD的防護設(shè)計由PCB階段開始做起5.2 在PCB上對ESD保護常用之設(shè)計技術(shù)5.3 系統(tǒng)產(chǎn)品之ESD防護6 .結(jié)語1 .前言靜電對電子產(chǎn)品的傷害一直是不易解決的問題，正常操作的電子產(chǎn)品一但受到靜電的放電(ESD)的作用時，常會出現(xiàn)一些不穩(wěn)定的現(xiàn)象，如功能突然失常情形等，輕者須重開機才能排除，有時電子產(chǎn)品內(nèi)的電子組件會不堪承受靜電的電壓或電流而損壞。為確保電子產(chǎn)

2、品的功能，國際知名廠商都要求代工的產(chǎn)品必須符合國際規(guī)范IES61000-4-2ESD測試才會接受。然而欲使電子產(chǎn)品具靜電防制能力，除了從半導(dǎo)體組件的防護更需從產(chǎn)品系統(tǒng)設(shè)計防制技術(shù)等兩方面著手，才能發(fā)揮靜電的防護功能。2 .靜電放電的型式靜電放電的模式通?？梢苑譃闄C器裝置放電模式(MachineryESDmodel)、家俱放電模式(FurnitureESDmodel)、人體放電模式(PersonnelESDmodel)等三類。簡單說明如下:機器裝置放電模式較容易在自動化的控制流程中發(fā)生，因在自動化機器中被絕緣之金屬組件與絕緣體的摩擦、或是絕緣液體或高壓氣體等流過摩擦產(chǎn)生的靜電，當(dāng)能量累積到某程度

3、而對鄰近形成放電的情形。家俱放電模式通常發(fā)生在金屬家俱與絕緣物體的摩擦，如在地毯上或塑料地板拉動家俱，或是人從椅子上站起來瞬間的摩擦產(chǎn)生靜電。人體放電模式是因人體的動作摩擦產(chǎn)生靜電，如我們穿膠鞋在地毯行走時，因摩擦使地毯帶正電膠鞋帶負電，此時人體腳底會感應(yīng)而帶正電，同時使上半身帶負電,若這時候如用手接觸半導(dǎo)體電子組件,會導(dǎo)致該組件損壞。上述三種形式的靜電放電對半導(dǎo)體制程和電子產(chǎn)品組裝都顯得很重要，其中以人體放電模式所產(chǎn)生的放電電壓，對電子產(chǎn)品(半導(dǎo)體組件)之傷害問題最廣，因此國際間對電子產(chǎn)品防護人體放電模式的法規(guī)要求日益嚴謹，即使半導(dǎo)體電子組件在出廠前通過零件標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的靜電測試，被安裝到成品后

4、經(jīng)常仍未能通過系統(tǒng)產(chǎn)層次的法規(guī)要求。3 .靜電放電測試法規(guī)回顧10年來國際間關(guān)于耐靜電測試的法規(guī)，在半導(dǎo)體及電子產(chǎn)業(yè)界幾乎都已經(jīng)熟悉美軍標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883.Method3015所定義之人體靜電放電模式(ESDHumanBodyModel),且都接受它的測試水平要求。但近年來由國際電工協(xié)會(IEC:InternationalElectro-technicalCommission)所制定的電磁兼容基本規(guī)范(EMCBasicstandards)中，包含一項靜電測試規(guī)范IEC61000-4-2受到國際間多數(shù)國家的認同，對系統(tǒng)產(chǎn)品之靜電耐受(immunity)要求及測試方法定義很完整，目前信息與

5、行動通訊之國際大公司多引用這規(guī)范作為成品靜電測試的依據(jù)。IEC61000-4-2主要是以模擬人體靜電放電模式作為放電測試的基本架構(gòu)，與MIL-STD883所定義之人體靜電放電模式有點相似，最主要差別在于儲能的電容值和放電電阻值不同，則放電能量及靜電蜂值電流自然會有很大差異。圖1是國際法規(guī)IEC所定義的模擬人體靜電放電槍的電路構(gòu)造簡圖。表1所示為軍用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范883及國際規(guī)范IEC所定義的模擬人體ESD放電基本電路參數(shù)。參數(shù)比較MIL-STD-883(HBM)IEC61000-4-2(HBM)R1:充電電流限制電阻1-10MW50-100MWR2:放電電阻1500W330W儲能電容100pF150

6、pF表1:MIL-STD-883與IEC61000-4-2之比較883的1.5倍。放電電阻值只約五分之一，即使在相同的ESD電壓所產(chǎn)生的峰值如圖2.所示，8kV ESD 電壓在 MIL-STDIEC 61000-4-2規(guī)范所產(chǎn)生的放電電流可先從表1的電容值比較，IEC規(guī)范的電容值為軍規(guī)這樣的差異，不難了解這兩種法規(guī)的嚴厲程度的差別電流相差五倍。所以對電子組件傷害力也明顯不同，-883規(guī)范僅產(chǎn)生約5.3A的峰值放電電流，而在達到30A,峰值電流大于五倍.這就是大部份產(chǎn)品在通過零件等級的靜電測試后，成品卻有時仍會在系統(tǒng)法規(guī)IEC61000-4-2測試失敗的主要原因也因此促使IEC61000-4-2

7、成為多數(shù)人所接受之系統(tǒng)法規(guī)放電測試電壓(kV)IEC61000-4-2MIL-STD-883峰值放電電流(A)上升時間tr(ns)峰值放電電流(A)上升時間tr(ns)27.50.7-11.32-104120.7-12.62-106250.7-14.02-108300.7-15.32-10表2:IEC61000-4-2與MIL-STD-883放電電流上升時間比較另外從頻率響應(yīng)的差別分析，按圖1之靜電槍是依據(jù)EN61000-4-2之人體放電模式150pF/330W機制設(shè)計，可產(chǎn)生介于700Ps至ij1ns上升時間的電流波形，峰值電壓可以到達數(shù)千伏牛I以上，在50ns內(nèi)降到50%電壓，如以50W負

8、載器校正時，其峰值電流為20安培，這種時域的放電波形所包含的頻率成份到300MHz附近仍是屬平坦的頻譜分布，所以有影響的頻率是括展到1GHz以上的帶寬.這種ESD放電波形比MIL-STD-883定義的5ns波形上升時間產(chǎn)生頻譜的帶寬(約100MHz)嚴厲許多.因此對于高速的電子產(chǎn)品測試，欲使靜電效應(yīng)發(fā)輝作用，ESD放電波形上升時間必須少于700Ps.因為影ESD放電能量有兩個參數(shù)：峰值(peaklevel)電流與上升時間變率(rateofchange,dI/dt).按傅立葉變換(Fouriertransform)可知時間變率蘊含著頻率成F=份："*L；如之前提到IEC61000-4-

9、2電流波形上升時間0.7ns,帶寬可達到300MH以上如圖3所示.圖3:IEC61000-4-2之放電電流及頻率響應(yīng)帶寬.4 .系統(tǒng)產(chǎn)品靜電測試EN61000-4-2模擬人體放電測試方法包括下列事項.?空氣放電測試：系仿真人的手指在接觸電子產(chǎn)品時發(fā)生靜電放電的情況.靜電槍用8mm的放電頭，對電子產(chǎn)品操作人員經(jīng)常容易接觸的非金屬部位做測試，測試電壓由低電壓到高電壓，通常測到正負8kV.但法規(guī)中保留容許高于正負15kV的測試條件.?接觸放電測試：系模擬操作人員直接或間接透過手工具接觸電子產(chǎn)品時發(fā)生放電的情況.測試時靜電槍經(jīng)過放電頭的尖端對待測產(chǎn)品的金屬部位做測放電測試.測試電壓仍由低到高，通常測到

10、正負4kV.此項測試法規(guī)保留容許高于正負4kV的測試條件.?水平與垂直金屬板放電測試：系仿真操作人員靠近電子產(chǎn)品接觸臨近的物品放電時產(chǎn)生耦合場效應(yīng)，這項測試是以靜電槍對平行板及水平板放電方式執(zhí)行.測試電壓條件與接觸放電測試相同.4.1 .IEC51000-4-2測試電壓規(guī)定執(zhí)行ESD測試的電壓由低到高的規(guī)定，是因為被測試的產(chǎn)品偶爾在低壓放電時會出現(xiàn)失效現(xiàn)象，但在最高電壓放電時反而不見失效現(xiàn)象.因此在法規(guī)中有明確定義電壓值須要從最高電壓的25%,50%,75%,100%逐漸增加，ContactdischargeAirdischargeLevelVoltagekVLevelVoltagekV1&#

11、177;21±22±42±43±63±84±84士15XSpecialXSpecial注:X保留對產(chǎn)品各別指定的測試規(guī)格.(2):測試環(huán)境相對濕度須保持30%-60%;15C-35C(3):樣品至少須打200次以上白放電.表3:IEC61000-4-2測試電壓與還境條件4.2 IEC61000-4-2測試結(jié)果評估判定ESD測試結(jié)果評估須按被測試產(chǎn)品功能受影響的程度做判定，依法規(guī)系將受影響的程度分為四級，說明如下：第一級為A級判定(CriterionA):指產(chǎn)品功能在測試前后及測試過程中完全可以正常操作無任何功能減低或異常現(xiàn)象出現(xiàn)，完全

12、不受ESD放電影響，則稱產(chǎn)品符合A級判定結(jié)果.第二級為B級判定(CriterionB):指產(chǎn)品在測試過程中，功能會受ESD放電影響，在放電瞬間會暫時性的功能降低，但可以自動回復(fù)，這樣的產(chǎn)品則稱符合B級判定結(jié)果.第三級為C級判定(CriterionC):指產(chǎn)品功能在測試前可正常被操作，但測試過程中受ESD放電影響，出現(xiàn)功能降低或異常，且功能無法自動回復(fù)，必須經(jīng)由操作人員做重置(Re-set)或重開機的動做才能回復(fù)功能，這情形則僅符合C級判定結(jié)果.第四級為D級判定(CriterionD):指產(chǎn)品功能在測試前可正常被操作，但測試過程中出現(xiàn)異常，雖經(jīng)由操作人員做重置(Re-set)或重開機也不能回復(fù)功

13、能，這種情況大概產(chǎn)品已損傷嚴重，僅符合D級判定結(jié)果.(這屬不合格).依IEC61000-4-2法規(guī)建議，產(chǎn)品采購驗證必須符合A級或B級的判定才能接受，C級和D級判定是不合格的.判定等級受ESD影響現(xiàn)像結(jié)果A測試過程功能完全正常，不受影響合格B功能暫時性受影響，但可自動回復(fù)合格C功能受ESD影響出現(xiàn)異常，須人為重置或重開機排除.不合格D重開機功能也/、能回復(fù)，已損壞.不合格表4:IEC61000-4-2ESD測試判定等級圖6:IEC61000-4-2測試架構(gòu)示意圖5 .電子產(chǎn)品之ESD防制設(shè)計在討論如何設(shè)計產(chǎn)品避免遭受ESD損壞之前，先要了解ESD破壞電子產(chǎn)品的原因，方便后續(xù)討論與技術(shù)的了解.E

14、SD能量是經(jīng)由傳導(dǎo)性能量轉(zhuǎn)移方式引入產(chǎn)品的電子組件內(nèi)，主要破壞力是瞬間峰值電流，電壓是引導(dǎo)放電作用的誘發(fā)位能.ESD開始時是經(jīng)由直接(電流)或間接輻射方式以快速的瞬時突波沖擊到電路組件上，這當(dāng)中有電流熱效應(yīng)也有電磁場的干擾效應(yīng).故ESD對造成電子組件失效情況可概分三種情形，(1)硬件失效(Hardfailure),(2)潛在性失效(Latentfailure)和(3)場強感應(yīng)失效(Fieldinductionfailure)1 .硬件失效問題：ESD電弧電壓(Sparkvoltage)竄入半導(dǎo)體內(nèi)部使絕緣部位損壞.如在P-N接合點短路或開路，內(nèi)部絕緣的氧化層貫穿(punch-through)-

15、金屬氧化處理部位產(chǎn)生熔蝕(melting)等，這都是屬于永久性失效.如圖6;圖7.2 .潛在性失效問題：當(dāng)ESD發(fā)生時系統(tǒng)雖暫時受到影響，仍然可繼續(xù)動作，但功能會隨時間逐漸變差，隔數(shù)日或數(shù)周后系統(tǒng)出現(xiàn)異常，最后成為硬件失效.這是因為半導(dǎo)體組件已經(jīng)受到部分不可回復(fù)的損傷，隨著使用時間日增，異常功能自會逐漸顯現(xiàn).這種失效是最難捉模，無法以失效模式分析確認.若用戶若遇這類產(chǎn)品，應(yīng)該要能意識到該產(chǎn)品的質(zhì)量狀況，尚不成熟.3 .感應(yīng)場強失效問題：當(dāng)ESD的高壓放電火花跟電流會對產(chǎn)生電場輻射效應(yīng)，這種寬帶的輻射，經(jīng)常使臨近的電路受干擾而失常，如Latch-Up,或暫時性程序錯亂，及數(shù)據(jù)流失等，嚴重時更會損

16、傷硬件成為永久行硬件失效.3.1. ESD的防護設(shè)計由PCB階段開始做起談到系統(tǒng)產(chǎn)品的靜電防制設(shè)計，必須從印刷電路板(PCB)開始做ESD的保護.在印刷電路板上也有三種容易造成ESD失誤狀態(tài)如下：1. ESD電流直接流經(jīng)受害電路組件的接腳造成永久性損壞:此類模式系由外部組件(如鍵盤,或I/O界面的連接器)直接聯(lián)機帶入ESD突波電流.要預(yù)防這種直接傷害,即使用一顆串聯(lián)電阻或并聯(lián)電容在這些電路上就可以限制流經(jīng)IC的ESD電流.2. ESD電流流經(jīng)地回路造成重置或損壞:大部份的設(shè)計者都假設(shè)其電路接地為低阻抗經(jīng)ESD脈充電流通過,IC接地的阻抗極容易產(chǎn)生地電位跳動(GroundBounce),這種地彈

17、跳會使IC重置或鎖定,IC如被鎖定時非常容易被供應(yīng)的電源摧毀.3. 電磁場間接耦合:例如垂直板與水平板之放電,使電路造成重置,對于高阻抗組件曾經(jīng)有損壞之報告,這種失效模式與PCB環(huán)路面積,機構(gòu)屏蔽好壞而定.欲防護這種ESD可以從機構(gòu)屏蔽和PCB設(shè)計布線著手.3.2. 在PCB上對ESD保護常用之設(shè)計技術(shù)?PCB走線排列時加放電間隙,這是用一組銳角三角形銅箔尖端相對,間隔約6-10mil,其中一端接地.參閱圖8所示.?PCB走線須考慮減少對電磁場耦合的敏感度,多應(yīng)用反耦合電容,可減小回路面積.反耦合電容宜選用耐高壓的陶磁電容,這些電容必須放置在靠近I/O連接器處.如圖9所示之例子將耐高壓的陶磁電

18、容放在PCB連接器附近的VCC和Ground,這不僅縮小了環(huán)路面積,也收到反耦合(decoupling)的作用.另在電源及地之間加上高諧振頻率的旁路電容,可降低對感應(yīng)場強及電磁場間接耦合的反應(yīng),唯電容的等效串聯(lián)電感(ESL)及等效串聯(lián)電阻要越低越好.?在PCB布局時可以使用低通濾波的方式疏導(dǎo)ESD能量,低通濾波器是由電容與電感組合構(gòu)成,它可以阻止高頻的ESD能量進入系統(tǒng).其中電感對突波會呈現(xiàn)高阻抗因而衰減了竄入系統(tǒng)的能量,電容是裝置在電感的輸入端,會將竄入的ESD高頻頻譜能量旁路到接地端.如圖10.使用環(huán)氧鐵質(zhì)(Ferrite)電感對ESD電流有極佳之衰減能力.?在PCB上可用箝制電路抑制瞬間

19、高壓如圖11,圖12.如使用電壓箝制二極管作抑制,在規(guī)格上必須選擇能承受數(shù)kV之耐壓且dv/dt脈沖響映快速,并能在瞬間消耗大電流的二極管組件.?在PCB部局時可將對ESD敏感組件以壕溝方式與其他區(qū)域隔離,以防止ESD事件的轉(zhuǎn)移或耦合到其它功能的部位.?對間接放電的電磁場耦合及電弧效應(yīng)場強輻射抵抗力而言,采用多層板比單層板可增加10倍以上的免疫力.3.3. 系統(tǒng)產(chǎn)品之ESD防護在系統(tǒng)階段的靜電防制措施,最主要是從接口的連接阜作好接地,另外機殼若為金屬材質(zhì),如要做表面處理前,機殼或機構(gòu)在銜接位置務(wù)必保持導(dǎo)電性,如此才可以使機殼發(fā)揮屏蔽功能.若ESD打在機構(gòu)屏蔽良好的產(chǎn)品上,理論上機構(gòu)內(nèi)的電路是不

20、會受影響的,這就如同以前物理學(xué)家法拉第曾經(jīng)坐在金屬籠試驗原理相同.但是電子產(chǎn)品須要有開關(guān)及按鈕,因此要防止ESD能量從開關(guān)或按鈕進入電路板傷及組件,可采用導(dǎo)電材質(zhì)的墊片或墊圈(Gasket)以阻擋ESD電流如圖15所示.目前大多數(shù)的消費性電子產(chǎn)品機構(gòu)外殼是使用非金屬材料,例如使用塑料質(zhì)外殼,是可以免測直接接觸放電項目,若其絕緣與耐壓特性不足,在被測試空氣放電(Airdischarge)時,ESD電弧會穿透外殼或從機構(gòu)隙縫竄進產(chǎn)品內(nèi)部對PCB上的IC形成二次放電(Secondarcing)的情況.如圖16所示.要預(yù)防這種靜電問題,可在靠近縫隙的位置旁加一片金屬阻隔并接地,一般稱之為輔助接地.塑料

21、外殼的電子產(chǎn)品對ESD脈沖電磁場強不具屏蔽功能,當(dāng)遇到垂直和水平金屬板的間接放電測試時特別容易受到影響,對策是要從電路板的布局減小回路面積或使用雙層以上電路板,以有效降低對ESD電磁場的感應(yīng).故定在機殼的接口連接器須有接地防護措施,其信號線可視需要狀況選擇用二極管或電容或突波吸做旁路保護如圖18.對接口連接線(I/Ocable)要使用環(huán)氧磁磊挾扣(Ferratecore)抑制ESD電流流竄到主要控制電路.但是用電容器旁路時必須留意電容器未置,如位置不對反而會把ESD電流引到主電路影響IC組件,如圖17.在系統(tǒng)接地方式宜采用單點對機構(gòu)(機殼)接地,如圖19當(dāng)高頻的ESD電流經(jīng)機殼至地的路徑,因有

22、接地電阻存在,對ESD電流經(jīng)不同的接地點,會產(chǎn)生共模噪聲電壓(V1,V2)干擾系統(tǒng)功能.因應(yīng)對策是使用單點接地如圖20.故定機構(gòu)或機殼的金屬螺絲不宜穿透到內(nèi)部，如圖22所示它會形成輻射天線，當(dāng)ESD對該螺絲做接觸放電時,則ESD能量完全經(jīng)由該螺絲對內(nèi)部輻射及作尖端放電.如金屬外殼有開孔未加保護處理,則經(jīng)過表面的ESD電流會透過該槽孔對內(nèi)產(chǎn)生輻射.如圖21.保護對策如圖23之右圖加輔助接地隔離.6. 結(jié)語對于電子產(chǎn)品ESD的防護應(yīng)從設(shè)計著手,所謂“Designed-inatthedevice”,從零件的選用,PC板的設(shè)計時間,到成品系統(tǒng)布線整合,每個階段都不能草率.對于ESD讓電子產(chǎn)品失效之三個

23、因素:瞬時涌入的大電流的熱效應(yīng),和電壓漂動及靜電輻射場強等都必須同時加上對策.由其在PC板布局是關(guān)系到電子產(chǎn)品對ESD敏感度,這是可運用PC板布局設(shè)計技術(shù)控制,而對MOS,Bipolar等IC組件之ESD防護能力相對較弱.需從半導(dǎo)體設(shè)計源頭做起.半導(dǎo)體設(shè)計ESD防護是最難的一環(huán),期望在大加家的努力下,不久半導(dǎo)體業(yè)可以突破目前的瓶井,推出功能穩(wěn)定且可以抵抗ESD的IC供系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)界使用.參考文獻1. ElectromagneticCompatibilitybyDesign.page366-372ByR&BEnterprises.Author:OrenHartal2. IEC61000-4-2:20003. Electrostaticdischargeunderstand,simulateandfixESDproblem.InterferencecontroltechnologiesInc.AuthorMichelMardiguian.4. PrintedCircuitBoarddesignTechniquesforEMCCompliance.IEEE.Author:MarkI.Montrose5. ComplianceEngineeringMagazine圖1,仿真人體靜電放電靜電槍裝置Amp30201