集成電路IC卡抗靜電放電試驗(yàn)的歷史沿革

丁煜 國家電子計(jì)算機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 100083

集成電路IC卡抗靜電放電試驗(yàn)的歷史沿革

丁煜 國家電子計(jì)算機(jī)質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 100083

集成電路IC卡在日常攜帶和使用過程所面臨的人體靜電的破壞，造成無法估量的損失，IC卡研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)、質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)部門、國際、國家標(biāo)準(zhǔn)制定部門攜起手來，通過這些年的不懈努力，為IC卡產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高作出了應(yīng)有貢獻(xiàn)。

IC卡（Integrated Circuit Card）；人體模型（Human Body Model -HBM）；RC電路；靜電放電（Electrostatic Discharge -ESD）

引言

IC卡，又稱集成電路卡，在我們?nèi)粘Ｉ钪械淖饔靡言絹碓矫黠@，各種各樣的銀行卡、電話卡（包括手機(jī)內(nèi)插入的芯片）、加油卡、身份證、社?？ǎ约案鞣N消費(fèi)卡等等，我們都經(jīng)常隨身攜帶著，同時(shí)我們?nèi)梭w與衣服間不斷摩擦而產(chǎn)生大量靜電。靜電的高低主要取決于周圍空氣的濕度。在不同濕度條件下，人體活動(dòng)產(chǎn)生的靜電電位有所不同。特別是北方地區(qū)的冬天空氣過于干燥，人體皮膚和服裝之間產(chǎn)生的靜電，高者瞬間靜電壓可達(dá)上萬伏。有人對(duì)日常生活產(chǎn)生的靜電做過調(diào)查和實(shí)測(cè)，在地毯上走動(dòng)可產(chǎn)生1500～35000伏靜電，在乙烯樹脂地板上走動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生2500～12000伏靜電，在室內(nèi)人坐在椅子上動(dòng)一動(dòng)蹭一蹭就會(huì)產(chǎn)生1800伏以上的靜電，脫化纖衣服時(shí)的靜電電壓可高達(dá)數(shù)萬伏。

靜電本身是大自然中普遍存在的一種自然現(xiàn)象，隨處存在的靜電是人眼看不見，用手摸不到的，但對(duì)于諸如手機(jī)、筆記本電腦、IC卡等隨身攜帶的現(xiàn)代高速高集成的電子設(shè)備來說就無異于是一個(gè)時(shí)時(shí)刻刻存在的恐怖殺手，當(dāng)你的電子設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)你可能還不知道就是靜電造成的。

1.靜電對(duì)IC卡所造成的損害

這些靜電無疑對(duì)IC卡內(nèi)的電子元器件及電路產(chǎn)生非常嚴(yán)重的破壞和影響，或造成卡內(nèi)重要數(shù)據(jù)丟失，或造成電子元器件的永久性損壞。研究表明：靜電放電主要產(chǎn)生的破壞性影響主要有兩方面：一方面是靜電放電產(chǎn)生的瞬時(shí)大電流(可達(dá)幾十安培)對(duì)電子產(chǎn)品產(chǎn)生的焦耳熱效應(yīng)會(huì)使IC卡內(nèi)部電路在某一點(diǎn)上瞬間產(chǎn)生高溫而燒壞電子元器件,另一方面是靜電放電產(chǎn)生瞬間輻射的強(qiáng)電磁場(chǎng)會(huì)對(duì)電子線路產(chǎn)生強(qiáng)烈干擾而使之不能正常工作，從而造成數(shù)據(jù)丟失或數(shù)據(jù)混亂。最近的研究表明這種電磁場(chǎng)可達(dá)到幾百V/m。以前由于人們對(duì)靜電的產(chǎn)生及影響沒有深入地研究，總認(rèn)為靜電是可以消除的，認(rèn)為戴上防護(hù)手套或用手摸一下接地的金屬棒就能消除靜電。然而近年的研究表明：上述措施只能降低靜電放電的作用，徹底消除是不可能的。所有元器件、組件、設(shè)備在組裝、焊接、調(diào)試和實(shí)際使用中都有可能受到靜電的破壞和損傷，所以元器件、組件、設(shè)備必須要有一定的抗靜電打擊能力才能保證其正常和安全地使用，就像人體的健康需要有一定的免疫力來對(duì)抗病毒侵害一樣。

2.國際、國內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)電子產(chǎn)品的抗靜電放電試驗(yàn)相繼出臺(tái)一系列標(biāo)準(zhǔn)和這些標(biāo)準(zhǔn)的變革、發(fā)展、細(xì)化

這些年來靜電放電試驗(yàn)已經(jīng)成為考核電子產(chǎn)品質(zhì)量高低的重要的試驗(yàn)項(xiàng)目之一，國外在早在80年代就制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。較早的標(biāo)準(zhǔn)為IEC-International Electrotechnical Commission 1984年發(fā)布的IEC801-2（已同名等效轉(zhuǎn)化為我國標(biāo)準(zhǔn)GB／T13926.2-92《工業(yè)過程測(cè)量和控制裝置的電磁兼容性 第2部分：靜電放電要求》），該標(biāo)準(zhǔn)第l版中規(guī)定將試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)劃分為1、2、3、4共四個(gè)等級(jí)，對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)電壓分別為2、4、8、15kV。該標(biāo)準(zhǔn)目前已廢止。到1995年IEC對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面修訂，1997年改為IEC61000－4-2 Electromagnetic compatibility (EMC)Part 4-2: Testing and measurement techniques - Section 2: Electrostatic discharge immunity test。（最新的2001年版本的IEC61000－4-2：2001，已同名等效轉(zhuǎn)化為我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17626.2－2006《電磁兼容 試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn)》），該標(biāo)準(zhǔn)也是目前國際上使用最為普遍的電子設(shè)備靜電放電試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)將試驗(yàn)分為五個(gè)嚴(yán)酷度等級(jí)，并按放電方式分別給出兩個(gè)系列試驗(yàn)電壓值，其中接觸放電的電壓相應(yīng)為2、4、6、8、XkV?？諝夥烹姷碾妷合盗袨?、4、8、15和XkV。這里的X為未定等級(jí)，可根據(jù)實(shí)際情況由供需雙方協(xié)商確定后再寫入產(chǎn)品規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN61000-4-2是完全等同的。該標(biāo)準(zhǔn)還在不斷更新修訂中，目前最新版是IEC 61000-4-2:2008。

3.IC卡領(lǐng)域抗靜電放電測(cè)試的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)及實(shí)施

基于上述情況以及電子產(chǎn)品抗靜電放電測(cè)試（ESD）的發(fā)展需求，抗靜電放電測(cè)試從大到衛(wèi)星、飛機(jī)，小到微型的集成電路模塊，那么涉及IC卡的制造領(lǐng)域，相應(yīng)的國際及國家標(biāo)準(zhǔn)也已相繼出臺(tái)，并經(jīng)過不斷修訂和完善，這就要求IC卡的制造商們?cè)谠O(shè)計(jì)、研發(fā)和生產(chǎn)過程中，必須在電路設(shè)計(jì)、元器件采購、生產(chǎn)工藝等方面做好質(zhì)量控制，并按照國家、國際有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定，在IC卡新產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造完成之后，必須進(jìn)行一系列的物理、電氣及環(huán)境適應(yīng)性等試驗(yàn)，特別是要進(jìn)行靜電放電試驗(yàn)，試驗(yàn)通過之后方可進(jìn)行生產(chǎn)并交付用戶使用。 IC卡的質(zhì)量和可靠性在很大程度上取決于IC卡微電路的設(shè)計(jì)、芯片的封裝過程以及一系列的測(cè)試做保證。從根本上講，IC卡的技術(shù)及應(yīng)用決定了IC卡設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造的規(guī)?；?biāo)準(zhǔn)化、專業(yè)化、自動(dòng)化，只有采用現(xiàn)代大工業(yè)的管理模式、運(yùn)作模式才能保證IC卡的質(zhì)量、降低成本、擴(kuò)大應(yīng)用。

抗靜電放電試驗(yàn)（ESD）在IC卡的物理特性試驗(yàn)當(dāng)中無疑是一項(xiàng)非常重要的檢驗(yàn)項(xiàng)目，相應(yīng)的國際、國家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)測(cè)試方法、指標(biāo)及所用試驗(yàn)儀器均有較詳細(xì)的說明。根據(jù)IC卡的工作原理及封裝形式目前主要分為接觸式和非接觸式兩大類型，那么針對(duì)這兩大類型的IC卡，靜電放電試驗(yàn)就一分為二：一個(gè)是針對(duì)接觸式IC卡的接觸放電試驗(yàn)，國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T16649.1-2006《識(shí)別卡帶觸點(diǎn)的集成電路卡 第1部分：物理特性》（對(duì)應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)是ISO/IEC7816-1：1998，MOD），標(biāo)準(zhǔn)要求靜電放電的最低限值是±2kV，經(jīng)試驗(yàn)后樣品應(yīng)保證功能完好；另一個(gè)是針對(duì)非接觸式IC卡的空氣放電試驗(yàn)（因IC芯片埋入卡基內(nèi)部，不與外界空氣接觸，采用線圈感應(yīng)交換數(shù)據(jù)），目前主要依據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)ISO/IEC14443-1：2000《識(shí)別卡—無觸點(diǎn)集成電路卡—接近式卡 第1部分：物理特性》；國家標(biāo)準(zhǔn)是GB/T22351.1-2008《識(shí)別卡—無觸點(diǎn)集成電路卡—鄰近式卡 第1部分：物理特性》（對(duì)應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)是ISO/IEC15693-1：2000），標(biāo)準(zhǔn)要求靜電放電的最低限值是±6kV，經(jīng)試驗(yàn)后樣品應(yīng)保證功能完好。接觸放電是放電電極與被測(cè)物體接觸后通過高壓開關(guān)放電,而空氣放電(Air discharge)是放電電極與被測(cè)試體之間是通過空氣放電的。在同樣的電壓值下接觸放電的電流比空氣放電大得多,對(duì)IC卡內(nèi)部的電子器件造成的破壞力更大，更易損壞電子器件。

既然人體靜電是引起電子產(chǎn)品靜電損失和發(fā)生意外的最主要和最頻繁的因素，因此國內(nèi)外對(duì)電子產(chǎn)品的防靜電危害要求都是以防人體靜電為主，并引入了人體模型（Human Body Model - HBM）概念，HBM早先是針對(duì)在工廠生產(chǎn)環(huán)境中生產(chǎn)工人對(duì)所生產(chǎn)的電子產(chǎn)品所造成靜電損害的一種ESD試驗(yàn)?zāi)Ｐ停鼘?shí)際上就是一種施放靜電放電（ESD）的RC電路：即電容貯存電荷，通過串接的電阻釋放電荷來模擬人體靜電放電。因?yàn)槿梭w能貯存一定的電荷，所以人體明顯地存在電容，人體同時(shí)也有電阻，這電阻依賴于人體肌肉的彈性、水分、接觸電阻等因素而存在。大部分研究人員認(rèn)為用一個(gè)電容器串一個(gè)電阻是較為合理的模擬人體的電氣模型。這種HBM的概念后來也逐漸引用到了電子產(chǎn)品在最終定型、交付用戶使用過程中的ESD檢驗(yàn)。1984年在IEC801－2中使用了一種簡(jiǎn)單的RC模型，即用一個(gè)150PF電容串接一個(gè)150歐姆電阻。較早期的一些標(biāo)準(zhǔn)對(duì)人體電容或人體放電電阻, 規(guī)定得較粗糙, 相差也較大。而且國內(nèi)外一些主要標(biāo)準(zhǔn)的E SD模擬器當(dāng)時(shí)只大致規(guī)定了人體模型的R C參數(shù)，這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的RC參數(shù)又相差較大，主要是因?yàn)槠鸩輼?biāo)準(zhǔn)時(shí)各機(jī)構(gòu)對(duì)人體參數(shù)測(cè)量方法或制訂標(biāo)準(zhǔn)的目的不相同所致。

近年來由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，大部分研究成果認(rèn)為，通常人體儲(chǔ)存靜電的電容為100PF～300PF,放電電阻約為幾百到一千歐姆。較新的標(biāo)準(zhǔn)或一些商業(yè)靜電模擬器大部分采用一個(gè)150PF電容串接一個(gè)330Ω電阻作為ESD人體模型。這一標(biāo)準(zhǔn)也在后來得到廣泛采用。IEC61000－4-2：2001中規(guī)定的靜電發(fā)生器結(jié)構(gòu)實(shí)際上就是基于該模型。

相應(yīng)的涉及對(duì)集成電路IC卡的靜電放電試驗(yàn)，國際、國家等一系列標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)IC卡的工作方式，以及貼身攜帶與人體密切接觸的特點(diǎn)分別對(duì)接觸式IC卡和非接觸式卡的靜電放電試驗(yàn)都明確規(guī)定了特有的RC電路：接觸式IC卡的ESD試驗(yàn)：100PF電容串接1500Ω電阻（該方法是參照了美軍標(biāo)US MIL-STD-883E Test Methods And Procedures For Microelectronic Device Method3015，國內(nèi)是參照國軍標(biāo)GJB 548A-1996微電子器件試驗(yàn)方法和程序 方法3015）；非接觸式IC卡ESD試驗(yàn)：150PF電容串接330Ω電阻。兩種充放電回路及充電電壓、峰值電流參數(shù)表分別見下圖1、圖2和表1、表2。

圖1 接觸式IC卡靜電放電回路

表1 接觸式IC卡靜電放電槍充電電壓（Vs）檔次和峰值電流（Ip）

接觸式IC卡靜電放電回路：RC電路（人體模型）為100PF電容串接1500Ω電阻,放電電壓脈沖波形的上升時(shí)間為不應(yīng)超過10ns。具體試驗(yàn)方法是將靜電放電槍的接地端與IC卡樣品的接地端觸點(diǎn)（GND）相連接，放電頭對(duì)IC卡樣品的其余各觸點(diǎn)依此接觸放電（已預(yù)先設(shè)置好電壓幅度）；把放電極性顛倒，再重復(fù)上述過程。最后用IC卡讀寫器驗(yàn)證樣品卡能否正常讀寫。能正常讀寫，則合格；反之為不合格。

圖2 非接觸式IC卡靜電放電回路圖

表2 非接觸式IC卡靜電放電槍充電電壓（Vs）檔次和峰值電流（Ip）

非接觸式IC卡靜電放電回路：RC電路（人體模型）為150PF電容串接330Ω電阻，放電電壓脈沖波形的上升時(shí)間為0.7-1ns。具體試驗(yàn)方法是先將IC 樣品表面平均分成20個(gè)測(cè)試區(qū)域，放電槍的放電頭對(duì)IC卡樣品表面的20個(gè)測(cè)試區(qū)域依次采用空氣放電（已預(yù)先設(shè)置好電壓幅度）；再把放電極性顛倒，再重復(fù)上述過程。最后用非接觸式IC卡讀寫器驗(yàn)證樣品卡能否正常讀寫。能正常讀寫，則合格；反之為不合格。

目前隨著一種叫雙界面卡的技術(shù)不斷發(fā)展和成熟，以一張卡片可同時(shí)實(shí)現(xiàn)接觸界面和非接觸界面兩種操作方式的優(yōu)良特性，使雙界面卡逐漸投入到了更多領(lǐng)域的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用當(dāng)中，主要在交通領(lǐng)域，以后又逐步擴(kuò)展到了金融、電子商務(wù)、通信等多領(lǐng)域的應(yīng)用。那么針對(duì)雙界面卡的靜電放電試驗(yàn)方法則是：對(duì)觸點(diǎn)部分采用接觸式放電，觸點(diǎn)以外的卡體部分采用空氣放電。即雙面卡既要滿足接觸式IC卡靜電放電標(biāo)準(zhǔn)的最低要求，同時(shí)又要滿足非接觸式IC卡靜電放電標(biāo)準(zhǔn)的最低要求。

到目前為止幾乎所有涉及商用領(lǐng)域的集成電路IC卡的ESD試驗(yàn)所使用的放電設(shè)備及使用方法都是基于上述兩種放電回路而設(shè)計(jì)的。

[1]IEC61000－4-2 Electromagnetic compatibility (EMC) -Part 4: Testing and measurement techniques - Section 2:Electrostatic discharge immunity test

[2]GB/T 17626.電磁兼容試驗(yàn)和測(cè)量技術(shù) 靜電放電抗擾度試驗(yàn).2－2006

[3]GB/T16649.識(shí)別卡帶觸點(diǎn)的集成電路卡.第1部分：物理特性.1- 2006

[4]ISO/IEC7816-1.MOD Identification cards-Integrated circuit(s) cards with contacts- Part 1: Physical characteristics.1998

[5]ISO/IEC14443-1.識(shí)別卡—無觸點(diǎn)集成電路卡—接近式卡 .第1部分：物理特性Identification cards - Contactless integrated circuit(s) cards - Proximity cards - Part 1:Physical characteristics.2000

[6]GB/T22351.識(shí)別卡—無觸點(diǎn)集成電路卡—鄰近式卡.第1部分：物理特性.1-2008

[7]ISO/IEC15693-1. Identification cards -Contactless integrated circuit(s) cards -Vicinity cards - Part 1:Physical characteristics.2000

[8]MIL-STD-883 .Test Methods And Procedures For Microelectronic Device Method3015

[9]GJB 548A-1996.微電子器件試驗(yàn)方法和程序方法.3015

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.084