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系統產品的靜電放電測試方式2020/05/08

前言


        物質表面經由某種過程,如摩擦和感應使靜止的 電 荷 稱 為 靜 電 (Static Charge), 而 ESD(Electrostatic Discharge) 即電位不同之物體間產生靜電電荷轉移。靜電放電破壞的產生,是由於人為因素所形成,卻又很難避免。電子產品在製造、組裝、測試、存放及搬運等過程中,靜電會累積在人體儀器甚至產品本身,很容易形成一放電路徑使得產品遭受靜電放電轟擊而損壞。

靜電放電對電子產品的傷害一直是不容易解決的問題,與其他的過壓現象相較,靜電放電是一種非常快的瞬態脈衝,電子產品一但受到靜電放電轟擊,時常會出現一些不穩定的現象,如功能突然失常,輕微者重開機能排除,嚴重者會不堪承受靜電的電壓或電流而造成永久性的損壞。

元件層級靜電放電 (Component-Level ESD)

  一般依放電模式的不同,元件層級靜電放電可分為三種模式:人體放電模式 (Human Body Mode,HBM)、機器放電模式 (Machine Mode,MM)、元件充電模式(Charged Device Mode,CDM)。

  上述三種形式的靜電放電模式對半導體製程和電子產品組裝都顯得很重要,其中以人體放電模式所產生的放電電壓,對電子產品 ( 半導體元件 ) 之傷害問題最廣,人體放電模式是因人體的動作摩擦產生靜電,如我們穿膠鞋在地毯行走時,因摩擦使地毯帶正電而膠鞋帶負電,此時人體腳底會感應而帶正電,同時使上半身帶負電 ,若這時候如用手接觸半導體電子元件,會產生一放電路徑,導致靜電電流轟擊該元件造成損壞。

  國際間對電子產品防護人體放電模式的法規要求日益嚴謹,因此在業界半導體電子元件出廠時大都已通過元件層級靜電放電測試 ( 標準 ±2000V),人體放電模式的等效模型如圖 1 所示,此放電波形的上升時間大約介在 5~10 奈秒之間,如圖 2 所示,而 8000 伏特的放電電壓大約會產生 5.5 安培的電流峰值,然而在系統層級,電子設備則面臨更惡劣的靜電放電條件。即使半導體電子元件在出廠前已通過零件標準法規的靜電測試,被安裝到產品後經常仍未能通過系統層級的法規要求。

系統層級靜電放電 (System-Level ESD)

圖1. 人體放電模式的等效電路模型 圖2. 人體放電模式的等效電波形
 


  今天國際公認的系統級靜電放電標準是 IEC 61000- 4-2。等效電路模組以及電流波形如圖 3、圖 4 所示,IEC 61000-4-2 將其上升時間定為 700ps 到 1 奈秒,脈衝持續時間為 60 奈秒。與人體放電模式相比,系統層級的電容為 150pF 而元件層級是 100pF,放電電阻一者是 330 歐姆,一者是 1500 歐姆。在較大的儲能電容和較小的放電電阻情況下,靜電放電產生的能量在系統層級靜電放電測試狀態下較多,即當同樣是 8000 伏特的放電電壓下,系統層級所產生的電流峰值將會達到 30安培 , 是元件層級的 5 倍之多,由此可見系統靜電放電測試的破壞力顯然更加嚴重。這就是積體電路產品通過元件層級之靜電放電測試後,有時卻無法通過系統層級之靜電放電測試的主要原因。

圖3. IEC 61000-4-2 的等效電路模型 圖4. IEC 61000-4-2 的等效電波形
 
 
  為確保電子產品的功能,國際知名廠商都要求代工的產品必須符合國際規範 IEC 61000-4-2 靜電放電測試才會接受。除了要通過元件層級的測試外,最後的電子產品仍會再用系統層級 (System-Level) 的靜電放電測試規格來持續檢測。不但對保證產品可靠性十分重要,而且通常產品要想進入國際市場,就必須達到該標準。

測試方式

  依 IEC 61000-4-2 所訂的系統層級靜電放電測試時所使用的靜電放電槍 (ESD gun),如圖 5,此為NoiseKen 所生產一個基本的靜電槍 (ESS-B3011),等效電路圖如圖 6 所示。

 
圖5. 靜電槍 (ESS-B3011, NoiseKen)

 
圖6. 靜電槍的等效電路圖

  環境設置部分,首先,環境溫度需在15 到35 攝氏,濕度維持在 30 百分比到 60 百分比,壓力在 68 到 106千帕之間最為理想,測試方式有分接觸放電及空氣放電。

接觸放電 (Contact Discharge) 測試

  此測試方法是模擬金屬工具接觸到電子產品時發生的靜電放電現象。在這種測試方法下,靜電放電槍的放電頭 (head) 使用尖頭金屬。測試時,將靜電槍的金屬頭先抵住待測點,靜電放電經由尖端金屬對待測產品作接觸放電測試,通常測到正負 4kV,此項測試法規保留容許高於正負 4kV 的測試條件。

  接觸放電可深入細分直接放電和間接放電,圖 7顯示為間接放電模式的系統層級靜電放電測試裝置,裝置由木桌和接地參考平面 (ground reference plane)組成,桌面有一絕緣墊用來隔絕待測產品和金屬水平耦合板 (horizontal coupling plane),水平耦合板接兩個電阻值 470kΩ 電阻至接地參考平面,當靜電槍轟擊水平耦合板時,靜電放電會產生電磁干擾耦合而進入待測電子產品中。

 
圖7. 間接放電模式的裝置示意圖

空氣放電 (Air Discharge) 測試

  此測試方法是模擬人的手指接觸到電子產品時發生的靜電放電現象。在這種空氣放電測試方法下,靜電放電槍使用 8 毫米 (mm) 的放電頭 ( 圓頭 )。
 
圖8. 靜電放電之接觸放電接頭和空氣放電接頭

  測試時,在很近距離未接觸測試點下啟動靜電槍放電,靜電放電槍之放電頭經由空氣對電子產品作非接觸式放電測試。圖 8 為靜電放電槍之接觸放電接頭和空氣放電接頭,測試電壓由低電壓到高電壓 , 通常測到正負 8kV,但法規中保留容許高於正負15kV 的測試條件。

  接觸放電和空氣放電的系統層級靜電放電測試等級,顯示在表 1 中。
 

  而放電次數是正負極性至少各 10 次,每次間隔一秒鐘,靜電放電之測試結果須依照電子產品功能受影響的程度做判定,目前將受影響的程度分為四級,包含 A 級(Class A)、B 級 (Class B)、C 級 (Class C)、和D 級 (Class D),如表 2 所示。第一級為 A 級判定 (Criterion A): 指產品功能在測試前後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象出現 , 完全不受 ESD 放電影響 , 則稱產品符合 A 級判定結果 . 第二級為 B 級判定 (Criterion B): 指產品在測試過程中 , 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 , 這樣的產品則稱符合 B 級判定結果 . 第三級為 C 級判定 (Criterion C): 指產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 , 出現功能降低或異常 , 且功能無法自動回復 , 必須經由操作人員做重置 (Re-set) 或重開機的動做才能回復功能 , 這情形則僅符合 C 級判定結果 . 第四級為 D 級判定 (Criterion D): 指產品功能在測試前可正常被操作 , 但測試過程中出現異常 , 雖經由操作人員做重置 (Re-set) 或重開機也不能回復功能 , 這種情況大概產品已損傷嚴重 , 僅符合 D 級判定結果 . ( 這屬不合格 ). 依 IEC 61000-4-2 法規建議 , 產品採購驗證必須符合 A 級或 B 級的判定才能接受 , C 級和 D 級判定是不合格的。
 
結論

  依照著國際規範來測試系統靜電放電測試,可以確保產品的可靠度,但隨著晶片製程越來越先進,IEC 61000- 4-2 又將靜電放電電壓細分為 4 個危害等級,分別是透過330Ω 電阻釋放 2kV、4kV、6kV 和 8kV 電壓。如今的電子系統大都要求至少可抵抗 3 級或 4 級靜電放電電壓。以第 4 級為例,最大 ESD 電流可達 30 安培,是晶片級靜電放電電流的 20 多倍。如果依上述的靜電放電保護標準計算,很明顯,下一代積體電路上哪怕只出現一次放電,都會面臨災難性損壞的風險。可預測的是晶片本身要通過系統級靜電放電測試將會更加困難,且成本考量下,保護電子設備不被損壞的任務將會十分艱鉅。

  過去在國際標準建議下,廠商在測試系統靜電放電測試都是打機殼居多,雖然都過了系統標準,但近年來發現,許多客退品損壞,開蓋後發現都是輸入輸出端口端有燒毀現象,這表示光是打機殼是不足以確保產品的可靠度,應該要進一步打產品的訊號線端口處,如圖 9 所示。

  綜合上述,近年來,系統產品的輸入 / 輸出端口搭載一靜電放電防護元件成為一個最佳方案,外部的靜電放電防護元件扮演著非常重要的第一道防線,因為電子產品的輸入 / 輸出端口會為靜電提供一條放電路徑進入積體電路,所以在靜電放電耦合進入電路板之前受到抑制是最為有效的方式。在選擇靜電放電防護元件上首選箝制電壓低且響應時間短,如瞬態電壓抑制二極體(TVS),才能夠在靜電脈衝來的瞬間達到好的防護能力,保護系統免受靜電放電損壞。

 

圖9 訊號線端口的靜電防電測試示意圖

 
 
 
參考資料

[1] EMC – Part 4-2: Testing and Measurement Techniques – Electrostatic Discharge Immunity Test, IEC 61000-4-2 International Standard, 2008.

[2] Consortium of ESD Protection Technology for Circuits and System
 

 

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