丁煜 國家電子計算機質量監(jiān)督檢驗中心 100083

集成電路IC卡抗靜電放電試驗的歷史沿革

丁煜 國家電子計算機質量監(jiān)督檢驗中心 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)生產企業(yè)、質量監(jiān)督檢驗部門、國際、國家標準制定部門攜起手來，通過這些年的不懈努力，為IC卡產品質量的不斷提高作出了應有貢獻。

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，在我們日常生活中的作用已越來越明顯，各種各樣的銀行卡、電話卡（包括手機內插入的芯片）、加油卡、身份證、社?？?，以及各種消費卡等等，我們都經常隨身攜帶著，同時我們人體與衣服間不斷摩擦而產生大量靜電。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，人體活動產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生的靜電，高者瞬間靜電壓可達上萬伏。有人對日常生活產生的靜電做過調查和實測，在地毯上走動可產生1500～35000伏靜電，在乙烯樹脂地板上走動時可產生2500～12000伏靜電，在室內人坐在椅子上動一動蹭一蹭就會產生1800伏以上的靜電，脫化纖衣服時的靜電電壓可高達數(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，但對于諸如手機、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備來說就無異于是一個時時刻刻存在的恐怖殺手，當你的電子設備出現(xiàn)故障時你可能還不知道就是靜電造成的。

1.靜電對IC卡所造成的損害

這些靜電無疑對IC卡內的電子元器件及電路產生非常嚴重的破壞和影響，或造成卡內重要數(shù)據(jù)丟失，或造成電子元器件的永久性損壞。研究表明：靜電放電主要產生的破壞性影響主要有兩方面：一方面是靜電放電產生的瞬時大電流(可達幾十安培)對電子產品產生的焦耳熱效應會使IC卡內部電路在某一點上瞬間產生高溫而燒壞電子元器件,另一方面是靜電放電產生瞬間輻射的強電磁場會對電子線路產生強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可達到幾百V/m。以前由于人們對靜電的產生及影響沒有深入地研究，總認為靜電是可以消除的，認為戴上防護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、設備在組裝、焊接、調試和實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抗病毒侵害一樣。

2.國際、國內的標準化組織對電子產品的抗靜電放電試驗相繼出臺一系列標準和這些標準的變革、發(fā)展、細化

這些年來靜電放電試驗已經成為考核電子產品質量高低的重要的試驗項目之一，國外在早在80年代就制定了相應的標準。較早的標準為IEC-International Electrotechnical Commission 1984年發(fā)布的IEC801-2（已同名等效轉化為我國標準GB／T13926.2-92《工業(yè)過程測量和控制裝置的電磁兼容性 第2部分：靜電放電要求》），該標準第l版中規(guī)定將試驗嚴酷等級劃分為1、2、3、4共四個等級，對應的試驗電壓分別為2、4、8、15kV。該標準目前已廢止。到1995年IEC對該標準進行了全面修訂，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，已同名等效轉化為我國標準GB/T 17626.2－2006《電磁兼容 試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗》），該標準也是目前國際上使用最為普遍的電子設備靜電放電試驗的標準。該標準將試驗分為五個嚴酷度等級，并按放電方式分別給出兩個系列試驗電壓值，其中接觸放電的電壓相應為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，可根據(jù)實際情況由供需雙方協(xié)商確定后再寫入產品規(guī)范。該標準與歐洲標準EN61000-4-2是完全等同的。該標準還在不斷更新修訂中，目前最新版是IEC 61000-4-2:2008。

3.IC卡領域抗靜電放電測試的相關標準的出臺及實施

基于上述情況以及電子產品抗靜電放電測試（ESD）的發(fā)展需求，抗靜電放電測試從大到衛(wèi)星、飛機，小到微型的集成電路模塊，那么涉及IC卡的制造領域，相應的國際及國家標準也已相繼出臺，并經過不斷修訂和完善，這就要求IC卡的制造商們在設計、研發(fā)和生產過程中，必須在電路設計、元器件采購、生產工藝等方面做好質量控制，并按照國家、國際有關標準的相關規(guī)定，在IC卡新產品設計制造完成之后，必須進行一系列的物理、電氣及環(huán)境適應性等試驗，特別是要進行靜電放電試驗，試驗通過之后方可進行生產并交付用戶使用。 IC卡的質量和可靠性在很大程度上取決于IC卡微電路的設計、芯片的封裝過程以及一系列的測試做保證。從根本上講，IC卡的技術及應用決定了IC卡設計、生產、制造的規(guī)?；?、標準化、專業(yè)化、自動化，只有采用現(xiàn)代大工業(yè)的管理模式、運作模式才能保證IC卡的質量、降低成本、擴大應用。

抗靜電放電試驗（ESD）在IC卡的物理特性試驗當中無疑是一項非常重要的檢驗項目，相應的國際、國家標準對測試方法、指標及所用試驗儀器均有較詳細的說明。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，那么針對這兩大類型的IC卡，靜電放電試驗就一分為二：一個是針對接觸式IC卡的接觸放電試驗，國家標準是GB/T16649.1-2006《識別卡帶觸點的集成電路卡 第1部分：物理特性》（對應的國際標準是ISO/IEC7816-1：1998，MOD），標準要求靜電放電的最低限值是±2kV，經試驗后樣品應保證功能完好；另一個是針對非接觸式IC卡的空氣放電試驗（因IC芯片埋入卡基內部，不與外界空氣接觸，采用線圈感應交換數(shù)據(jù)），目前主要依據(jù)國際標準ISO/IEC14443-1：2000《識別卡—無觸點集成電路卡—接近式卡 第1部分：物理特性》；國家標準是GB/T22351.1-2008《識別卡—無觸點集成電路卡—鄰近式卡 第1部分：物理特性》（對應的國際標準是ISO/IEC15693-1：2000），標準要求靜電放電的最低限值是±6kV，經試驗后樣品應保證功能完好。接觸放電是放電電極與被測物體接觸后通過高壓開關放電,而空氣放電(Air discharge)是放電電極與被測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IC卡內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，因此國內外對電子產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早先是針對在工廠生產環(huán)境中生產工人對所生產的電子產品所造成靜電損害的一種ESD試驗模型，它實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。因為人體能貯存一定的電荷，所以人體明顯地存在電容，人體同時也有電阻，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。大部分研究人員認為用一個電容器串一個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品在最終定型、交付用戶使用過程中的ESD檢驗。1984年在IEC801－2中使用了一種簡單的RC模型，即用一個150PF電容串接一個150歐姆電阻。較早期的一些標準對人體電容或人體放電電阻, 規(guī)定得較粗糙, 相差也較大。而且國內外一些主要標準的E SD模擬器當時只大致規(guī)定了人體模型的R C參數(shù)，這些標準規(guī)定的RC參數(shù)又相差較大，主要是因為起草標準時各機構對人體參數(shù)測量方法或制訂標準的目的不相同所致。

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

相應的涉及對集成電路IC卡的靜電放電試驗，國際、國家等一系列標準根據(jù)IC卡的工作方式，以及貼身攜帶與人體密切接觸的特點分別對接觸式IC卡和非接觸式卡的靜電放電試驗都明確規(guī)定了特有的RC電路：接觸式IC卡的ESD試驗：100PF電容串接1500Ω電阻（該方法是參照了美軍標US MIL-STD-883E Test Methods And Procedures For Microelectronic Device Method3015，國內是參照國軍標GJB 548A-1996微電子器件試驗方法和程序 方法3015）；非接觸式IC卡ESD試驗：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間為不應超過10ns。具體試驗方法是將靜電放電槍的接地端與IC卡樣品的接地端觸點（GND）相連接，放電頭對IC卡樣品的其余各觸點依此接觸放電（已預先設置好電壓幅度）；把放電極性顛倒，再重復上述過程。最后用IC卡讀寫器驗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間為0.7-1ns。具體試驗方法是先將IC 樣品表面平均分成20個測試區(qū)域，放電槍的放電頭對IC卡樣品表面的20個測試區(qū)域依次采用空氣放電（已預先設置好電壓幅度）；再把放電極性顛倒，再重復上述過程。最后用非接觸式IC卡讀寫器驗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不斷發(fā)展和成熟，以一張卡片可同時實現(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域的大規(guī)模商業(yè)應用當中，主要在交通領域，以后又逐步擴展到了金融、電子商務、通信等多領域的應用。那么針對雙界面卡的靜電放電試驗方法則是：對觸點部分采用接觸式放電，觸點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卡靜電放電標準的最低要求，同時又要滿足非接觸式IC卡靜電放電標準的最低要求。

到目前為止幾乎所有涉及商用領域的集成電路IC卡的ESD試驗所使用的放電設備及使用方法都是基于上述兩種放電回路而設計的。

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

[2]GB/T 17626.電磁兼容試驗和測量技術 靜電放電抗擾度試驗.2－2006

[3]GB/T16649.識別卡帶觸點的集成電路卡.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.識別卡—無觸點集成電路卡—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.識別卡—無觸點集成電路卡—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.微電子器件試驗方法和程序方法.3015

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.084