誠信科技股份有限公司 陳榮達 2003. 8. 25 目錄 1. 前言
2.靜電放電的型式 3. 靜電放電測試法規 4.系統產品靜電測試
4.1. IEC 51000-4-2測試電壓規定 4.2 IEC 61000-4-2 測試結果評估判定 5.電子產品之ESD 防制設計
5.1. ESD的防護設計由PCB 階段開始做起 5.2. 在PCB 上對ESD 保護常用之設計技術 5.3.系統產品之ESD 防護 6. 結語
1. 前言
靜電對電子產品的傷害一直是不易解決的問題，正常操作的電子產品一但受到靜電的放電(ESD 的作用時，常會出現一些不穩定的現象，如功能突然失常情形等，輕者須重開機才能排除，有時電子產品內的電子元件會不堪承受靜電的電壓或電流而損壞。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IES 61000-4-2 ESD測試才會接受。然而欲使電子產品具靜電防制能力，除了從半導體元件的防護更需從產品系統設計防制技術等兩方面著手，才能發揮靜電的防護功能。
2.靜電放電的型式
靜電放電的模式通常可以分為機器裝置放電模式(Machinery ESD model、家俱放電模式(Furniture ESD model、人體放電模式(Personnel ESD model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生，因在自動化機器中被絕緣之金屬元件與絕緣體的摩擦、或是絕緣液體或高壓氣體等流過摩擦產生的靜電，當能量累積到某程度而對鄰近形成放電的情形。
家俱放電模式通常發生在金屬家俱與絕緣物體的摩擦，如在地毯上或塑膠地板拉動家俱，或是人從椅子上站起來瞬間的摩擦產生靜電。
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,會導致該元件損壞。
上述三種形式的靜電放電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，因此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，即使半導體電子元件在出廠前通過零件標準法規的靜電測試，被安裝到成品後經常仍未能通過系統產層次的法規要求。
3. 靜電放電測試法規
回顧10年來國際間關於耐靜電測試的法規，在半導體及電子產業界幾乎都已經熟悉美軍標準MIL-STD-883. Method 3015所定義之人體靜電放電模式 (ESD Human Body Model ，且都接受它的測試水平要求。但近年來由國際電工協會(IEC: International Electro-technical Commission所制定的電磁相容基本規範(EMC Basic standards中，包含一項靜電測試規範 IEC 61000-4-2受到國際間多數國家的認同，對系統產品之靜電耐受(immunity要求及測試方法定義很完整，目前資訊與行動通訊之國際大公司多引用這規範作為成品靜電測試的依據。
IEC 61000-4-2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，與MIL-STD 883 所定義之人體靜電放電模式有點相似，最主要差別在於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IEC 所定義的模擬人體靜電放電槍的電路構造簡圖。表1所示為軍用標準規範 883及國際規範IEC 所定義的模擬人體ESD 放電基本電路參數。
參數比較
MIL-STD-883(HBMIEC 61000-4-2 (HBM
R1: 充電電流限制電阻 1 - 10 M? 50 - 100 M? R2 : 放電電阻 1500? 330? 儲能電容
100 pF 150 pF
表1: MIL-STD-883 與 IEC 61000-4-2 之比較
先從表1的電容值比較, IEC規範的電容值為軍規883的1.5倍。放電電阻值只約五分之一，這樣的差異，不難瞭解這兩種法規的嚴厲程度的差別,即使在相同的ESD 電壓所產生的峰值電流相差五倍。所以對電子元件傷害力也明顯不同，如圖2.所示, 8kV ESD 電壓在MIL-STD -883 規範僅產生約5.3A 的峰值放電電流， 而在IEC 61000-4-2 規範所產生的放電電流可達到30A, 峰值電流大於五倍. 這就是大部份產品在通過零件等級的靜電測試後, 成品卻有時仍會在系統法規IEC61000-4-2測試失敗的主要原因也因此促使IEC61000-4-2成為多數人所接受之系統法規.
IEC 61000 -4-2 MIL-STD-883 放電測試電壓 (kV
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 2 7.5 0.7 - 1 1.3 2 - 10 4 12 0.7 - 1 2.6 2 - 10 6 25 0.7 - 1 4.0 2 - 10 8 30 0.7 - 1 5.3 2 - 10
表 2: IEC 61000-4-2 與 MIL-STD-883 放電電流上升時間比較.
另外從頻率響應的差別分析, 按圖1之靜電槍是依據EN 61000-4-2之人體放電模式150pF/330?機制設計, 可產生介於700ps 到 1ns 上升時間的電流波形, 峰值電壓可以到達數千伏特以上,在50ns 內降到50%電壓, 如以50W 負載器校正時, 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 以上的頻寬. 這種ESD 放電波形比MIL-STD-883 定義的5ns 波形上升時間產生頻譜的頻寬 (約100MHz 嚴厲許多. 因此對於高速的電子產品測試, 欲使靜電效應發輝作用, ESD放電波形上升時間必須少於700ps. 因為影ESD 放電能量有兩個參數:峰值(peak level電流與上升時間變率 (rate of change, dI/dt . 按傅立葉
轉換(Fourier transform 可知時間變率蘊含著頻率成份: ; 如之前提到IEC 61000-4-2
電流波形上升時間0.7ns , 頻寬可達到300MH 以上如圖3所示. 圖3: IEC 61000-4-2 之放電電流及頻率響應頻寬.
4.系統產品靜電測試
EN 61000-4-2 模擬人體放電測試方法包括下列事項. ?
空氣放電測試：係模擬人的手指在接觸電子產品時發生靜電放電的情況. 靜電槍用8mm 的放電頭, 對電子產品操作人員經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. 但法規中保留容許高於正負15kV 的測試條件.
? 接觸放電測試：係模擬操作人員直接或間接透過手工具接觸電子產品時發生放電的情況. 測試時靜電槍經過放電頭的尖端對待測產品的金屬部位做測放電測試. 測試電壓仍由低到高, 通常測到正負4kV. 此項測試法規保留容許高於正負4kV 的測試條件.
? 水平與垂直金屬板放電測試: 係模擬操作人員靠近電子產品接觸臨近的物品放電時, 產生耦合場效應, 這項測試是以靜電槍對平行板及水平板放電方式執行. 測試電壓條件與接觸放電測試相同.
4.1. IEC 51000-4-2測試電壓規定
執行ESD 測試的電壓由低到高的規定, 是因為被測試的產品偶爾在低壓放電時會出現失效現象, 但在最高電壓放電時反而不見失效現象. 因此在法規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,
Contact discharge Air discharge Level Voltage kV Level Voltage kV
1 ±2 1 ±2 2 ±4 2 ±4 3 ±6 3 ±8 4 ±8 4 ±15
X Special X Special 註
(1:X保留對產品各別指定的測試規格.
(2:測試環境相對濕度須保持30%–60 %; 15℃–35℃(3:樣品至少須打200次以上的放電.
表3: IEC 61000-4-2 測試電壓與還境條件.
电子产品防静电设计(精)
