集成电路IC卡抗静电放电试验的历史沿革

丁煜 国家电子计算机质量监督检验中心 100083

集成电路IC卡抗静电放电试验的历史沿革

丁煜 国家电子计算机质量监督检验中心 100083

集成电路IC卡在日常携带和使用过程所面临的人体静电的破坏，造成无法估量的损失，IC卡研发生产企业、质量监督检验部门、国际、国家标准制定部门携起手来，通过这些年的不懈努力，为IC卡产品质量的不断提高作出了应有贡献。

IC卡（Integrated Circuit Card）；人体模型（Human Body Model -HBM）；RC电路；静电放电（Electrostatic Discharge -ESD）

引言

IC卡，又称集成电路卡，在我们日常生活中的作用已越来越明显，各种各样的银行卡、电话卡（包括手机内插入的芯片）、加油卡、身份证、社保卡，以及各种消费卡等等，我们都经常随身携带着，同时我们人体与衣服间不断摩擦而产生大量静电。静电的高低主要取决于周围空气的湿度。在不同湿度条件下，人体活动产生的静电电位有所不同。特别是北方地区的冬天空气过于干燥，人体皮肤和服装之间产生的静电，高者瞬间静电压可达上万伏。有人对日常生活产生的静电做过调查和实测，在地毯上走动可产生1500～35000伏静电，在乙烯树脂地板上走动时可产生2500～12000伏静电，在室内人坐在椅子上动一动蹭一蹭就会产生1800伏以上的静电，脱化纤衣服时的静电电压可高达数万伏。

静电本身是大自然中普遍存在的一种自然现象，随处存在的静电是人眼看不见，用手摸不到的，但对于诸如手机、笔记本电脑、IC卡等随身携带的现代高速高集成的电子设备来说就无异于是一个时时刻刻存在的恐怖杀手，当你的电子设备出现故障时你可能还不知道就是静电造成的。

1.静电对IC卡所造成的损害

这些静电无疑对IC卡内的电子元器件及电路产生非常严重的破坏和影响，或造成卡内重要数据丢失，或造成电子元器件的永久性损坏。研究表明：静电放电主要产生的破坏性影响主要有两方面：一方面是静电放电产生的瞬时大电流(可达几十安培)对电子产品产生的焦耳热效应会使IC卡内部电路在某一点上瞬间产生高温而烧坏电子元器件,另一方面是静电放电产生瞬间辐射的强电磁场会对电子线路产生强烈干扰而使之不能正常工作，从而造成数据丢失或数据混乱。最近的研究表明这种电磁场可达到几百V/m。以前由于人们对静电的产生及影响没有深入地研究，总认为静电是可以消除的，认为戴上防护手套或用手摸一下接地的金属棒就能消除静电。然而近年的研究表明：上述措施只能降低静电放电的作用，彻底消除是不可能的。所有元器件、组件、设备在组装、焊接、调试和实际使用中都有可能受到静电的破坏和损伤，所以元器件、组件、设备必须要有一定的抗静电打击能力才能保证其正常和安全地使用，就像人体的健康需要有一定的免疫力来对抗病毒侵害一样。

2.国际、国内的标准化组织对电子产品的抗静电放电试验相继出台一系列标准和这些标准的变革、发展、细化

这些年来静电放电试验已经成为考核电子产品质量高低的重要的试验项目之一，国外在早在80年代就制定了相应的标准。较早的标准为IEC-International Electrotechnical Commission 1984年发布的IEC801-2（已同名等效转化为我国标准GB／T13926.2-92《工业过程测量和控制装置的电磁兼容性 第2部分：静电放电要求》），该标准第l版中规定将试验严酷等级划分为1、2、3、4共四个等级，对应的试验电压分别为2、4、8、15kV。该标准目前已废止。到1995年IEC对该标准进行了全面修订，1997年改为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，已同名等效转化为我国标准GB/T 17626.2－2006《电磁兼容 试验和测量技术 静电放电抗扰度试验》），该标准也是目前国际上使用最为普遍的电子设备静电放电试验的标准。该标准将试验分为五个严酷度等级，并按放电方式分别给出两个系列试验电压值，其中接触放电的电压相应为2、4、6、8、XkV。空气放电的电压系列为2、4、8、15和XkV。这里的X为未定等级，可根据实际情况由供需双方协商确定后再写入产品规范。该标准与欧洲标准EN61000-4-2是完全等同的。该标准还在不断更新修订中，目前最新版是IEC 61000-4-2:2008。

3.IC卡领域抗静电放电测试的相关标准的出台及实施

基于上述情况以及电子产品抗静电放电测试（ESD）的发展需求，抗静电放电测试从大到卫星、飞机，小到微型的集成电路模块，那么涉及IC卡的制造领域，相应的国际及国家标准也已相继出台，并经过不断修订和完善，这就要求IC卡的制造商们在设计、研发和生产过程中，必须在电路设计、元器件采购、生产工艺等方面做好质量控制，并按照国家、国际有关标准的相关规定，在IC卡新产品设计制造完成之后，必须进行一系列的物理、电气及环境适应性等试验，特别是要进行静电放电试验，试验通过之后方可进行生产并交付用户使用。 IC卡的质量和可靠性在很大程度上取决于IC卡微电路的设计、芯片的封装过程以及一系列的测试做保证。从根本上讲，IC卡的技术及应用决定了IC卡设计、生产、制造的规模化、标准化、专业化、自动化，只有采用现代大工业的管理模式、运作模式才能保证IC卡的质量、降低成本、扩大应用。

抗静电放电试验（ESD）在IC卡的物理特性试验当中无疑是一项非常重要的检验项目，相应的国际、国家标准对测试方法、指标及所用试验仪器均有较详细的说明。根据IC卡的工作原理及封装形式目前主要分为接触式和非接触式两大类型，那么针对这两大类型的IC卡，静电放电试验就一分为二：一个是针对接触式IC卡的接触放电试验，国家标准是GB/T16649.1-2006《识别卡带触点的集成电路卡 第1部分：物理特性》（对应的国际标准是ISO/IEC7816-1：1998，MOD），标准要求静电放电的最低限值是±2kV，经试验后样品应保证功能完好；另一个是针对非接触式IC卡的空气放电试验（因IC芯片埋入卡基内部，不与外界空气接触，采用线圈感应交换数据），目前主要依据国际标准ISO/IEC14443-1：2000《识别卡—无触点集成电路卡—接近式卡 第1部分：物理特性》；国家标准是GB/T22351.1-2008《识别卡—无触点集成电路卡—邻近式卡 第1部分：物理特性》（对应的国际标准是ISO/IEC15693-1：2000），标准要求静电放电的最低限值是±6kV，经试验后样品应保证功能完好。接触放电是放电电极与被测物体接触后通过高压开关放电,而空气放电(Air discharge)是放电电极与被测试体之间是通过空气放电的。在同样的电压值下接触放电的电流比空气放电大得多,对IC卡内部的电子器件造成的破坏力更大，更易损坏电子器件。

既然人体静电是引起电子产品静电损失和发生意外的最主要和最频繁的因素，因此国内外对电子产品的防静电危害要求都是以防人体静电为主，并引入了人体模型（Human Body Model - HBM）概念，HBM早先是针对在工厂生产环境中生产工人对所生产的电子产品所造成静电损害的一种ESD试验模型，它实际上就是一种施放静电放电（ESD）的RC电路：即电容贮存电荷，通过串接的电阻释放电荷来模拟人体静电放电。因为人体能贮存一定的电荷，所以人体明显地存在电容，人体同时也有电阻，这电阻依赖于人体肌肉的弹性、水分、接触电阻等因素而存在。大部分研究人员认为用一个电容器串一个电阻是较为合理的模拟人体的电气模型。这种HBM的概念后来也逐渐引用到了电子产品在最终定型、交付用户使用过程中的ESD检验。1984年在IEC801－2中使用了一种简单的RC模型，即用一个150PF电容串接一个150欧姆电阻。较早期的一些标准对人体电容或人体放电电阻, 规定得较粗糙, 相差也较大。而且国内外一些主要标准的E SD模拟器当时只大致规定了人体模型的R C参数，这些标准规定的RC参数又相差较大，主要是因为起草标准时各机构对人体参数测量方法或制订标准的目的不相同所致。

近年来由于技术的不断进步，大部分研究成果认为，通常人体储存静电的电容为100PF～300PF,放电电阻约为几百到一千欧姆。较新的标准或一些商业静电模拟器大部分采用一个150PF电容串接一个330Ω电阻作为ESD人体模型。这一标准也在后来得到广泛采用。IEC61000－4-2：2001中规定的静电发生器结构实际上就是基于该模型。

相应的涉及对集成电路IC卡的静电放电试验，国际、国家等一系列标准根据IC卡的工作方式，以及贴身携带与人体密切接触的特点分别对接触式IC卡和非接触式卡的静电放电试验都明确规定了特有的RC电路：接触式IC卡的ESD试验：100PF电容串接1500Ω电阻（该方法是参照了美军标US MIL-STD-883E Test Methods And Procedures For Microelectronic Device Method3015，国内是参照国军标GJB 548A-1996微电子器件试验方法和程序 方法3015）；非接触式IC卡ESD试验：150PF电容串接330Ω电阻。两种充放电回路及充电电压、峰值电流参数表分别见下图1、图2和表1、表2。

图1 接触式IC卡静电放电回路

表1 接触式IC卡静电放电枪充电电压（Vs）档次和峰值电流（Ip）

接触式IC卡静电放电回路：RC电路（人体模型）为100PF电容串接1500Ω电阻,放电电压脉冲波形的上升时间为不应超过10ns。具体试验方法是将静电放电枪的接地端与IC卡样品的接地端触点（GND）相连接，放电头对IC卡样品的其余各触点依此接触放电（已预先设置好电压幅度）；把放电极性颠倒，再重复上述过程。最后用IC卡读写器验证样品卡能否正常读写。能正常读写，则合格；反之为不合格。

图2 非接触式IC卡静电放电回路图

表2 非接触式IC卡静电放电枪充电电压（Vs）档次和峰值电流（Ip）

非接触式IC卡静电放电回路：RC电路（人体模型）为150PF电容串接330Ω电阻，放电电压脉冲波形的上升时间为0.7-1ns。具体试验方法是先将IC 样品表面平均分成20个测试区域，放电枪的放电头对IC卡样品表面的20个测试区域依次采用空气放电（已预先设置好电压幅度）；再把放电极性颠倒，再重复上述过程。最后用非接触式IC卡读写器验证样品卡能否正常读写。能正常读写，则合格；反之为不合格。

目前随着一种叫双界面卡的技术不断发展和成熟，以一张卡片可同时实现接触界面和非接触界面两种操作方式的优良特性，使双界面卡逐渐投入到了更多领域的大规模商业应用当中，主要在交通领域，以后又逐步扩展到了金融、电子商务、通信等多领域的应用。那么针对双界面卡的静电放电试验方法则是：对触点部分采用接触式放电，触点以外的卡体部分采用空气放电。即双面卡既要满足接触式IC卡静电放电标准的最低要求，同时又要满足非接触式IC卡静电放电标准的最低要求。

到目前为止几乎所有涉及商用领域的集成电路IC卡的ESD试验所使用的放电设备及使用方法都是基于上述两种放电回路而设计的。

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

[2]GB/T 17626.电磁兼容试验和测量技术 静电放电抗扰度试验.2－2006

[3]GB/T16649.识别卡带触点的集成电路卡.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.识别卡—无触点集成电路卡—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.识别卡—无触点集成电路卡—邻近式卡.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.微电子器件试验方法和程序方法.3015

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.07.084