정전기 방전 손상모델 및 시험방법
박병권 교수 대림대학 전자통신과
Ⅰ. 서 론
정전기 방전(ESD, Electrostatic discharge)에 의한 전자소자나 조립품의 손상에 대하여 전자업계에서 많은 관심을 가지고 있다. 전형적인 예로 인체에 축적된 전하가 접지된 민감한 부품과 직접 접촉하여 접 지를 통하여 방전되는 과정에서 손상이 발생하는 것이다. 집적회로 소자가 점점 소형화되어 가면서도 집 적도가 증가하고, 이러한 고집적 회로가 다양한 영역에서 광범위하게 사용됨으로써 피해가 발생할 가능 성이 증가하고 있는 것이다. 집적회로를 구성하는 개개의 접합 영역과 얇은 산화 절연층의 작은 기하학 적 형상들은 예민하여 대전된 물체들에 의하여 물리적 손상을 일으킬 수 있다. 문제는 집적 회로들에 더 하여 어떤 다른 부품들이 정전기 방전에 취약할 수 있다는 사실에 의해 악화된다. 민감한 부품들을 포함 하고 있는 조립품들 또한 손상을 입을 수 있다.
인체가 가장 일반적인 정전기 방전 발생원이었었지만, 의복, 가구, 그리고 플라스틱 제품들과 같은 품목들의 전하도 전자 소자에 손상을 입히는 원인이 될 수 있다. 이러한 품목들에서 정전기 발생은 과거 시설 및 공장에서 보다 오늘날의 제조 설비들에서 훨씬 더 널리 퍼져 있다. 이것은 청정도, 원가, 수명, 중량 감소 및 외양을 개선하기 위해 광범위하게 사용되고 있는 주로 합성 자재들 때문이다. 다른 원인 요 소들로 고속 작업과 대기 냉난방으로 상대습도를 낮춘 것이다. 합성 의류는 오늘날 외출복 및 특수 작업 복 등에 일반적으로 이용된다. 특히, 고무 유사 신발창의 사용 증가는 개인의 평균 정전위를 높이는 경향 이 있다.
정전기 방전의 문제점은 관련된 손상의 원인을 파악하기 어려울 뿐만 아니라 더 곤혹스러운 것은 과 도 전류의 경로와 관련된 에너지 또는 전위의 원천에 관한 의문들이다. ESD로부터 민감할 수 있는 부품 들에 손상을 입힐 가능성이 있는 초기 원천으로는 인체로 제한되었다. 따라서 인체 모델(HBM : Hμman body model)이 어느 다른 것들보다 오랫동안 중점적으로 다뤄왔다. 이외에도 전자 부품이나 조립품에 손상을 가져오는 조건들을 모의실험에 많이 이용되는 기계모델, 대전소자 모델 과 시스템 레벨 ESD 시험 대하여 살펴보고자 한다.
정전기 방전 손상모델 및 시험방법
Ⅱ. 인체 모델
소자의 정전기에 의한 손상의 가장 일반적인 원인은 정전하가 인체 저항을 통하여 정전기 방전에 예민한 소자에 직접적으로 전달되는 것이다. 사람이 바닥을 걸으면 인체에 정전기가 축적되게 된다. 이 때 손가락과 정전기에 예민한 소자나 조립품의 리드가 접촉하게 되면 인체에 축적된 전하가 방전하게 되 고 이 방전 전류에 의하여 소자나 조립품이 손상을 입게 된다. 이 현상을 모의 시험하는 모델이 인체모델 (HBM, Human Body Model) 이다. 인체 모델 및 시험법에 대한 정보는 다음의 표준에서 구할 수 있다.
· MIL-STD-1686
· ANSI ESD/STM5.1
· EDEC: JESD22-A114C.01
· Automotive Electronics Council: AEC - Q100-002
인체 모델은 정전기 방전에 대한 소자의 민감도를 구분하기 위하여 사용하는 가장 오래되고 가장 일 반적인 모델이다. 인체 모델 시험 모델은 서있는 개인의 손끝으로부터 소자에 전달되는 정전기 방전을 나타낸다. 이것은 스위칭 소자와 1.5 kΩ을 통하여 소자로 방전되는 100 pF 커패시터로 구성된 등가 회로 로 나타내진다. ANSI/ESD STM5.1의 인체 모델 및 파형을 그림 1과 그림 2에 각각 나타내었고, 인체 모델 의 파형 특성을 표 1에 나타내었다.
[그림 1] 인체모델 시험 회로
[그림 2] 인체 모델의 전류 파형 (a) 단락 상태의 상승시간 (tr)
(b) 단락 상태의 유지시간(td)
(c) 500 Ω의 저항을 통과하는 전형적인 전류 파형
각 표준에 따라 HBM 시험방법 및 시험레벨도 다른 경우가 있다. 표 2는 Mil-STD-1686과 ANSI/ESD STM5.1 의 인체 모델 감도 레벨을 비교하여 나타낸 것이다.
<표 1> 인체 모델의 방전 파형 특성 Voltage
Level (V)
Ipeak for Short,
IPs (A)
Ipeak for 500Ω
Ipr (A)
Rise Time for short,
tr (ns)
Rise Time for 500Ω
trr (ns)
Decay Time for Short,
td (ns)
Maximum Ringing Current
IR(A) 250
500 1000 2000 4000 8000(Optional)
0.15~0.19 0.30~0.37 0.60~0.74 1.20~1.48 2.40~2.96 4.80~5.86
N/A N/A 0.37~0.55
N/A 1.5~2.2
N/A
2.0~1.0 2.0~1.0 2.0~1.0 2.0~1.0 2.0~1.0 2.0~1.0
N/A N/A 5.0~25
N/A 5.0~25
N/A
130~170 130~170 130~170 130~170 130~170 130~170
15% of Ips 15% of Ips 15% of Ips 15% of Ips 15% of Ips 15% of Ips
<표 2> 인체 모델의 감도 레벨 Mil-STD-1686 Table1
Classes of ESDS parts
ANSI/ESD STM5.1 Human Body Model (HBM) Table 1-HBM ESDS Component HBM ESD Class
1 2 3
Voltage Range 0V~1,999V 2,000V~3,999V 4,000V~15,999V
HBM ESD Class Class 0 Class 1A Class 1B Class 1C Class 2 Class 3A Class 3B
Voltage Range 250V 이하 250V~500V 500V~1,000V 1,000V~2,000V 2,000V~4,000V 4,000V~8,000V 8,000V 이상
Ⅲ. 기계 모델
기계 모델(MM ; Machine Model)의 정전기 방전 파형은 기계나 기계장치에서 발생하는 정전기 파형 을 근사화한 것으로 이 현상을 모의 시험하는 모델이 기계 모델(MM, Machine Model) 이다. 기계 모델은 충정된 격리된 판넬, 운반체, 이동체, 전도성의 운반 상자, 격리된 도체와 같은 것이 대표적인 일반 정전 원이다. 기계 모델의 파형은 대전소자 모델과 아주 유사하지만 차이는 충전 용량이 매우 크다는 것이다.
기계 모델 및 시험법에 대한 정보는 다음의 표준에서 구할 수 있다.
· MIL-STD-1686
· ANSI ESD/STM5.2
· EDEC: JESD22-A115-A
기계 모델의 손상은 충전된 도체로부터 소자의 전도성 리드로 에너지의 빠른 이동이 원인이다. 시험 회로는 그림 1에서 Ch=200 pF이고 Rh=10 Ω이며 L=0.7μH의 인덕터를 통하여 소자로 직접 방전되며 이를 그림 3에 나타내었다. 직렬로 연결된 전류 제한 저항이 작기 때문에 이 모델은 전압원으로 근사화 된다. 실제의 경우 이 모델은 충전된 금속 뭉치나 충전된 케이블과 같은 장치로부터 급속한 방전을 나타 낸다.
그림 4의 (a)와 (b)는 감도레벨 400 V에서 기계 모델 방전 전류 파형으로 (a) 부하 저항이 단락된 경우 이고, (b)는 부하 저항이 500 Ω인 경우이다. 표 3은 기계 모델의 감도레벨이다.
[그림 3] 기계모델 시험 회로
(a) 단락 회로가 흐르는 전류파형
<표 3> 기계 모델의 감도레벨 Machine Model Mil-STD-1686 Table 1
Classes of ESDS parts MM ESD Class (Voltage Range)
ANSI/ESD STM5.2 Machine Model (MM)
MM ESD Class M1 M2 M3 M4 M4 M4
Voltage Range 0 V ~ 100V 101 V ~ 200 V 201 V ~ 400 V 401 V ~ 800 V 401 V ~ 800 V 401 V ~ 800 V
MM ESD Class M1A M1B M1C M2 M3 M4
Voltage Range
<25 25 V to < 50 V 50 V to < 100 V 100 V to < 200 V 200 V to < 400 V
≥ 400 V
Ⅳ. 대전소자 모델
대전소자 모델(CDM ; Charged Device Model)은 전자부품 혹은 소자의 도선(lead), 틀(frame), 봉입용 기(package)에 다른 소자 혹은 물질과의 마찰로 인하여 마찰전기가 대전되는 현상을 분석하는 데 사용한 다. 충전된 전하는 핀 혹은 다른 도체의 표면을 통하여 대지에 방전된다. 이때 소자에 충전된 전압과 방전 전압은 접지에 대한 소자의 위치와 주변여건에 따라 다르다.
일반적으로 대전소자 모델에 의한 정전기 방전 펄스는 인체 모델보다 상승시간이 빠르며, 대개 1 ns 이하이다. 예를 들면 정전기 방전 전압에 의하여 64K DRAM 소자가 파괴될 수 있는 방전 전압은 인체 모 델의 경우에는 2 kV이며, 대전소자 모델의 경우에 빠른 펄스로 인하여 방전 전압은 850 V이다. 그러므로 인체 모델을 통하여 소자의 접합을 파괴하는 방전 전압의 한계값을 구하며, 반면 대전소자 모델을 이용 하여 유전파괴(dielectric breakdown)를 가져올 수 있는 방전 전압의 한계값을 구할 수 있다. 이 모델은 IC 패키지가 마찰전기 효과(어떤 물체와 접촉 등에 의함)에 의하여 직접적으로 충전되거나 외부 전기장에 의하여 간접적으로 충전되었다고 가정한다. 하나 이상의 패키지 핀들이 접지 전위에 근접한 도체 표면과 접촉을 하게 되면 저장된 전하가 아주 빠른 속도로 패키지 내의 관련된 도전성 물체( 접합 와이어나 리드 프레임 등)로 방산된다. 이 방전은 패키지 내의 도전성 물질이 낮은 저항(~ 1 Ω)과 낮은 인덕턴스( 수 nH)를 가지기 때문에 거의 순간적으로 발생한다.
대전된 소자에 피해를 주는 요인으로는 서로 접속하는 재질들, 이동 속도, 포장 구성, 재질 마무리 및 방위가 있다. 물론 접속 재질, 이동 속도 및 소자의 재질 마무리가 마찰 전기 발생에 영향을 끼친다.
대전소자 모델 및 시험법에 대한 정보는 다음의 표준에서 구할 수 있다.
· MIL-STD-1686
· ANSI ESD/STM5.3.1
· EDEC: JESD22-C101C
대전소자 모델은 자동화된 장치나 자동화된 선적 및 자동화된 처리 장치 등에 의하여 유기되는 정전 기 방전 손상의 모의시험에 아주 효과적이다. 자동화된 장치와 IC 패키징 물질들은 접지된 전도성의 고 무 롤러, 정전방지 선적 튜브 및 정전방지 커버 등을 사용하여 충전을 최소화 하도록 설계할 수 있다. 충 전량은 무수히 많은 환경적 변수들의 함수이다. 예를 들어 충전은 습도를 높이고 공기 이온화 정도를 감 소시키면 급격하게 감소한다. 그러나 IC 패키지가 다른 물질과 접촉하고 다른 물질 위를 이동한다면 어 느 정도의 충전 현상은 항상 발생한다. IC와 PCB제조 공정이 자동화되면서 반도체 공장의 경우 대전소 자 모델 정전 방전에 의한 손상이 인체 모델 정전 방전에 의한 손상보다 일반적인 것이 되었다. 어떤 경우 에는 대전소자 모델이 인체 모델보다 손상을 크게 미치는 경우도 있다.
그림 5는 대전소자 모델의 등가회로를 나타내고 있다. 이 그림에서 Cd는 접지에 대한 소자의 커패시
턴스를 나타내고 Rd는 과도 전력을 산화시키는 칩 소자들의 저항을 나타내며 Ld는 리드들의 인덕턴스를 나타낸다. Rp, Lp 및 Cp는 각각 접지까지 이르는 방전 결로의 저항, 인덕턴스 및 커패시턴스를 나타낸다.
그림 6는 총 저항이 10 Ω, Ld가 10 nH, 총 커패시턴스가 3.6 pF이고 500 V인 경우 16 핀 소자에 대한 전류 파형을 나타낸다. 대전소자 모델의 시험 방법과 감도 레벨을 그림 7과 표 4에 각각 나타내었다.
[그림 5] 대전 소자모델 [그림 6] Rtotal10 Ω, Ld10 nH, Ctotal3.6 pF, 전위 500 V를 가진 16핀 소자에 대한 대전소자모델 전류 파형
Ⅴ. 시스템 레벨 정전기 방전
인체의 방전 모델을 이용하여 장치나 시스템의 정전기 방전의 영향을 다루는 국제 규격이 IEC 61000- 4-2이다. 전기방전으로부터 장비를 보호하는 문제는 제조업자와 사용자에게 매우 중요하다. 인체로부터 근처의 물체로 방전이 일어날 때는 언제나 전자기 에너지에 의해 장비가 영향을 받을 수 있다. 또 한 장비 근처에 있는 의자와 탁자와 같은 금속 물체 사이에서도 방전이 일어날 수 있다.
접촉 방전이 일어날 때 전류 파형 조변수를 표 5에 나타내었고, 인체의 방전 모델을 이용하여 4 kV에 서 이상적인 접촉방전 전류 파형을 나타내면 그림 8과 같다.
<표 4> 대전소자 모델의 감도레벨 Charged Device Model Mil-STD-1686 Table 1
Classes of ESDS parts CDM ESD Class (Voltage Range)
ANSI/ESD STM5.3.1 Charged Device Model(CDM)
CDM ESD Class C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7
Voltage Range 0 V ~ 1240V 125 V ~ 249 V 250 V ~ 499 V 500 V ~ 999 V 1,000 V ~ 1,499 V 1,500 V ~ 2,999 V
>/=3,000 V
CDM ESD Class C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7
Voltage Range
<125 125 V to <250 V 250 V to < 500 V
500 to < 1,000 V 1,000 to < 1,500 V 1,500 to < 2,000 V
>/=2,000 V
<표 5> 접촉 방전 전류 파형 조변수 Level
Indicated Voltage
kV
First peak current of discharge ±15%
A
Rise time tr (±25%)
ns
Current(±30%) at 30ns
A
Current(±30%) at 60ns
A 1
2 3 4
2 4 6 8
7,5 15 22,5
30
0,8 0,8 0,8 0,8
4 8 12 16
2 4 6 8 The reference point for measuring the time for the current at 30ns and 60ns is the instant when th current first reaches 10% of the 1stpeak of the discharge current
NOTE The rise time tr, is the time interval between 10% and 90% value of 1stpeak current
[그림 8] 방전전압 4 kV에서 나타낸 이상적인 접촉 전류파형
(a) 기중방전 전극
방전 시험 방법으로는 기중 방전 시험법과 접촉방전 시험법 및 간접적인 방전 시험법이 있다.
기중 방전 시험법은 오랫동안 정전기 방전 시험에 이용된 방법으로 그림 9의 기중 방전 전극으로 시 험장비의 표면에 전극으로 정전기를 발생시켜 시험하는 것이다. 기중 방전 측정법은 항상 같은 조건을 유지시키기 어렵고 측정의 정확도는 상대 습도에 따라서 다르다. 이 시험법은 플라스틱 케이스로 RF 차 폐를 한 물체의 경우에는 매우 유용하다. 또한 기중 방전에 의하여 생성된 펄스는 측정봉의 접근속도와 방향에 크게 영향을 받는다. 그러므로 정확하게 측정하기 위해서 측정 전극에 보상회로를 첨가하여 사용 하여야한다.
접촉 방전 시험법은 접촉 방전 전극을 피 시험물 표면에 접촉시켜 시험하는 방법이다.
기중방전과 접촉방전에 의한 정전기 방전 시험은 피 측정물의 근처에 방전 전극을 접촉하여 시험하나 간접적인 정전기 방전 시험방법은 시험정장비의 근처에 도체판을 수직, 수평으로 설치하고 이 도체판에 정전기를 방전시켜 시험을 하는 것이다. 간접 방전 시험법은 접지를 필요로 하는 경우와 접지를 필요로 하 지 않는 경우가 있으며 각 경우에 시험 장비를 테이블 위에 거치 시키고 시험하는 경우와 바닥에 거치 시키 고 시험하는 경우가 있다.
그림 10은 테이블 위에 시험 장비를 거치시키고 시험하는 방법을 나타낸다. 크기가 1.6 m ×0.8 m 인 금속판을 수평 결합면(HCP)으로 사용하며, 정전기 방전펄스는 방전 전극을 이용하여 수평 결합면에 직접 인가한다. 또한 0.5 m ×0.5 m의 수직 결합면(VCP)을 이용하여 정전기 방전 시험에 이용할 수 있다. 이때 수직 결합면의 위치는 피 시험물로 부터 0.1 m 떨어져서 설치되어야 한다.
피 시험물과 실험실 벽 및 다른 도체와의 간격은 1 m 이상을 유지하여야 한다. 피 시험물에 연결되는 신호선과 전력선의 길이와 형태는 같아야 하며, 동작 조건에 부합되도록 배치하여야 한다.
만약 시험 장비가 너무 커서 하나의 테이블을 이용하여 실험이 불가능 할 경우에는 같은 크기의 수평 결 합면을 붙여서 사용한다. 이 경우에 2번째 수평 결합면은 첫 번째 수평 결합면과 0.3 m 분리시켜야 하며 본딩 처리는 하지 않는다. 그러나 각각의 HCP는 블리더 저항기를 사용하여 공통 접지면에 연결하여야 한다.
그림 9에서 수직 및 수평 결합면과 기준 접지면 사이의 전류변화를 최소화하기 위해서 저항 R을 사용한 블리더 끈을 사용하여 기준 접지판에 연결하여야 한다. 기준 접지판은 도체의 두께가 최소 0.25 mm 이상의 금속판을 사용한다. 블리더 저항은 인가된 전압의 0.5배 이상에서 내성을 갖는 규격을 사용하여야 한다.
[그림 10] 테이블 위에 피 시험 장비를 거치시키고 ESD 시험하는 예
Ⅵ. 결 론
집적 회로가 점점 작아지고 기능이 증가함에 따라 수동 소자와 마찬가지로 능동 소자들이 정전기에 의하여 손상을 입을 가능성이 증가하고 있다. 이에 따라 산업체에서는 정전 방전으로 부터 전자 부품의 손상을 방지하기 위한 대책 방법 개발에 많은 노력을 기울이고 있으며, 많은 비용을 투자하고 있다.
본 자료에서 살펴본 국제적으로 표준으로 이용되고 있는 정전기 방전 손상 모델 및 정전기 방전 시험 방법 등이 관심을 가지고 있는 사람들에게 참고가 되었으면 하는 바람이다.
참 고 문 헌 : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : : :
