1、 引言
      当前我国IC卡应用已经渗透到国民经济各行各业，各个行业的IC卡应用陆续启动，主要有电信卡、社保卡、公安部身份证、卫生部健康卡、石油行业加油卡、金融业银行卡等诸多领域，IC卡产业的发展壮大为我国经济社会发展做出了巨大的贡献。
     IC卡目前的发展趋势，主要朝着高安全性和高可靠性方面发展。作为IC卡质量可靠性的重要指标之一，抗静电ESD能力是衡量IC卡产品质量的重要指标，目前都已作为各行业强制性检测的要求，而且抗静电的 别有越来越高的趋势，已经突破集成电路人体模式2000V 的一般要求，如中国移动已要求智能卡至少要求满足4000V的检测要求，而且ESD之后除了功能正常之外，功耗方面也要符合GSM标准的严格要求。因此ESD设计仍然是各个SIM芯片厂商设计关注的重点，也是一款产品设计成败的关键。
     华虹设计是国内 的智能卡芯片开发及系统解决方案供应商，连续九年我们蝉联中国IC集成电路行业前十强，本文简要介绍SIM芯片ESD的测试现状以及主流的设计。
2、ESD测试模型
     目前在SIM产品测试主要有三种模型：人体放电模式（HBM）、机械模式（MM）、带电器件放电模式（CDM）。人体放电模式(HBM)ESD是指因人体在地上走动磨擦或其它因素在人体上已累积了静电，当人去碰触到IC时，人体上的静电便会经由IC的PIN脚而进入IC内，再经由IC放电到地去，此放电的过程会在短到几百毫微秒的时间内产生数安培的瞬间放电电流，此电流会把IC内的组件给烧毁。机器放电模式（MM）ESD是指机器本身累积了静电，当此机器去碰触到IC时，该静电便经由IC的pin放电。因为机器是金属，其等效电阻为0Ω，其等效电容为200pF。其放电的过程更短，在几毫微秒到几十毫微秒之内会有数安培的瞬间放电电流产生。带电器件放电模式（CDM）是指IC先因磨擦或其它因素而在IC内部累积了静电，但在静电累积的过程中IC并未被损伤。此带有静电的IC在处理过程中，当其pin去碰触到接地面时，IC内部的静电便会经由pin自IC内部流出来，而造成了放电的现象。此外，有些用户关注系统 ESD测试，把芯片和系统PCB板使芯片在工作状态下考核系统ESD性能。
     以下是2KV HBM、200V MM、1KV CDM模式的放电波形比较，虽然HBM的电压2KV比MM的电压200V来得大，但是200V MM的放电电流却比2KV HBM的放电电流来得大很多，因此机器放电模式对IC的破坏力更大。1KV CDM模式的电流 ，放电时间 短。

 
图1：HBM、MM、CDM模式波形比较

    目前ESD测试主要关注HBM 模式，在电信卡第三方测试、银行卡第三方检测机构中测试过程中也都采用了电子枪进行测试ESD，电子枪的测试主要采用SCHAFFNER公司的 NSG 435型号的电子枪测试。但此设备主要用于系统 ESD测试，主流的ESD HBM在测试机构主要采用KEYTEK ZAPMASTER 设备。这两者测试的波形会有不同，一般情况下电子枪测试的ESD的电流会更大一些，因此造成两种测试结果会有不同。有的芯片可能现在ZAPMASTER设备通过8000V测试，但可能通不过NSG电子枪3000V的情况。
     以下是8KV 系统 ESD和人体模式ESD的测试波形。系统 ESD主要遵循IEC61000标准，人体模式主要采用美军标MIL-STD883标准。
 
                                                    图2： System-Level ESD和Component-Level比较
3、ESD设计保护电路设计
     SIM芯片工艺也在不断改进，CMOS的电路尺寸不断缩小，栅氧厚度越来越薄，MOS管能承受的电流和电压越来越小，从而工艺集成度越高降低ESD性能；但是芯片面积和价格成为各厂商竞争的焦点，其设计一般考虑性能和面积的平衡。

3.1SIM触点说明
 
                                                     图3  智能卡典型封装管脚图

表1

                    表一 智能卡典型封装管脚列表

3.2 ESD保护原理
     ESD保护电路设计目的是提供瞬间大电流的快速泄放通路，避免工作电路成为ESD放电通路而遭到损害。为了保证各个PIN都具有ESD保护能力，每个PIN都要设计ESD保护电路。电源PIN、输入PIN和输出PIN因其功能不同，ESD保护电路也不近相同。在电路正常工作时，抗静电结构是不工作的，在保护电路的同时，抗静电结构自身不能被损坏，并防止静电结构发生闩锁。

3.3ESD设计架构和改进
  ESD保护电路主要在SIM的三个PAD（RST、CLK、IO）内部，PAD内部的ESD通路主要由与电源之间的PMOS和与地之间的NMOS两个通道形成。二极管形成电源和地之间的保护器件。由于ESD放电的路径可能发生在任何两个PAD之间，如果PAD与电源之间正向放电，此时在PAD与电源之间以及电源和地之间保护电路的性能对于抗ESD能力起着决定性作用，不仅要泄放电源和地之间的ESD电流，还要在PAD之间形成ESD泄放的通路。其工作原理是：当电源对地有一负向的ESD脉冲时，此二极管正向导通泄放ESD电流；当电源相对地有一正向ESD脉冲时，二极管反向工作，在击穿电压附件将电压钳制在一定的电位并泄放过量的ESD电流。
 
图4 典型的ESD保护电路

     目前在市场上存在各种各样的不规范的读卡器、山寨机和终端设备，这些终端的上电时序不符合7816的规范。可能会对这种结构的SIM芯片带来一些威胁。曾在某移动代理机构发现一种不标准的读卡器：这种读卡器仍然使用C6的VPP管脚，该管脚具有3.8V电压，在插入或拔卡的过程中，卡片的VCC PIN会接触到激卡器的C5 PIN(GND)，同时卡片的RST会先接触到读卡器的C6 PIN，就会在VCC和RST之间瞬间形成反向电压，这个电压足以使PMOS打开并形成一个大的电流，大电流可能导致金丝烧断或芯片损伤。因此对上述结构进行更改，删除PMOS 与PAD之间的ESD放电通路，ESD放电NMOS是主要ESD放电通道。当VDD接地，此输入PAD电压会先经过到GND之间的ESD防护电路，沿到GND电源流向VCC与GND之间的ESD防护电路， 经VCC流出IC。

 
图5： 改进后的ESD保护架构

     此外，在设计SIM ESD电路时需遵循一定的排布规则。在进行PAD排布时，各输入PAD尽可能的并列排放，与电源和地的距离尽可能的短，为ESD提供有效快速的放电回路。因此在SIM外封的5个主要PAD中RST,CLK和IO的位置尽可能地与VCC和GND放置较近，放电路径越短，放电速度越快。电源和地的走线尽可能宽，减小走线的电阻。为了增加ESD的保护性能，可以建立二 ESD保护电路，保护输入、输出信号；可以在电源和地间加POWER CLAMP，增强电源和地间的泄防能力。
     ，提醒一下在ESD在版图中的设计要求。在工艺中LDD技术 、silicide技术、polycide技术提高了CMOS的性能，但是降低了抵御ESD的能力。在版图设计时，对MOS漏极进行加宽处理，其目的是增加漏极电阻，迫使ESD电流到来时可以引流到其它ESD保护管中去，分散单个ESD管子的通过电流量以达到保护作用。同时，对于ESD管子采取添加阻挡层RPO，来阻挡部分的silicide和polycide。加大栅漏极的寄生电阻，ESD大电流通过后不因过热而烧管子，从而达到保护管子。