前言
物质表面经由某种过程，如摩擦和感应使静止的 电 荷 称 为 静 电 (Static Charge)， 而 ESD(Electrostatic Discharge) 即电位不同之物体间产生静电电荷转移。静电放电破坏的产生，是由于人为因素所形成，却又很难避免。电子产品在制造、组装、测试、存放及搬运等过程中，静电会累积在人体仪器甚至产品本身，很容易形成一放电路径使得产品遭受静电放电轰击而损坏。
静电放电对电子产品的伤害一直是不容易解决的问题，与其他的过压现象相较，静电放电是一种非常快的瞬态脉冲，电子产品一但受到静电放电轰击，时常会出现一些不稳定的现象，如功能突然失常，轻微者重开机能排除，严重者会不堪承受静电的电压或电流而造成永久性的损坏。
组件层级静电放电 (Component-Level ESD)
一般依放电模式的不同，组件层级静电放电可分为三种模式：人体放电模式 (Human Body Mode，HBM)、机器放电模式 (Machine Mode，MM)、组件充电模式(Charged Device Mode，CDM)。
上述三种形式的静电放电模式对半导体制程和电子产品组装都显得很重要，其中以人体放电模式所产生的放电电压，对电子产品 ( 半导体组件 ) 之伤害问题最广，人体放电模式是因人体的动作摩擦产生静电，如我们穿胶鞋在地毯行走时，因摩擦使地毯带正电而胶鞋带负电，此时人体脚底会感应而带正电，同时使上半身带负电 ，若这时候如用手接触半导体电子组件，会产生一放电路径，导致静电电流轰击该组件造成损坏。
国际间对电子产品防护人体放电模式的法规要求日益严谨，因此在业界半导体电子组件出厂时大都已通过组件层级静电放电测试 ( 标准 ±2000V)，人体放电模式的等效模型如图 1 所示，此放电波形的上升时间大约介在 5~10 奈秒之间，如图 2 所示，而 8000 伏特的放电电压大约会产生 5.5 安培的电流峰值，然而在系统层级，电子设备则面临更恶劣的静电放电条件。即使半导体电子组件在出厂前已通过零件标准法规的静电测试，被安装到产品后经常仍未能通过系统层级的法规要求。
系统层级静电放电 (System-Level ESD)
图1. 人体放电模式的等效电路模型
图2. 人体放电模式的等效电波形
今天国际公认的系统级静电放电标准是 IEC 61000- 4-2。等效电路模块以及电流波形如图 3、图 4 所示，IEC 61000-4-2 将其上升时间定为 700ps 到 1 奈秒，脉冲持续时间为 60 奈秒。与人体放电模式相比，系统层级的电容为 150pF 而组件层级是 100pF，放电电阻一者是 330 奥姆，一者是 1500 奥姆。在较大的储能电容和较小的放电电阻情况下，静电放电产生的能量在系统层级静电放电测试状态下较多，即当同样是 8000 伏特的放电电压下，系统层级所产生的电流峰值将会达到 30安培 , 是组件层级的 5 倍之多，由此可见系统静电放电测试的破坏力显然更加严重。这就是集成电路产品通过组件层级之静电放电测试后，有时却无法通过系统层级之静电放电测试的主要原因。
图3. IEC 61000-4-2 的等效电路模型
图4. IEC 61000-4-2 的等效电波形
为确保电子产品的功能，国际知名厂商都要求代工的产品必须符合国际规范 IEC 61000-4-2 静电放电测试才会接受。除了要通过组件层级的测试外，最后的电子产品仍会再用系统层级 (System-Level) 的静电放电测试规格来持续检测。不但对保证产品可靠性十分重要，而且通常产品要想进入国际市场，就必须达到该标准。
测试方式
图5. 静电枪 (ESS-B3011, NoiseKen)
图6. 静电枪的等效电路图
接触放电 (Contact Discharge) 测试
图7. 间接放电模式的装置示意图
空气放电 (Air Discharge) 测试
此测试方法是仿真人的手指接触到电子产品时发生的静电放电现象。在这种空气放电测试方法下，静电放电枪使用 8 毫米 (mm) 的放电头 ( 圆头 )。
图8. 静电放电之接触放电接头和空气放电接头
测试时，在很近距离未接触测试点下启动静电枪放电，静电放电枪之放电头经由空气对电子产品作非接触式放电测试。图 8 为静电放电枪之接触放电接头和空气放电接头，测试电压由低电压到高电压 , 通常测到正负 8kV，但法规中保留容许高于正负15kV 的测试条件。
接触放电和空气放电的系统层级静电放电测试等级，显示在表 1 中。
Table 1. System-level ESD tests for the contact discharge and air discharge
而放电次数是正负极性至少各 10 次，每次间隔一秒钟，静电放电之测试结果须依照电子产品功能受影响的程度做判定，目前将受影响的程度分为四级，包含 A 级(Class A)、B 级 (Class B)、C 级 (Class C)、和D 级 (Class D)，如表 2 所示。第一级为 A 级判定 (Criterion A：指产品功能在测试前后及测试过程中完全可以正常操作，无任何功能减低或异常现象出现，完全不受 ESD 放电影响，则称产品符合 A 级判定结果。第二级为 B 级判定 (Criterion B)：指产品在测试过程中，功能会受 ESD 放电影响，放电瞬间会暂时性的功能降低，但可以自动回复，这样的产品则称符合 B 级判定结果。第三级为 C 级判定 (Criterion C)：指产品功能在测试前可正常被操作，但测试过程中受 ESD 放电影响，出现功能降低或异常，且功能无法自动回复，必须经由操作人员做重置 (Re-set) 或重开机的动做才能回复功能，这情形则仅符合 C 级判定结果。第四级为 D 级判定 (Criterion D)：指产品功能在测试前可正常被操作，但测试过程中出现异常，虽经由操作人员做重置 (Re-set) 或重开机也不能回复功能， 这种情况大概产品已损伤严重，仅符合 D 级判定结果。( 这属不合格 )。依 IEC 61000-4-2 法规建议，产品采购验证必须符合 A 级或 B 级的判定才能接受，C 级和 D 级判定是不合格的。
表2. 系统层级静电放电测试等级
结论
依照着国际规范来测试系统静电放电测试，可以确保产品的可靠度，但随着芯片制程越来越先进，IEC 61000- 4-2 又将静电放电电压细分为 4 个危害等级，分别是透过330Ω 电阻释放 2kV、4kV、6kV 和 8kV 电压。如今的电子系统大都要求至少可抵抗 3 级或 4 级静电放电电压。以第 4 级为例，最大 ESD 电流可达 30 安培，是芯片级静电放电电流的 20 多倍。如果依上述的静电放电保护标准计算，很明显，下一代集成电路上哪怕只出现一次放电，都会面临灾难性损坏的风险。可预测的是芯片本身要通过系统级静电放电测试将会更加困难，且成本考虑下，保护电子设备不被损坏的任务将会十分艰巨。
过去在国际标准建议下，厂商在测试系统静电放电测试都是打机壳居多，虽然都过了系统标准，但近年来发现，许多客退品损坏，开盖后发现都是输入输出端口端有烧毁现象，这表示光是打机壳是不足以确保产品的可靠度，应该要进一步打产品的讯号线端口处，如图 9 所示。
综合上述，近年来，系统产品的输入 / 输出端口搭载一静电放电防护组件成为一个最佳方案，外部的静电放电防护组件扮演着非常重要的第一道防线，因为电子产品的输入 / 输出端口会为静电提供一条放电路径进入集成电路，所以在静电放电耦合进入电路板之前受到抑制是最为有效的方式。在选择静电放电防护组件上首选箝制电压低且响应时间短，如瞬态电压抑制二极管(TVS)，才能够在静电脉冲来的瞬间达到好的防护能力，保护系统免受静电放电损坏。
图9. 讯号线端口的静电防电测试示意图
[1] EMC - Part 4-2: Testing and Measurement Techniques - Electrostatic Discharge Immunity Test, IEC 61000-4-2 International Standard, 2008.
[2] Consortium of ESD Protection Technology for Circuits and System