TDR测试过程静电危害及其预防

 

　　文章简要介绍静电产生原理及其危害，详细分析TDR仪器主体结构及测试过程静电危害，针对静电产生环节采取预防措施，并初步取得成效。

　　电子通讯技术飞速发展，为了提高传输速率和传输距离，计算机和通讯产业正逐步转移到高速串行总线，在芯片-芯片、板卡-板卡与背板间实现高速互连。

　　这些高速串行总线的速率正从过去USB2.0、LVDS及FireWire1394的几百Mbps，提升到当前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的数Gbps，甚至达10Gbps，这意味着计算机与通讯业的PCB厂商对差分走线的阻抗控制要求将越来越高，依据PCB业界的测试标准IPC-TM-650手册要求阻抗测试采用TDR(TimeDomain Refl ectometry，时域反射测定法)技术，PCB制造商广泛采用美国Tektronix TDR测试仪器进行阻抗测试。但是该仪器的核心关键部件—信号发射-取样模块(Sample Moudle)对静电极其敏感，模块遭电击损坏只能返回厂家维修，维修周期需要一个月，维修费用3万元左右/次，故研究静电有效预防非常关键。

　　1 静电基本概念及其作用

　　1.1 静电定义

　　静电是指相对静止不动的电荷，当一个物体带有一定量净的正电荷或净的负电荷时，可以称其带有静电。静电通常用伏特(V)表示。

　　1.2 静电产生的原理

　　1.2.1 微观原因

　　根据原子物理理论，电中性时物质处于电平衡状态。由于不同物质原子的接触产生电子的得失，使物质失去电平衡，产生静电现象。

　　1.2.2 宏观原因

　　(1)物体间摩擦生热，激发电子转移;(2)物体间的接触和分离产生电子转移;(3)电磁感应造成物体表面电荷的不平衡分布;(4)摩擦和电磁感应的综合效应。

　　1.3 静电特点

　　(1)静电具有高电压、低电量、小电流的特点。静电是一种相对的称谓，因为在许多情况下，静电经过一段时间后会慢慢减少。这段时间的长度与物体的电阻有关。电阻越大，静电越不易耗散。

　　(2)静电释放：就是积聚电荷留向大地或者正负离子的中和过程。

　　静电的放电并不一定非要有接触的动作发生，足够的静电也可以以空间距离放电;静电释放过程中单位时间内电流大小的作用分：

　　(1)安全释放，采取防护的科学措施，如避雷针、防静电材料、接地装置;(2)电击：静电破坏性释放，如电击感、电击穿。

　　1.4 日常工作中典型的静电源(表1)

　　表1 日常工作中典型的静电源

　　

 

　　1.5 静电在工业生产中造成的危害

　　1.5.1 静电放电(ESD)造成的危害

　　(1)引起电子设备的故障或误动作，造成电磁干扰。

　　(2)击穿集成电路和精密的电子元件，或者促使元件老化，降低生产成品率。

　　(3)高压静电放电造成电击，危及人身安全。

　　(4)在多易燃易爆品或粉尘、油雾的生产场所极易引起爆炸和火灾。

　　1.5.2 静电吸引力(ESA)造成的危害：

　　(1)电子工业：吸附灰尘，造成集成电路和半导体元件的污染，大大降低成品率。

　　(2)胶片和塑料工业：使胶片或薄膜收卷不齐;胶片、CD塑盘沾染灰尘，影响品质。

　　(3)造纸印刷工业：纸张收卷不齐，套印不准，吸污严重，甚至纸张黏结，影响生产。

　　(4)纺织工业：造成根丝飘动、缠花断头、纱线纠结等危害。

　　(5)塑胶喷涂：塑胶产品静电高，易吸附灰尘，喷涂后影响工件的美观和品质。

　　1.6 预防静电方法

　　1.6.1 静电防护的基本原则

　　(1)抑制静电荷的积聚;(2)消除已经产生的静电荷。

　　1.6.2 消除静电的基本措施

　　消除静电的措施，一般可归结为一靠“地”;二靠“器”(静电消除器);三靠“剂”(加抗静电剂);四靠“屏蔽”。

　　(1)接地。

　　(2)用静电消除器。静电消除器上产生大量的正负离子，然后通过风把这些离子吹到有静电的地方，静电就会吸引相反极性的离子而中和掉，聚积在产品或设备表面上的静电因此得以中和而消除。

　　(3)使用静电消除剂。可用静电消除剂檫洗仪器和物体表面，能迅速消除物体表面的静电。防静电剂以油脂为原料，主要成分为季胺盐，它的作用是使化纤、橡胶、塑料等物体的表面吸附空气中的水分，增加导电率。

　　(4)静电屏蔽。最通常的方法是用静电屏蔽袋和防静电周转箱作为保护，静电敏感元件在储存或运输过程中会暴露于有静电的区域中，用静电屏蔽的方法可削弱外界静电对电子元件的影响。

　　1.6.3 控制环境湿度

　　当空气的相对湿度在65%~70%以上时，物体表面往往会形成一层极微薄的水膜。水膜能溶解空气中的CO2，使表面电阻率大大降低，静电荷就不易积聚。如果周围空气的相对湿度降至40%~50%时，静电不易逸散，就有可能形成高电位。

　　2 TDR仪器测试过程分析

　　2.1 TDR测试基本原理

　　2.1.1 概念

　　在传输线(如PCB走线)上输入一个阶跃讯号，当电讯号到达某个位置时，该位置上的电压产生变化，传输线在此位置上对地电流回路产生阻抗。当传输在线出现阻抗不连续的现象时，在阻抗变化之处的阶跃讯号就会产生反射现象，对反射讯号进行取样并显示在示波器屏幕上。

　　2.1.2 TDR仪器的硬件结构(图1)

　　

 

　　示波器;高频模块，由阶跃脉冲发生器和采样电路两部分组成;测试探头。

　　2.1.3 TDR静电保护装置(图2)

　　测试过程信号的通、断通过切换继电器进行开启和关闭与探头的通断，图2 J1、J2为手动和自动测试模式切换开关;不测试时高频模块信号(IN)通道同外部(J1或J2)断开连接，外部(J1或J2)信号接上对地50Ω节点，外部带入的静电安全释放。

　　

 

　　2.2 信号数据采集结构介绍

　　一般数字仪器都会用到前端，将输入信号数字化，通常有两种方法：

　　(1)信号先经过“衰减器”衰减，再到“取样电路”取样(图3-A)。

　　优点：“取样电路”的高频二极管有“衰减器”的保护，不易受到过大电压的伤害;缺点：频宽受约束。

　　(2)没有衰减器直接输入信号(图3-B) 。

　　优点：频宽高;缺点：取样电路就很容易受到过大电压的伤害。

　　Tektronix TDS/CSA8000 的取样头(Sample Moudle)80E04，频宽高达 20 GHz，输入阻抗为50 mm，显然该款TDR数据采集采用图3-B结构。

　　

 

　　2.3 静电对取样头的损害分析

　　2.3.1 一般静电可区分成4等级(表2)，各等级会有不同的静电防范要求。

　　表 2 一般静电区分表

　　

 

　　2.3.2 电子敏感组件对静电的忍耐程度(表3)

　　表3 电子敏感组件对静电的忍耐程度

　　

 

　　2.3.3 静电对μm组件单位面积的功率计算

　　(1)以一个人体的电容160 pf为例，按其储存约15 000 V的静电计算，当它对一个0.1 μm2接口(Junction)组件放电时，组件接受的功率为式(1)。

　　

 

　　(2)在 0.1μm2(1×10-7)接口(junction)组件上，单位面积承受的功率为式(2)。

　　

 

　　一般 Silicon(半导体硅)会在 2000 ℃熔化，如果有这么大的能量加入到组件的 junction(接口)，必然使接口受到伤害，而失去了 Schotty diode(宵特计二极管)的功能，使之不能正常取样。

　　2.4 TDR模块静电损坏的特点

　　(1)完好状态波形(图4);(2)损坏后波形(图5);(3)受损模块将会造成5 Ω的测量误差。

　　

 

　　3 TDR仪器测试过程静电源分析

　　根据人、机、料、法、环多维度寻找静电源，其中PCB与PCB之间用PE(Polyethylene)膜分隔叠板放置，以下为产品流程直接相关因素进行静电测试，数据收集如下：

　　(1)对阻抗测试相关的过程进行静电测试(表 4)：

　　表4 对阻抗测试相关的过程进行静电测试表

　　

 

　　从表4可见，静电在生产环节产生并且电压大小与生产设备有关。

　　(2)阻抗室内待测板静电状况(表 5)

　　表5 阻抗室内待测板静电状况

　　

 

　　从表5可见，阻抗室内待测板(叠放)里层与外层静电有差异，静电释放难易程度与板结构相关;另外暂时存放已测试过板的塑料台是测试的危险区域。

　　4 静电(ESD)的防治措施及效果

　　在工作环境中的物体可区分为：导体与非导体。 静电放电可以有接触和无接触时发生。故ESD防治措施主要四大方面进行。

　　(1)导体ESD防治措施。

　　导体避免静电，是必需接一条导体材料将静电导到标有Ground的地方。

　　这些导体材料包括：防静电桌毯(Table Mats)、防静电地毯(Floor Mats)、防静电手环(WristStrap)、防静电袋(Protect Bag)、防静电椅盖(StoolCover)、防静电保护手袖(Protectors Sleever)、防静电鞋带(Shoe Grounding Straps)等。标准静电防范材料中最重要的3个工具为：防静电桌毯(TableMats)、防静电手环(Wrist Strap)、防静电地毯(Floor Mats)，并且必须确保： 防静电桌毯(TableMats)接地; 防静电手环(Wrist Strap)接地; 防静电地毯(Floor Mats)接地。

　　(2)非导体ESD防治措施。避免非导体静电损害的问题在于，不穿产生静电的衣物，不使用产生静电的物品。例如，避免、减少使用塑料制品，聚乙烯泡泡物品，让这些物品远离工作台;选择使用离子吹风机(Ionized Blower)。

　　(3)静电防范可依不同等级采用不同的防范要求。由于你无法预期静电产生的大小，最好将防范措施做得超过规定的要求。但是除了必须满足组件的不同 Class要求外，设备应依不同的“环境”而采取更严格的要求。

　　(4)周期性检查各种静电防制材料和系统进行必要的检查。对各类相关人员与操作人员实施一定的、例行的和周期性的不间断的专业训练。

　　(5)针对TDR测试环节静电产生及其释放过程采取措施取样模块电击损坏频次5月份后明显减少(图6)。

　　

 

　　5 结论

　　经过系统的分析和预防措施的实施，静电损坏取样模块的事故有明显的减少，规范人员正确操作防护措施和正确操作使用仪器，TDR仪器静电安全威胁还是可以避免的。