淺談TDR測試過程靜電危害及其預(yù)防

　　這些高速串行總線的速率正從過去USB2.0、LVDS及FireWire1394的幾百Mbps，提升到當(dāng)前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的數(shù)Gbps，甚至達10Gbps，這意味著計算機與通訊業(yè)的PCB廠商對差分走線的阻抗控制要求將越來越高，依據(jù)PCB業(yè)界的測試標(biāo)準(zhǔn)IPC-TM-650手冊要求阻抗測試采用TDR（TimeDomain Refl ectometry，時域反射測定法）技術(shù)，PCB制造商廣泛采用美國Tektronix TDR測試儀器進行阻抗測試。但是該儀器的核心關(guān)鍵部件—信號發(fā)射-取樣模塊（SampleMoudle）對靜電極其敏感，模塊遭電擊損壞只能返回廠家維修，維修周期需要一個月，維修費用3萬元左右/次，故研究靜電有效預(yù)防非常關(guān)鍵。

　　1 靜電基本概念及其作用

　　1.1 靜電定義

　　靜電是指相對靜止不動的電荷，當(dāng)一個物體帶有一定量凈的正電荷或凈的負電荷時，可以稱其帶有靜電。靜電通常用伏特（V）表示。

　　1.2 靜電產(chǎn)生的原理

　　1.2.1 微觀原因

　　根據(jù)原子物理理論，電中性時物質(zhì)處于電平衡狀態(tài)。由于不同物質(zhì)原子的接觸產(chǎn)生電子的得失，使物質(zhì)失去電平衡，產(chǎn)生靜電現(xiàn)象。

　　1.2.2 宏觀原因

　?。?）物體間摩擦生熱，激發(fā)電子轉(zhuǎn)移；（2）物體間的接觸和分離產(chǎn)生電子轉(zhuǎn)移；（3）電磁感應(yīng)造成物體表面電荷的不平衡分布；（4）摩擦和電磁感應(yīng)的綜合效應(yīng)。

　　1.3 靜電特點

　?。?）靜電具有高電壓、低電量、小電流的特點。靜電是一種相對的稱謂，因為在許多情況下，靜電經(jīng)過一段時間后會慢慢減少。這段時間的長度與物體的電阻有關(guān)。電阻越大，靜電越不易耗散。

　?。?）靜電釋放：就是積聚電荷留向大地或者正負離子的中和過程。

　　靜電的放電并不一定非要有接觸的動作發(fā)生，足夠的靜電也可以以空間距離放電；靜電釋放過程中單位時間內(nèi)電流大小的作用分：

　?。?）安全釋放，采取防護的科學(xué)措施，如避雷針、防靜電材料、接地裝置；（2）電擊：靜電破壞性釋放，如電擊感、電擊穿。

　　1.4 日常工作中典型的靜電源（表1）

表1 日常工作中典型的靜電源

　　1.5 靜電在工業(yè)生產(chǎn)中造成的危害

　　1.5.1 靜電放電（ESD）造成的危害

　?。?）引起電子設(shè)備的故障或誤動作，造成電磁干擾。

　?。?）擊穿集成電路和精密的電子元件，或者促使元件老化，降低生產(chǎn)成品率。

　?。?）高壓靜電放電造成電擊，危及人身安全。

　?。?）在多易燃易爆品或粉塵、油霧的生產(chǎn)場所極易引起爆炸和火災(zāi)。

　　1.5.2 靜電吸引力（ESA）造成的危害：

　?。?）電子工業(yè)：吸附灰塵，造成集成電路和半導(dǎo)體元件的污染，大大降低成品率。

　?。?）膠片和塑料工業(yè)：使膠片或薄膜收卷不齊；膠片、CD塑盤沾染灰塵，影響品質(zhì)。

　?。?）造紙印刷工業(yè)：紙張收卷不齊，套印不準(zhǔn)，吸污嚴(yán)重，甚至紙張黏結(jié)，影響生產(chǎn)。

　?。?）紡織工業(yè)：造成根絲飄動、纏花斷頭、紗線糾結(jié)等危害。

　?。?）塑膠噴涂：塑膠產(chǎn)品靜電高，易吸附灰塵，噴涂后影響工件的美觀和品質(zhì)。

　　1.6 預(yù)防靜電方法

　　1.6.1 靜電防護的基本原則

　?。?）抑制靜電荷的積聚；（2）消除已經(jīng)產(chǎn)生的靜電荷。

　　1.6.2 消除靜電的基本措施

　　消除靜電的措施，一般可歸結(jié)為一靠“地”；二靠“器”（靜電消除器）；三靠“劑”（加抗靜電劑）；四靠“屏蔽”。

　?。?）接地。

　?。?）用靜電消除器。靜電消除器上產(chǎn)生大量的正負離子，然后通過風(fēng)把這些離子吹到有靜電的地方，靜電就會吸引相反極性的離子而中和掉，聚積在產(chǎn)品或設(shè)備表面上的靜電因此得以中和而消除。

　?。?）使用靜電消除劑?？捎渺o電消除劑檫洗儀器和物體表面，能迅速消除物體表面的靜電。防靜電劑以油脂為原料，主要成分為季胺鹽，它的作用是使化纖、橡膠、塑料等物體的表面吸附空氣中的水分，增加導(dǎo)電率。

　?。?）靜電屏蔽。最通常的方法是用靜電屏蔽袋和防靜電周轉(zhuǎn)箱作為保護，靜電敏感元件在儲存或運輸過程中會暴露于有靜電的區(qū)域中，用靜電屏蔽的方法可削弱外界靜電對電子元件的影響。

　　1.6.3 控制環(huán)境濕度

　　當(dāng)空氣的相對濕度在65%~70%以上時，物體表面往往會形成一層極微薄的水膜。水膜能溶解空氣中的CO2，使表面電阻率大大降低，靜電荷就不易積聚。如果周圍空氣的相對濕度降至40%~50%時，靜電不易逸散，就有可能形成高電位。

　　2 TDR儀器測試過程分析

　　2.1 TDR測試基本原理

　　2.1.1 概念

　　在傳輸線（如PCB走線）上輸入一個階躍訊號，當(dāng)電訊號到達某個位置時，該位置上的電壓產(chǎn)生變化，傳輸線在此位置上對地電流回路產(chǎn)生阻抗。當(dāng)傳輸在線出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的現(xiàn)象時，在阻抗變化之處的階躍訊號就會產(chǎn)生反射現(xiàn)象，對反射訊號進行取樣并顯示在示波器屏幕上。

　　2.1.2 TDR儀器的硬件結(jié)構(gòu)（圖1）

　　示波器；高頻模塊，由階躍脈沖發(fā)生器和采樣電路兩部分組成；測試探頭。

　　2.1.3 TDR靜電保護裝置（圖2）

　　測試過程信號的通、斷通過切換繼電器進行開啟和關(guān)閉與探頭的通斷，圖2 J1、J2為手動和自動測試模式切換開關(guān)；不測試時高頻模塊信號（IN）通道同外部（J1或J2）斷開連接，外部（J1或J2）信號接上對地50Ω節(jié)點，外部帶入的靜電安全釋放。

　　2.2 信號數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)介紹

　　一般數(shù)字儀器都會用到前端，將輸入信號數(shù)字化，通常有兩種方法：

　　（1）信號先經(jīng)過“衰減器”衰減，再到“取樣電路”取樣（圖3-A）。

　　優(yōu)點：“取樣電路”的高頻二極管有“衰減器”的保護，不易受到過大電壓的傷害；缺點：頻寬受約束。

　?。?）沒有衰減器直接輸入信號（圖3-B） 。

　　優(yōu)點：頻寬高；缺點：取樣電路就很容易受到過大電壓的傷害。

　　Tektronix TDS/CSA8000 的取樣頭（Sample Moudle）80E04，頻寬高達 20 GHz，輸入阻抗為50 mm，顯然該款TDR數(shù)據(jù)采集采用圖3-B結(jié)構(gòu)。

　　2.3 靜電對取樣頭的損害分析

　　2.3.1 一般靜電可區(qū)分成4等級（表2），各等級會有不同的靜電防范要求。

表 2 一般靜電區(qū)分表

　　2.3.2 電子敏感組件對靜電的忍耐程度（表3）

　表3 電子敏感組件對靜電的忍耐程度

　　2.3.3 靜電對μm組件單位面積的功率計算

　?。?）以一個人體的電容160 pf為例，按其儲存約15 000 V的靜電計算，當(dāng)它對一個0.1 μm2接口（Junction）組件放電時，組件接受的功率為式（1）。

　?。?）在 0.1μm2（1×10-7）接口（junction）組件上，單位面積承受的功率為式（2）。

　　一般Silicon（半導(dǎo)體硅）會在 2000 ℃熔化，如果有這么大的能量加入到組件的 junction（接口），必然使接口受到傷害，而失去了 Schottydiode（宵特計二極管）的功能，使之不能正常取樣。

　　2.4 TDR模塊靜電損壞的特點

　　（1）完好狀態(tài)波形（圖4）；（2）損壞后波形（圖5）；（3）受損模塊將會造成5 Ω的測量誤差。

　　3 TDR儀器測試過程靜電源分析

　　根據(jù)人、機、料、法、環(huán)多維度尋找靜電源，其中PCB與PCB之間用PE（Polyethylene）膜分隔疊板放置，以下為產(chǎn)品流程直接相關(guān)因素進行靜電測試，數(shù)據(jù)收集如下：

　　（1）對阻抗測試相關(guān)的過程進行靜電測試（表 4）：

表4 對阻抗測試相關(guān)的過程進行靜電測試表

　　從表4可見，靜電在生產(chǎn)環(huán)節(jié)產(chǎn)生并且電壓大小與生產(chǎn)設(shè)備有關(guān)。

　　（2）阻抗室內(nèi)待測板靜電狀況（表 5）

表5 阻抗室內(nèi)待測板靜電狀況

　　從表5可見，阻抗室內(nèi)待測板（疊放）里層與外層靜電有差異，靜電釋放難易程度與板結(jié)構(gòu)相關(guān)；另外暫時存放已測試過板的塑料臺是測試的危險區(qū)域。

　　4 靜電（ESD）的防治措施及效果

　　在工作環(huán)境中的物體可區(qū)分為：導(dǎo)體與非導(dǎo)體。 靜電放電可以有接觸和無接觸時發(fā)生。故ESD防治措施主要四大方面進行。

　?。?）導(dǎo)體ESD防治措施。

　　導(dǎo)體避免靜電，是必需接一條導(dǎo)體材料將靜電導(dǎo)到標(biāo)有Ground的地方。

　　這些導(dǎo)體材料包括：防靜電桌毯（Table Mats）、防靜電地毯（Floor Mats）、防靜電手環(huán)（WristStrap）、防靜電袋（Protect Bag）、防靜電椅蓋（StoolCover）、防靜電保護手袖（Protectors Sleever）、防靜電鞋帶（Shoe Grounding Straps）等。標(biāo)準(zhǔn)靜電防范材料中最重要的3個工具為：防靜電桌毯（TableMats）、防靜電手環(huán)（Wrist Strap）、防靜電地毯（Floor Mats），并且必須確保： 防靜電桌毯（TableMats）接地； 防靜電手環(huán)（Wrist Strap）接地； 防靜電地毯（Floor Mats）接地。

　?。?）非導(dǎo)體ESD防治措施。避免非導(dǎo)體靜電損害的問題在于，不穿產(chǎn)生靜電的衣物，不使用產(chǎn)生靜電的物品。例如，避免、減少使用塑料制品，聚乙烯泡泡物品，讓這些物品遠離工作臺；選擇使用離子吹風(fēng)機（Ionized Blower）。

　　（3）靜電防范可依不同等級采用不同的防范要求。由于你無法預(yù)期靜電產(chǎn)生的大小，最好將防范措施做得超過規(guī)定的要求。但是除了必須滿足組件的不同 Class要求外，設(shè)備應(yīng)依不同的“環(huán)境”而采取更嚴(yán)格的要求。

　?。?）周期性檢查各種靜電防制材料和系統(tǒng)進行必要的檢查。對各類相關(guān)人員與操作人員實施一定的、例行的和周期性的不間斷的專業(yè)訓(xùn)練。

　?。?）針對TDR測試環(huán)節(jié)靜電產(chǎn)生及其釋放過程采取措施取樣模塊電擊損壞頻次5月份后明顯減少（圖6）。

　　5 結(jié)論

　　經(jīng)過系統(tǒng)的分析和預(yù)防措施的實施，靜電損壞取樣模塊的事故有明顯的減少，規(guī)范人員正確操作防護措施和正確操作使用儀器，TDR儀器靜電安全威脅還是可以避免的。