浅谈TDR测试过程静电危害及其预防

　　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（SampleMoudle）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 Schottydiode（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。