淺談TDR測試過程靜電危害及其預防

　　電子通訊技術飛速發展，為了提高傳輸速率和傳輸距離，計算機和通訊產業正逐步轉移到高速串行總線，在晶片-晶片、板卡-板卡與背板間實現高速互連。

　　這些高速串行總線的速率正從過去USB2.0、LVDS及FireWire1394的幾百Mbps，提升到當前PCI-Express G1/G2、SATA G1/G2、XAUI/2XAUI、XFI的數Gbps，甚至達10Gbps，這意味著計算機與通訊業的PCB廠商對差分走線的阻抗控制要求將越來越高，依據PCB業界的測試標準IPC-TM-650手冊要求阻抗測試採用TDR（TimeDomain Refl ectometry，時域反射測定法）技術，PCB製造商廣泛採用美國Tektronix TDR測試儀器進行阻抗測試。但是該儀器的核心關鍵部件—信號發射-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，故研究靜電有效預防非常關鍵。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/333642.htm

　　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，當一個物體帶有一定量淨的正電荷或淨的負電荷時，可以稱其帶有靜電。靜電通常用伏特（V）表示。

　　1.2 靜電產生的原理

　　1.2.1 微觀原因

　　根據原子物理理論，電中性時物質處於電平衡狀態。由於不同物質原子的接觸產生電子的得失，使物質失去電平衡，產生靜電現象。

　　1.2.2 宏觀原因

　　（1）物體間摩擦生熱，激發電子轉移；（2）物體間的接觸和分離產生電子轉移；（3）電磁感應造成物體表面電荷的不平衡分布；（4）摩擦和電磁感應的綜合效應。

　　1.3 靜電特點

　　（1）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，靜電經過一段時間後會慢慢減少。這段時間的長度與物體的電阻有關。電阻越大，靜電越不易耗散。

　　（2）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。

　　靜電的放電並不一定非要有接觸的動作發生，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電流大小的作用分：

　　（1）安全釋放，採取防護的科學措施，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 靜電在工業生產中造成的危害

　　1.5.1 靜電放電（ESD）造成的危害

　　（1）引起電子設備的故障或誤動作，造成電磁幹擾。

　　（2）擊穿集成電路和精密的電子元件，或者促使元件老化，降低生產成品率。

　　（3）高壓靜電放電造成電擊，危及人身安全。

　　（4）在多易燃易爆品或粉塵、油霧的生產場所極易引起爆炸和火災。

　　1.5.2 靜電吸引力（ESA）造成的危害：

　　（1）電子工業：吸附灰塵，造成集成電路和半導體元件的汙染，大大降低成品率。

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

　　（3）造紙印刷工業：紙張收卷不齊，套印不準，吸汙嚴重，甚至紙張黏結，影響生產。

　　（4）紡織工業：造成根絲飄動、纏花斷頭、紗線糾結等危害。

　　（5）塑膠噴塗：塑膠產品靜電高，易吸附灰塵，噴塗後影響工件的美觀和品質。

　　1.6 預防靜電方法

　　1.6.1 靜電防護的基本原則

　　（1）抑制靜電荷的積聚；（2）消除已經產生的靜電荷。

　　1.6.2 消除靜電的基本措施

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

　　（1）接地。

　　（2）用靜電消除器。靜電消除器上產生大量的正負離子，然後通過風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，聚積在產品或設備表面上的靜電因此得以中和而消除。

　　（3）使用靜電消除劑。可用靜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，增加導電率。

　　（4）靜電屏蔽。最通常的方法是用靜電屏蔽袋和防靜電周轉箱作為保護，靜電敏感元件在儲存或運輸過程中會暴露於有靜電的區域中，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 控制環境溼度

　　當空氣的相對溼度在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溼度降至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，當電訊號到達某個位置時，該位置上的電壓產生變化，傳輸線在此位置上對地電流迴路產生阻抗。當傳輸在線出現阻抗不連續的現象時，在阻抗變化之處的階躍訊號就會產生反射現象，對反射訊號進行取樣並顯示在示波器屏幕上。

　　2.1.2 TDR儀器的硬體結構（圖1）

　　示波器；高頻模塊，由階躍脈衝發生器和採樣電路兩部分組成；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；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節點，外部帶入的靜電安全釋放。

　　2.2 信號數據採集結構介紹

　　一般數字儀器都會用到前端，將輸入信號數位化，通常有兩種方法：

　　（1）信號先經過「衰減器」衰減，再到「取樣電路」取樣（圖3-A）。

　　優點：「取樣電路」的高頻二極體有「衰減器」的保護，不易受到過大電壓的傷害；缺點：頻寬受約束。

　　（2）沒有衰減器直接輸入信號（圖3-B） 。

　　優點：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數據採集採用圖3-B結構。

　　2.3 靜電對取樣頭的損害分析

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

表 2 一般靜電區分表

　　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

　　（1）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）。

　　（2）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（半導體矽）會在 2000 ℃熔化，如果有這麼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（宵特計二極體）的功能，使之不能正常取樣。

　　2.4 TDR模塊靜電損壞的特點

　　（1）完好狀態波形（圖4）；（2）損壞後波形（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

　　根據人、機、料、法、環多維度尋找靜電源，其中PCB與PCB之間用PE（Polyethylene）膜分隔疊板放置，以下為產品流程直接相關因素進行靜電測試，數據收集如下：

　　（1）對阻抗測試相關的過程進行靜電測試（表 4）：

表4 對阻抗測試相關的過程進行靜電測試表

　　從表4可見，靜電在生產環節產生並且電壓大小與生產設備有關。

　　（2）阻抗室內待測板靜電狀況（表 5）

表5 阻抗室內待測板靜電狀況

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

　　4 靜電（ESD）的防治措施及效果

　　在工作環境中的物體可區分為：導體與非導體。 靜電放電可以有接觸和無接觸時發生。故ESD防治措施主要四大方面進行。

　　（1）導體ESD防治措施。

　　導體避免靜電，是必需接一條導體材料將靜電導到標有Ground的地方。

　　這些導體材料包括：防靜電桌毯（Table Mats）、防靜電地毯（Floor Mats）、防靜電手環（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。標準靜電防範材料中最重要的3個工具為：防靜電桌毯（TableMats）、防靜電手環（Wrist Strap）、防靜電地毯（Floor Mats），並且必須確保： 防靜電桌毯（TableMats）接地； 防靜電手環（Wrist Strap）接地； 防靜電地毯（Floor Mats）接地。

　　（2）非導體ESD防治措施。避免非導體靜電損害的問題在於，不穿產生靜電的衣物，不使用產生靜電的物品。例如，避免、減少使用塑料製品，聚乙烯泡泡物品，讓這些物品遠離工作檯；選擇使用離子吹風機（Ionized Blower）。

　　（3）靜電防範可依不同等級採用不同的防範要求。由於你無法預期靜電產生的大小，最好將防範措施做得超過規定的要求。但是除了必須滿足組件的不同 Class要求外，設備應依不同的「環境」而採取更嚴格的要求。

　　（4）周期性檢查各種靜電防制材料和系統進行必要的檢查。對各類相關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訓練。

　　（5）針對TDR測試環節靜電產生及其釋放過程採取措施取樣模塊電擊損壞頻次5月份後明顯減少（圖6）。

　　5 結論

　　經過系統的分析和預防措施的實施，靜電損壞取樣模塊的事故有明顯的減少，規範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。