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　　文章簡要介紹靜電產生原理及其危害，詳細分析TDR儀器主體結構及測試過程靜電危害，針對靜電產生環節采取預防措施，并初步取得成效。

　　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，在芯片-芯片、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手冊要求阻抗測試采用TDR(TimeDomain Refl ectometry，時域反射測定法)技術，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鍵部件—信號發射-取樣模塊(Sample Moudle)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。

　　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，電中性時物質處于電平衡狀態。由于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，靜電經過一段時間后會慢慢減少。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。

　　靜電的放電并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，采取防護的科學措施，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

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　　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，造成電磁干擾。

　　(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污染，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，吸污嚴重，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)塑膠噴涂：塑膠產品靜電高，易吸附灰塵，噴涂后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，然后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于有靜電的區域中，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 控制環境濕度

　　當空氣的相對濕度在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回路產生阻抗。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并顯示在示波器屏幕上。

　　2.1.2 TDR儀器的硬件結構(圖1)

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　　示波器;高頻模塊，由階躍脈沖發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。

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　　2.2 信號數據采集結構介紹

　　一般數字儀器都會用到前端，將輸入信號數字化，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。

　　(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數據采集采用圖3-B結構。

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　　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范要求。

　　表 2 一般靜電區分表

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　　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

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　　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)。

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　　(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)。

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　　一般 Silicon(半導體硅)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 Schotty diode(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。

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　　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

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　　從表4可見，靜電在生產環節產生并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

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　　從表5可見，阻抗室內待測板(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。標準靜電防范材料中最重要的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)，并且必須確保： 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于，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。由于你無法預期靜電產生的大小，最好將防范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”而采取更嚴格的要求。

　　(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采取措施取樣模塊電擊損壞頻次5月份后明顯減少(圖6)。

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　　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。