示波器应用解密:静电电压测试

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楼主 2020-11-20 15:53:25
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“在日常生活中,人们常常会碰到这些现象:晚上脱衣服睡觉时,黑暗中常听到噼啪的声响,而且伴有蓝光;见面握手时,手指刚一接触到对方,会突然感到指尖针刺般刺痛,令人大惊失色。”-- 以上内容摘自百度。我觉得写的还蛮生动,读起来身上不觉有种针刺的感觉 -_-! 在空气干燥的季节里,脱衣服这个行为可能会产生600至15000V的静电电压,如果湿度为20%以下,电压甚至可以高达30kV,所以在此提醒大家:静电有风险,脱衣需谨慎。

1 静电的产生以及测试现状

静电是物体表面的静止电荷,这也是“静”字的由来。物体在接触、摩擦、分离、电解等过程中,将发生电子或离子的转移,正电荷和负电荷在局部范围内失去平衡,就形成了静电。当物体表面的静电场梯度达到一定的程度,正电荷和负电荷发生中和,静电放电(ESD -Electro Static Discharge)现象就出现了。

静电和电子系统的关系,可以用两个字来表达:“破坏”。“据美国统计,美国电子行业部门每年因静电危害造成损失高达100亿美元,英国电子产品每年因静电造成的损失为20亿英镑,日本电子元器件的不合格品中不少于45%是因为静电造成的。”-- 以上数据摘自百度。而静电测试也一直是产品整机测试阶段中的风险控制点,原因在于这项测试很容易暴露缺陷,而且静电能量的泄放又和许多因素相关,处理起来比较复杂。

以往验证产品抗静电能力的途径是在标准静电实验室进行实测,在某个测试点位实施数次接触或空气放电,同时验证相关功能受到影响的程度。但如果追究以下问题如:在放电过程中,被测主板上的器件承受了多大的能量? 放置ESD器件前后,被保护器件承受的能量有多大的区别,ESD器件能否不焊接以节约产品成本? 物料替代时,看似两个参数很接近的ESD器件,哪一个的静电保护效果更优秀 ? 类似问题一时可能难以作出准确回答,原因归结于缺少定量测试的手段,如果能够进行此项测试 :

l 从产品开发上讲,测量主板上某颗芯片引脚的静电波形,对抗静电设计、产品可靠性验证以及分析静电导致器件损坏的情况将有指导意义。

l 从物料测试上讲,针对器件替换的情况,放电波形可以提供直观的对比,例如:峰值电压,能量泄放速度这些信息,进一步了解不同器件的保护效果。

本文主要阐述的就是测试静电放电电压波形的方法,以解决定量分析的问题。

2 测试操作说明

2.1 测试设备

2.2 测试环境实拍

环境1:测试ESD器件的静电放电电压波形

环境2:测试产品主板在焊接ESD器件后,对应信号通路的静电放电电压波形。下图是CVBS信号通路,使用同轴线缆采集图中所示测试点的波形



2.3 测试步骤

l 将ESD器件焊接在测试主板上。

l 主板和静电枪通过低阻通路完成共地。

l 使用同轴线缆连接ESD器件信号端和示波器输入通道。

l 静电枪放电同时将电压波形采集到示波器,然后观察波形以及测量参数值。

注意:

l 主板走线、线缆、示波器输入通道都需要是50ohm阻抗,这避免了信号反射对波形的影响,使其能反映真实情况。

l 利用两级-20dB衰减器将信号幅度进行100:1衰减,来适应示波器输入通道的电压幅值要求,起到保护示波器的目的。

3 测试结果

3.1 型号为ESD5B5.0ST1G的ESD器件接触放电电压波形测试

放电电压+4kV

放电电压-4kV

3.2 在ESD5B5.0ST1G的+8kV接触放电测试过程中,使用示波器的带宽限制功能,得到不同带宽条件下的测试结果

放电电压+8kV,带宽1GHz

放电电压+8kV,带宽350MHz

放电电压+8kV,带宽250MHz

3.3 主板的CVBS通路在焊接/不焊接ESD5B5.0ST1G器件条件下的接触放电电压波形测试

焊接器件,放电电压+8kV

不焊接器件,放电电压+8kV

4 测试结果分析

4.1 从±4KV放电电压波形中观察特征

l 峰值电压的绝对值在50V左右,而经历峰值以后电压幅度迅速衰减到10V左右。

l 相比较+4kV的衰减速度更慢,在250nS以后衰减到0V,而在-4kV放电时这个过程只需要150nS。

4.2 从示波器的带宽对测试结果的影响来评估对系统带宽的要求

相关文献中较少提到静电测试系统的带宽要求,仅在《IEC 61000-4-2-2008 》中的“B.4.2 Test equipment required for ESD generator calibration”即静电发生器的校准章节中有此说明:针对电流波形的采集,推荐示波器带宽≥2GHz。从该标准中给出的4kV接触放电电流波形中也可以发现,第一个上升沿只有1nS左右,因此需要特别注意到测试系统的带宽。

分别验证了示波器处于1GHz、350MHz、250MHz等3种带宽条件下的放电电压波形,如果仅从峰值电压测试结果上看,当带宽下降到250MHz时,测试数值明显降低了,可见已经不能满足要求。但从反映真实波形以及观察细节的角度出发,仍然建议使用更高带宽的示波器用于静电波形测试。

4.3 从主板是否焊接ESD器件情况下的测试结果,验证器件对CVBS通路的静电保护作用

l 放电峰值电压降低,在焊接ESD器件后电压值衰减了10倍左右,约从700V下降到70V。

l 能量泄放速度加快,观察放电50nS后的电压值,不焊接器件时约从峰值的700V衰减到300V,百分比下降到42%;而在焊接器件后电压约从峰值的70V衰减到10V,百分比下降到14%。

5 总结

利用这个测试系统捕获的静电放电电压波形,作为定量测试手段,在产品开发以及物料替代的验证测试过程中将体现出价值。但需要注意测试结果与测试环境关系很大,因此更适合在不同待测设备之间作横向对比,评估其差异。


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