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静电屏蔽-测试方法

由于静电放电是一个复杂多变的过程,再加上静电放电有许多不同的放电形式,产生静电放电的静电源多种多样,而且同一静电源对不同的物体放电时产生的结果也不一样,会受温湿度、电磁场等环境的影响。

有三种测试防静电包装袋的方法:表面电阻测试方法、静电感应峰值电压测试方法和感能量测试方法。前两种技术较老,只有最后一种能够测量防静电屏蔽包装袋。

表面电阻测试方法是对防静电屏蔽包装内、外表面的电阻进行测试,国家军用标准GJB2605-96《可热封柔韧性民阻隔材料规范》要求其内表面电阻率为1.0*105Ω-1.0*1012Ω,外表面电阻率为小于1.0*1012Ω。该方式只能测试防静电屏蔽包装袋内、外层表面电阻率,而并非是针对防静电屏蔽包装袋屏蔽层的测试,故测试结果并不能反应防静电屏蔽包装袋的静电屏蔽方面的性能,测试结果与屏蔽性能测试要求存在差距。

静电感应峰值电压测试根据国家军用标准GJB2605-96《可热封柔韧性防静电阻隔材料规范》,其结构示意图如下图所示。

静电屏蔽感应峰值电压测试装置包括由200pF充电电容和400kΩ放电电阻组成的ESD模拟器、电极极板、电容探头、测量探头和示波器。测量探头应具有高阻抗(不小于1*107Ω)和低的电容(不大于5pF),电容探头是镶在一块绝缘材料上的厚1.5mm的金属板;试验装置是一个包括上部一块22-38mm的金属接触板和一块用以支撑被试样品与电容探头的适当尺寸的接地金属板。置电容探头于试验袋内,其中心约在试验袋开端内侧50mm处,并将它们放置在试验装置的上下金属板之间,试验装置的夹具应设计成使得被试部分在足够的加紧力作用下得到充分的平行接触。试验电压1000V,使电容充电,然后利用转换开关经帖电阻器通过被试材料放电,以测试的峰值电压不高于30V为合格标准。

电极极板随着ESD模拟器放电电流产生一个变的电场,电容探头感应放电电极与地电极之间静电放电过程中静电屏蔽包装袋内部的感应电压变化,该感应电压被测量探头检测并传输至示波器进行采集,根据示波器采集的电压波形得到该感应电压峰值。该静电感应电压测试装置中的测量探头测得的感应电压信号为示波器两通道之间的差值,即电容探头的两探头之间的信号之差。但随着波形衰减越快,相应的两信号的差值(感应电压信号)会变小,从而使测得的感应电压不易确定;而且该装置中的ESD模拟器静电放电脉冲的测试要求示波器的带宽为50MHz,并不能全面反映防静电屏蔽包装袋在静电放电ESD脉冲宽频带(1Hz-1GHz)情况下的屏蔽效果。因此,此测试方法有一定的局限性和不完整性。

静电感应峰值电压值越低说明包装袋屏蔽性能越好。常用的静电屏蔽测试仪器有ACL-500、ETS-431型等,都是以测量到的感应峰值电压作为指标的。表面电阻测量方法通过测量材料的表面电阻值鉴定材料的优劣,常用的仪器有EST121等高阻计。

为了全面准确地衡量防静电屏蔽包装袋的性能,出现了静电感应能量测试方法。美图标准ANSI/ESD STM11.31-2006和中国航天科技集团标准Q/QJA122-2013《航天电子产品防静电屏蔽包装袋检测方法》提供一种防静电屏蔽包装袋内感应能量,利用感应能量来评价防静电屏蔽包装袋性能的优劣。测试原理图如下图所示。

测试装置包括ESD模拟器(100pF、1.5kΩ)、放电电极、地电极、8pF电容探针、500Ω低感电阻和电流探针。所谓“低感电阻”就是电感分量较小的电阻器。低感电阻与电容探针上下两平行极板形成放电回路,即电容探针并联低感电阻,电流探针设置于放电回路中并与示波器相连。当ESD模拟器充电1KV,模拟实际静电放电时,电极极板随着ESD模拟器放电电流产生变化电场,防静电屏蔽包装袋内的电容探针感应到放电电极与地电极之间的感应电压变化的过程,在电容探针感应电压的变化过程中,电容探针与低感电阻形成放电回路,回路中的电流变化过程被电流传感器检测,电流传感器输出电压到示波器,示波器采集到电流波形数据,可以进一步利用能量计算公式(如下图)计算得到感应的能量值。

上述ESD过程中包装袋材料起到两个作用:一是表面的静电耗散材料将放电电极的电荷传输到地电极;二是屏蔽材料通过近场耦合将ESD能量传输到地电极,出现位移电流-传导电流-位移电流的变化过程。这个近场耦合过程与包装袋内部的电容探针和低感电阻路感应能量过程相似。若屏蔽材料电阻远小于500Ω低感电阻,则大部分的ESD能量被屏蔽材料旁路了,而穿透到内部的ESD能量较少,起到了静电放电屏蔽作用。反之,若屏蔽材料电阻大于500Ω低感电阻,则穿透包装材料进入内部的ESD能量较多。

在电容探针与低感电阻形成的放电回路中,由于低感电阻的感抗值非常低,使得其电感部分的影响小,电感对感应电流的影响也非常小,可以忽略对测试结果的影响,低感电阻的交直流电阻差对测量结果的影响可以忽略。

由于有防静电屏蔽包装袋的屏蔽,大部分放电能量被屏蔽层屏蔽,只有很小一部分能量穿透防静电屏蔽包装袋,被内部设置的电容探针感应到,并通过低感电阻进行能量释放。美国标准ANSI/ESD S541-2003要求感应的能量小于50nJ为合格标准。根据公式(下图)得到总的放电能量的1/1000,也就是说能够屏蔽掉99.9%的静电放电能量的包装袋是合格的防静电屏蔽包装袋。

采用感应能量的测量方法代替目前普遍采用的感应电压与测量表面电阻的方法,避免了感应电压测量方法与测量表面电阻方法的局限性。

1、使用的ESD模拟器ESS-2002采用的是国内外通用标准人体模型(HBM,100pF电容和1.5kΩ电阻),而感应电压测试方法使用的是200pF电容和400kΩ电阻(EIA-541 1988规定);

2、使用的电流探针能够克服电压探针带来的干扰误差,电压探针测得的感应电压信号为示波器两通道之间的差值(即平板电容探头两探针的信号之差),这种方式的两通道不同步,将会导致测量误差;

3、感应电压方法中,人体模型静电放电脉冲的测量要求示波器的带宽为50MHz,不能全面反映测量材料在静电放电ESD脉冲宽频带(Hz-GHz)情况下的屏蔽效果。而此方法使用的是200MHz以上带宽和500M以上采样率的示波器,测量范围得到了加强,加大了频率覆盖范围,提升了采样点,减小了测量误差;

4、危害静电敏感器件的是能量,用能量评价静电屏蔽性能的优劣是比较科学的。

中国航天科技集团标准Q/QJA122-2013《航天电子产品防静电屏蔽包装袋检测方法》要求防静电屏蔽包装还应具有一般防静电包装袋的性能,即静电耗散性能,尤其是直接接触静电敏感器件的内表面必须是静电耗散材料,点对点电阻为1.0*103Ω-1.0*1010Ω。为此测量装置还应能够测量内表面的电阻,将电容探针放入被测屏蔽袋内,确保屏蔽袋与电容探针的两个电极之间有很好的接触连接。在屏蔽集散外,将电容探针的引线连接到高阻计测试端。用高阻计测试屏蔽袋内两个电容电极之间的电阻,测试示意图如下图所示。

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