电子测量仪器及其系统的环境要求硬件和射频工程师.docx
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电子测量仪器及其系统的环境要求硬件和射频工程师
安捷伦电子测量仪器使用及维护建议
版本.03.08
AgilentTechnologiesCo.SSU蔡宏编辑
-----------BeProfessional,BeExpert-------
静电的危害及防护……………………………………………………………………..3
微波接头的使用及养护常识………………………………………………………….12
电子测量仪器及其系统的环境要求…………………………………………………16
仪器硬件故障的最终确认……………………………………………………………21
附录一：
部分种类仪器的用户检验步骤及注意事项………………………………23
附录二：
Agilent仪器常见故障现象及可能原因分析…………………………….27
附录三：
参考资料……………………………………………………………………29
静电的危害及防护
引言.
我们在确定自己的研究课题或找到解决方案时,下一步往往就是准备好完成课题或解决方案所需的软硬件手段.而测量仪器是人们必备的硬件设施.在得到仪器后,如何高效地使用仪器,或如何避免仪器的人为损坏,能够更长时间地为我们服务,就自然而然地成为我们必须关心的环节了.
静电的危害
那么哪些因素可以影响或威胁到仪器的正常使用呢?
了解电子测量仪器或微电子的工程师所想到的第一个词,我想必定是”静电放电”（ESD）.的确,静电是我们再熟悉不过的一种现象了,除了偶而轻微电击或讨厌的静电吸附外,对我们大多数人来讲,静电似乎并不是什么了不起的问题.过去,许多从事电子工业的人也并不认为静电放电是使电子元件乃至整个电子设备损坏的一个主要原因.许多人不相信静电放电的严重性,甚至怀疑是否真正存在.这也难怪,因为要判断或检查ESD（静电放电简称-ElectrostaticDischarge）所引起的失效比较困难,有些元件受ESD损伤后往往在经过一段时间后才失效,使人们难于追踪并确定为ESD引起的损坏.而且许多电子元件可以被远低于人能感觉的静电放电所损伤或损坏.无源器件也和有源器件一样对ESD敏感,损坏程度从性能下降直至短路那样的严重损坏.
目前,许多人对自己身上常常带可观的静电以至常常受静电放电电击的现象习以为常了.可是,您知道吗?
当你的手触摸及门把手或水龙头的瞬间突然感受到受电击甚至听到”啪”的一声响之时,你身上的静电已高达4000至5000伏以上了.而且.在受电击之前,你并没有任何感觉.实际上,人的身体上,衣服上经常带有几百伏到几千伏的静电.只要构成通路,积累的静电就会放电.由于在极短的时间内释放出大量的能量,常常导致电路元件损坏,因为这种放电通常大大超过许多电路元件所能承受的限度.据测试,人能感觉到”麻”时,静电电压已高达3500伏以上.高于4500伏时放电能发出响声.5000伏以上放电时可以见到火花.人感觉不到3500伏以下的静电.现代许多高速超大规模集成电路碰到仅几十伏或更低的静电就会遭到损坏。
也就是说当你接触这些电路时，你既没有感觉到又没有看到更没有听到静电放电时，这块电路就已部分损伤或完全损坏，而你可能还在找其硬件或软件的原因。
你可能还没有意识到是静电这个“幽灵”。
在上个世纪中叶以前，静电现象就如同科技馆中的表演，只是一种有趣的物理现象；然而现在，静电已成为高科技现代化工业的恐怖主义者。
当两个物体表面接触并作相对运动后分开,就会在两个体表面留下可观的电荷.非导体物质上一旦有电荷积累就不易放掉.塑料包装材料,塑料地板,化纤织物和合成纤维地板,工作服,袖套,元件盒,泡沫塑料,仪器罩,香烟盒,复印纸,打印纸等,都可能带上相当客观的静电.任何物质都是由原子组合而成，而原子的基本结构为质子、中子及电子。
科学家们将质子定义为正电，中子不带电，电子带负电。
在正常状况下，一个原子的质子数与电子数量相同，正负电平衡，所以对外表现出不带电的现象。
但是由于外界作用如摩擦或以各种能量如动能、位能、热能、化学能等的形式作用会使原子的正负电不平衡。
在日常生活中所说的摩擦实质上就是一种不断接触与分离的过程。
有些情况下不摩擦也能产生静电，如感应静电起电，热电和压电起电、亥姆霍兹层、喷射起电等。
二、三十多年以前,没有人会想到工程师要关心自身,工作服,衣服,鞋,仪器搬运车,塑料罩,封装带及诸如此类与ESD有关的问题.而今天,我们不得不要考虑这些问题,因为实际情况比我们想象的要糟得多.当你漫不经心地用手拿/摸印刷电路板和元器件,特别是微波半导体器件,随意把电路板或元器件直接放入普通塑料袋/尼龙布袋时,静电将使它们受到致命的伤害.现在看来,普及和加强防静电知识的教育还是很有必要的,目的是使人们对ESD的危害有足够的认识,包括从高级管理部门到基层的包装,收发部门从芯片制造IC制造到装配调试,仪器使用,安装和维修人员.带静电的人（也包括你!
）都是ESD产生危害的祸首之一.
问题的严重性
美国”计算机/电子维修新闻”杂志早在1982年10月就报导过,仅仅由于ESD造成的元器件损失每年高达五亿美圆;另据业内人士估计,每年由于ESD所造成的损失更高达一百亿美圆之巨!
由此可见,ESD给电子工业造成的损失是何等的令人吃惊.1980年有人在分析了一批损坏的双极型大规模集成电路后指出,约77.5%是由ESD引起的.1980年3月,HP公司的一个制造分部进行了一次实验,以确定手的触摸对没有保护措施的IC的影响.共对87个集成电路进行了实验.首先经测试证明它们是好的,然后将其中的40个像通常那样放入塑料盒内,其余47个则放在防静电泡沫塑料袋内.放在塑料盒的器件经过集成电路部门的一些人触摸后放回盒内,随后对这40个器件再测试,结果有31个没有通过电路板测试,只有9个通过了测试.对放在防静电泡沫塑料盒中的47个器件也再进行测试,证明全部都是好的.
HP公司（现为AgilentTechnologies,安捷伦科技）的另一个制造分部在1980年8月进行了一次非正式的试验,确定大量生产的印刷电路板上元件对ESD的敏感度,从成品库中取出十块电路板并验证是合格的.实验人员使用一个静电发生器通过静电放电探头接触这些电路板的连接头,所有十块板都被650V到1000V的静电所损伤.把这些电路板装入整机,结果证明十块板都坏了.修理情况表明,低功率肖特基TTL电路是对静电最敏感的器件.8080和TTL电路受到损伤但未失效.这使我们得出两点有关ESD的重要结论:
1）.人体通常可能带1000到5000V的静电,而感觉不到3500-4000V以下的静电.
2）.安装在印刷电路板上的器件因ESD引起损坏的危险性更大,因为每一根印刷线或导线都是连接几个元器件的通路,对这根线放电立即影响几个而不仅仅是一个器件.
1980年年中,HP的一个计算机分部推出了一套积极的ESD防护规程以降低某系列部件高达23%的厂内损坏率,对雇员进行了有关ESD及其防护的培训,在生产区配备了静电安全工作台.三个月内,故障率被降低到3%以下.
这是一个真实的案例。
九十年代中期，安捷伦在上海的一个用户是传呼机的维修中心，85024A是其主要的维修设备之一，一段时间内，该用户的85024A的返修量非常大，而且单一个体的重复维修次数较多，损坏部件均是85024A探头前端的微带信号放大器。
为了了解设备损坏率居高不下的原因，维修部工程师专程拜访用户，了解现场使用情况，最终发现用户的防静电措施存在纰漏，造成微波探头使用过程中极大的安全隐患。
经过用户的认真整改之后，85024A的损坏率迅速恢复正常。
这种的案例也同样发生在沈阳的用户身上。
ESD基本防护措施
第一.建立静电有害的牢固意识
ESD防护的首要点是让所有的工作人员从高层管理部门到基层装配,维修人员都充分认识静电的存在及其危害的一面,而且要认识到最普通的危害在人体上和塑料上储存和产生的静电.
第二.要把所有的电子器件,电路板都看作是对ESD敏感的.
1）在接触元器件/电路板之前先带上接地手腕环.若一时没有手腕环,可先用手触摸一下接地的机壳或框架等金属表面,以放掉人体上所带的静电.
2）拿握元器件/电路板时,不得接触引线和接线片.
3）不得在任何表面上滑动敏感元器件.所有元器件/电路板在使用前都应保存在原防静电包装袋内.
第三.要在”静电安全工作区”处理所有元器件和电路板.
第四.在携带,运输及储存元器件/电路板时,必须有防静电包装,并有防静电警示标志,不得随意打开.
有关ESD的错误观念:
A.只有金属氧化物半导体器件（MOS）对ESD敏感.
的确,MOS器件对ESD极为敏感.然而,实验表明,其他种类的元器件也同样敏感.下表列出了各类器件对ESD的敏感程度（注意：
在1类最敏感组内有非MOS器件。
表1。
典型元件对ESD敏感度（根据100pF电容通过1.5kOHM放电的测试结果。
1类，非常敏感0-1kV
●无保护电路的MOS：
场效应三极管（FET）和IC，特别是超大规模集成电路（VLSI）.
●MOS电容器（运算放大器内补偿）
●结型场效应管和低电流可控硅整流器（SCRs）-0.15A以下。
●微波和甚高频（VHF）三极管，IC,尤其是肖特基器件。
●精密集成电路稳压器---稳定度优于0.5%.
●精密薄膜电阻---0.1%级以上。
●低功率薄膜电阻---0.5W以上。
●双金属超大规模集成电路。
2类，敏感度1—4kV.
●带保护电路的MOS（CMOS,NMOS,PMOS）.
●肖特基二极管。
●高速双极逻辑电路：
发射极耦合逻辑电路（ECL）
低功率肖特基晶体管—晶体管逻辑电路（LS-TTL）.
肖特基晶体管—晶体管逻辑电路（S-TTL）.
●线性集成电路。
3类，较不敏感：
4-15kV.
●小信号二极管---1W以下。
●低速双极性逻辑电路（TTL,二极管-三极管逻辑电路（DTL）,高门限（TTL）.
●石英、压电晶体和发光二极管。
B.只有未安装的元器件对ESD敏感.
这种说法只有在以下情况下是正确的:
电路的所有敏感点都有保护电路,尤其是那些连接到插头的敏感器件的输入端装有保护电路.通常的情况是安装在印刷板上的元器件具有更大的ESD损坏的危害性.因为一根印刷线连接到几个器件,静电可以击中几个而不仅仅是一个器件.CMOS电路加有电源时对于ESD有额外的危险,”锁住”（Latch-up）,这是一种寄生的PNPN雪崩效应,它通常是由于电源电压的输入输出“低频干扰”（glich）所引起的。
结果是这个寄生器件被触发导电，这时CMOS电路尽量将供电电源与公共点短路，从而引起本身过热而造成严重损伤。
对于这些电池供电的低功率CMOS期间，锁住现象并不损坏器件本身，而是加大了电池的放电，结果是不得不提早更换电池。
这两种情况通常都不会想到是由ESD所导致的，因为问题似乎在其他方面。
C.ESD只在低湿度环境条件下发生。
许多人认为高湿度时不存在静电问题。
的确，高湿度提高表面的导电率，不易产生摩擦景点，而且由于电荷分布到较大面积上，降低了电场强度并易于泄漏到大地。
但是，这种说法被广泛相信的原因是由于一般人的感觉界限，即3-4KV.当人体带有这个数值的静电电压时，如果他的指尖或持工具靠近一个导体表面就会产生可见可闻的电火花。
表2列出了某些典型ESD源的静电电压值与相对湿度的关系。
从表中可见，高湿度情况下电荷量减少，但仍处于不希望的范围内。
表2。
典型静电电压值与相对湿度的关系
源
ESD值（KV）
相对湿度
70%-90%10%-20%
在聚乙烯地板走过
0.2512
在合成纤维地毯上走过
1.535
坐在泡沫椅垫上
1.518
拿起普通塑料包
0.620
在铺有毯子的工作台上滑动塑料盒
1.518
从印刷板上拉下胶带
1.512
用橡皮清洗电路
1.012
启动标准的吸锡口
1.08
用佛利昂（FREON）喷洒电路
5.015
静电安全工作区
所有组装接线人员、材料保管员、检验调试和维修人员或与集成电路、其他ESD敏感器件/电路板打交道的任何保管人员、工作人员都必须经过静电须知及相应操作规程方面的培训，并且在静电安全区内完成他们的工作。
1.安全工作区定义为一个区域，在此区域内一些器件/部件/整机被处置、加工、装配、测试或修理。
它包括在这一过程中所有的机器设备以及操作者的空间。
（图四）
2.“静电安全工作区”被定义为一个工作区域，在这个区域内的静电电压不得超过100V.
3.“静电安全工作区”必须具备以下几条：
●工作台面铺有防静电桌垫并通过1MOHM电阻接地，每个工作台垫上须有两个可转动的接头，用于连接防静电腕带。
其中一个供操作人员使用，另一个供主管或检验人员使用。
●腕带应与皮肤直接接触，并通过1M电阻与桌垫上的连接器相连，不允许用鳄鱼夹夹在桌垫上，因为他的接触面太小，而且也不能到内部导电层（连接器是贯穿垫子的）。
因此，无法有效接地。
●所有设备都要接地：
工作台、机械、电气设备、焊台、夹具、放元件的转桌等必须接地。
●任何一个工作区都要有一个公共接地点。
接地良好的市电配电盘上的地线端是最好的接地点。
设备和桌垫的接地现都与此接地端相连。
●工作区域内必须清除非导体，不应有一般塑料、纸板、烟盒、糖纸、化纤盖布、电脑显示器、鼠标、键盘、合成垫或未接地的金属板。
地板上、工作台面上和架子上不得铺毯子。
●衣服绝对不允许接触元器件及组件。
最好穿短袖衣；长袖衣袖子应扣紧或卷起，以防止与敏感元件接触或接近。
最好穿上合乎标准的防静电服。
●使用合适的存放器，如防静电袋、防静电碟盘、导电或防静电IC存放管。
纸片、橡皮带不应放在盒内。
敏感器件的保管
所有装好的印刷电路板、敏感器件/组件均应装在防静电袋中，以便储存和运输，静电屏蔽袋（黑塑料）和防静电袋（粉红色或蓝色聚合物）是静电防护材料制成的，其保护效果是由表面导电率决定的。
尽管防静电袋导电率略差，但这两种袋均能防止产生静电的危险。
以下诸项必须严格遵守：
1.敏感器件，装有敏感器件的印刷电路板及器件切勿把它们从防静电的容器或袋子中移出来，除非是静电安全的工作台上。
此外，必须注意：
清除工作区域内的静电危险物，如普通塑料袋、纸张、信封等；连接腕带（必须佩戴得紧）；从容器中取器件时，将容器放在防静电桌垫上，以便放电。
2.不在放静电袋内或其他防静电容器中的器件及电路板应该放在防静电桌垫上。
3.衣物绝不允许与敏感器件接触。
腕袋不能释放衣物上的静电。
4.拿元器件时应拿元器件的外壳，插拔及接触印刷电路板时应只接触其边缘，即使在已经接地的情况下，也应避免接触引线或接头。
5.不应在已加电的情况下插拔电路板或元器件。
6.被怀疑或拒收的元器件、电路板、组件等都应把它们当作好的器件一样地认真对待。
否则将可能造成进一步损坏，以致无法找出最初失效的原因。
7.只有接了地的人才能拿电路板组件和其他敏感器件。
如果被接收的电路板或组件未装在防静电袋中，则是不能被使用的。
这时应放回防静电袋中并退回发料的部门。
8.胶纸带不允许用在印刷电路板边缘连接器上。
橡皮抹擦器不允许用来清洁手指。
通常用棉签沾上酒精、水或清洗液来取代橡皮擦。
9.要避免产生磨擦的动作，如穿/脱罩衣，擦脚和擦手等。
这些动作都会产生静电。
10.养成在拿静电敏感器件前首先接触机壳或接地的桌垫表面的习惯，即使已戴腕带的情况下，这些注意事项也要遵守。
防静电与人身安全
当与带电设备仪器工作时（例如仪器维修工程师正在通电检测），防止电流流过人身是绝对必要的，尤其是要防止流过致命电流。
防静电地板、桌垫和腕带均通过1M欧姆电阻串接通大地，这就是作为限流保护，一旦人身触及市电电压，不会产生什麽危险。
当然如果人的肢体一部分触及机壳而另一部分触及市电或其他电压时，限流电阻就无法起到保护作用了。
这是要绝对避免的。
下表列出在不同电流流过人体时的危险程度：
电流值（mA）
AC50HzDC
感觉/危害
0-10-4
有知觉
1-44-15
吃一惊
4-2115-80
有反射行动作
21-4080-160
肌肉痉挛
40-100160-300
呼吸障碍
超过100〉300
通常会致命
通常，通过人体的电流在0.5mA以下是安全的。
微波接头的使用及养护常识：
现代电子测量技术发展使得微波接头和连接技术比以往任何时候都更为重要。
在校准和检验装置、测试端口、电缆等装置上的接头的损伤还增加维修费用和停机时间，本资料着重阐述如何帮助用户在使用同轴微波接头时得到最佳性能、如何改进测量精度与重复性。
使用什麽工具及如何清洁和检查微波接头以保持其精密性和延长使用寿命。
微波接头尺寸很小，机械公差极为严格。
表面任何小的缺陷，损伤和污垢都可能显著降低重复性和精度。
最精密接头的配合面是镀金的铜铍含金，对机械损伤十分敏感。
微波接头在不使用时应在接合面端盖上塑料护罩，绝不要在接触端暴露的情况下存放。
最好存放在有泡沫塑料凹槽排列的箱子中，应该避免触摸接头的配合面，不要将接头的配合面朝下放在任何坚硬的表面上。
自然的皮肤油脂和灰尘微粒极易粘到配合面且难于去除。
最重要的是绝不要将接头散放在盒子中，台面上或者工作台的抽屉中，这样很容易造成机械损伤。
电缆存放时应保持与它们使用时相同的形状，不应该将它们拉直或小角度卷弯，另外，接头上应盖上塑料护罩。
在检查和清洁任何微波部件、整机上的接头时，请格外注意静电！
人体常带有几百伏乃至几千伏的静电，若触及中心导体而放电时，可能直接损坏内部电路器件（如放大器、混频器、检波器等）。
应当在静电安全区内操作并戴好腕带，台面有防静电垫并已接地。
要养成在联接任何设备之前，首先用手摸一下测试端口的金属外壳的习惯，以释放身体上的静电。
微波网络的校准检和检验件、被测件等也可能携带静电，应当把它们先放在防静电桌垫上以放掉静电再用。
常用微波接头的性能
接头种类
最低频段上限
（GHz）
连接扭矩
（N-cm/in-lb）
阴/阳
精密级1
普通级2
生产用级3
7mm（APC-7*）
18
135/12
N
Y
Y
Y
TypeN50ohm
18
135/12
Y
Y
Y
Y
TypeN75ohm
184
135/12
Y
Y6
Y
Y
3.5mm
33
90/8
Y
Y
Y
Y7
2.92mm（K*）
40
90/8
Y
N
Y
Y
2.4mm
50
90/8
Y
Y
Y
Y
1.85mm5
65
90/8
Y
Y6
Y
Y
1.0mm
110
45/47
Y
N
Y
Y
SMA
188
56/5
Y
Y9
Y9
Y
TNC
1110
56/5
Y
N
N
Y
BNC
3
N/A
Y
N
N
Y
SMC
4
34-45/3-4
Y
N
N
Y
TypeF（75ohm）
1
168/15
Y
N
N
Y
TypeFD
311
168/15
Y
Y6
Y
Y
Type7-16
7.5
226/2012
Y
N
Y
Y
注释:
1.精密级接头的连接属于无缝隙连接，通过最紧密的联接来达到其标称的高性能指标。
2.普通级接头除了7mm接头外均属阴性定位的有间隙连接，其联接的紧密性也足以保证其性能的可靠。
3.生产用级接头属于经济型接头，其性能适中，多用于产品的生产中。
4.理论上N型75欧姆接头使用范围最高可达18GHz,但是Agilent的85036B的的N型75欧姆校准件的指标只保证到3GHz.
5.1.85mm的接头完全适用于WiltronV©接头。
6.Agilent开发的与精密级接头配合使用的器件仅限于内部测试使用，通常不对外销售。
7.TheIEEE287specmaysillcallout34N-cmfor1.0mm,butwefoundthatweneeded45N-cmforadequaterepeatability.
8.许多SMA接头的频率上限是18GHz,但是某些厂家给其生产的SMA接头标注出达到27GHz频率上限指标.
9.SMA接头被认为是3.5mm接头的生产用级版本，正如3.5mm接头可被认为是SMA接头的精密级版本一样。
10.TNC接头在IEC169-17标准的描述中，其频率上限不是11GHz就是16GHz，但是许多电缆接头如果可以在3GHz工作就足够了。
IEC169-26标准定义TNC的频率上限达18GHz。
11.TheEIA-550标准定义的FD型接头的频率上限是1.5GHz，但是Agilent85039AF型校准件的频率范围可达到3GHz。
12.226N-cm的扭矩扳手用于精密测量。
CECC22190标准定义7-16型接头连接时的扭矩应在25到30Nm之间。
接头的清洗
在每次连接之前仔细检查所有的接头，首先检查接头是否有明显的缺陷或损伤，电镀层是否严重磨损，接合面是否有划痕或压痕。
螺纹是否变形，中心导体是否弯曲、变形或折断等，配合面尤其需要着重检查是否受到污染，有无金属或金属屑附着。
接合面上的污垢或金属微粒可能是在将接头的接触面朝下放置时造成的，或是手触摸后留下油污沾上尘粒。
金属和金属屑常常是来自接头螺母上的螺纹。
用肮脏的或受损的接头将严重影响性能甚至可能损坏两个接头。
对于APC-7mm的接头，应查看中心导体的弹簧套筒表面和边缘有无变形或损伤，用圆头的木棒或塑料棒轻压套筒是否有弹性。
千万不要用铅笔芯或手指直接按压。
对于有极性的接头特别时3.5mm和SMA接头，应该特别注意阴性接头中心导体的触爪，它们极易弯曲或折断。
其损坏常常不易看出。
触爪损坏的接头必须更换。
接头的污染及损坏通常会直接造成测量的误差，而实际上对它们的清洗并不费时，当然，最简单的清洗方法就是避免其受污染。
使用塑胶保护帽和避免连接时接头间的相对摩擦是使其保持清洁并处于最佳状态的最好方法。
认真清洁一切接头对于确保长期而可靠的使用接头，防止接头偶然受损以及获得最高的测量精度与重复性都是十分重要的，而这一布往往是最易被忽视的。
接头清理步骤:
1.在使用接头对其他产品进行检验之前，使用20倍的显微镜对其接头表面进行检查，是否有灰尘，污垢，阳针表面是否有沟槽及划痕，中心导体是否有损伤,首先使用压缩空气，它很容易除去微屑和尘粒而不会损伤接头，但要注意吹气管咀应接地以防静电。
2.对于无法用压缩空气去除的灰尘和油脂，必须用溶剂，用沾有异丙醇（isopropylalcohol）的棉签清洁接头的接插导体表面及中心导体，当心切勿让酒精接触到绝缘介质层，否则会使绝缘层遭到破坏。
当然，在擦拭过程中也不要用力过大致使接插导体产生变形或位移或损伤。
要使用足够细小的棉签以便可以清洁到连接体的各个角落，不要忘记擦拭接头的螺纹。
3.要使用干净的压缩空气将酒精吹干。
但要注意，压缩空气可以导致接头温度得大幅度降低，这会极大地影响器连接件的性能及指标。
如果使用该接头进行精密测试，则需要在使用之前稳定其温度。
4.在显微镜下察看接头导体，若接头插接体上附着有异物，请讲异物清除掉，否则会导致插接导体的不紧密连接。
若阴头接头的插槽导体齿向外撑开而不是向内紧
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