Giới thiệu

Phóng tĩnh điện (ESD) là một hiện tượng vật lý gây ra vấn đề nghiêm trọng trong một số ngành công nghiệp. ESD đặc biệt gây khó khăn trong ngành công nghiệp bán dẫn, lắp ráp thiết bị điện tử, in ấn, vật liệu dễ cháy và bất cứ nơi nào một hồ quang điện nhỏ có thể "đốt cháy" bất cứ thứ gì…

Hiện tượng ESD liên quan chặt chẽ đến đặc tính của vật liệu (chất cách điện dễ bị tích điện) và độ ẩm không khí (độ ẩm càng thấp, nguy cơ ESD càng cao). Việc quản lý vấn đề này đòi hỏi những nỗ lực phù hợp trong các lĩnh vực sau:

• Thiết kế sản phẩm liên quan đến khả năng bảo vệ ESD.
• Quy trình sản xuất , trong đó các sự kiện ESD có thể xảy ra ở nhiều bước sản xuất khác nhau.

Bài viết này thảo luận về hiện tượng ESD, đặc biệt tập trung vào tác động của nó đối với thiết bị điện tử, mặc dù thông tin được trình bày cũng hữu ích cho các ngành công nghiệp khác.

Chúc bạn đọc vui vẻ :)

Hiện tượng ESD

ESD là một hiện tượng vật lý liên quan đến dòng điện tích tĩnh chảy nhanh giữa hai vật thể có điện thế tĩnh điện khác nhau. Hiện tượng này thường xảy ra khi một vật tích điện đến gần một vật khác, tạo ra một tia lửa điện nhỏ giữa chúng.

Một ví dụ thường gặp trong cuộc sống hàng ngày là hiện tượng "giật điện" dễ nhận thấy khi chạm vào tay nắm cửa sau khi bước trên thảm. "Cú sốc" đó chính là sự phóng tĩnh điện dưới dạng tia lửa điện.

Trong môi trường công nghiệp, các vật thể như băng tải chuyển động, màng đóng gói, quần áo công nhân hoặc chính sản phẩm (ví dụ: bảng mạch in đang được vận chuyển trên dây chuyền lắp ráp) có thể bị tích điện tĩnh.

Theo các chuyên gia trong ngành, ESD được định nghĩa là " dòng điện tĩnh điện đột ngột, tự phát do trường tĩnh điện cao gây ra ".[1]

Điện tích tĩnh điện tích tụ trên bề mặt do các hiện tượng sau:

Hiệu ứng điện ma sát

Hiện tượng phổ biến nhất. Tích điện ma sát, còn được gọi là hiệu ứng điện ma sát, là sự hình thành điện tích tĩnh trên bề mặt vật liệu khi hai vật liệu tiếp xúc và sau đó tách ra. Trong quá trình này, một vật liệu nhận thêm electron dư thừa trong khi vật liệu kia mất đi. Kết quả là, vật liệu đầu tiên mang điện tích âm, và vật liệu thứ hai mang điện tích dương. Các ví dụ điển hình bao gồm:

• Trượt PCB trên mặt bàn.
• Đi trên thảm.
• Lắp PCB vào vỏ thiết bị bằng nhựa.
• Bóc lớp màng bảo vệ khỏi vỏ thiết bị.
• Ma sát giữa vật liệu, quần áo, bao bì, v.v.

Cảm ứng

Trong bối cảnh của ESD, cảm ứng là hiện tượng trong đó điện tích tĩnh điện xuất hiện trong một vật dẫn mà không cần tiếp xúc vật lý trực tiếp với vật tích điện, mà là kết quả của ảnh hưởng của trường tĩnh điện của vật đó.

Ví dụ, khi một vật tích điện cao tiếp cận một dây dẫn không nối đất (ví dụ, một dụng cụ kim loại), điện trường của vật tích điện sẽ tác động đến các electron tự do trong dây dẫn. Các electron này bị dịch chuyển, gây ra sự tích tụ điện tích cục bộ. Nếu sau đó chạm vào dây dẫn tích điện, hiện tượng ESD có thể xảy ra.

Sự bắn phá ion

Nghe giống như một cảnh trong phim khoa học viễn tưởng :) Sự bắn phá ion là hiện tượng tích điện dần dần của vật liệu do sự tích tụ các ion (hạt tích điện) trên bề mặt vật liệu, từ đó truyền điện tích của chúng. Ví dụ, điều này có thể xảy ra trong quá trình phủ hoặc sản xuất chất bán dẫn.[2]

Hiệu ứng ESD

Sự cố ESD có thể xảy ra ở quy mô rất nhỏ — dưới ngưỡng gây hư hỏng. Chúng cũng có thể đạt đến mức khiến thiết bị trục trặc mà không gây hư hỏng vĩnh viễn. Trong một số trường hợp, phóng điện có thể đủ mạnh để làm hỏng thiết bị. Trong một số ngành công nghiệp, ESD cũng có thể gây ra rủi ro an toàn cho nhân viên hoặc cơ sở hạ tầng.

Tùy thuộc vào năng lượng của sự phóng điện, có thể phân biệt một số loại hiệu ứng ESD:

• Hư hỏng tức thời. Đây là những hư hỏng vĩnh viễn dẫn đến mất chức năng ngay lập tức của một bộ phận hoặc thiết bị. Nếu chúng xảy ra trong quá trình sản xuất, chúng thường được phát hiện trong quá trình kiểm tra sản xuất.
• Lỗi tiềm ẩn. Đây là những loại hư hỏng đặc biệt nghiêm trọng. Một linh kiện ban đầu có thể hoạt động bình thường với một vài sai lệch nhỏ về thông số, nhưng theo thời gian, hư hỏng sẽ trở nên nghiêm trọng hơn, có khả năng dẫn đến hỏng hóc không thể lường trước trong suốt vòng đời hoạt động của thiết bị.
• ESD mềm. Các sự cố ESD có thể gây gián đoạn mạch kỹ thuật số. Chúng có thể biểu hiện dưới dạng phần mềm bị treo hoặc hoạt động logic không chính xác. Một sự cố ESD nhỏ có thể kích hoạt "khóa chốt", khiến các cổng logic bị khóa. Những gián đoạn này thường biến mất sau khi khởi động lại nguồn và không gây ra hư hỏng phần cứng vĩnh viễn.
• Nguy cơ an toàn. Trong các ngành công nghiệp như hóa chất, hóa dầu hoặc dược phẩm, tĩnh điện (ESD) có thể gây ra mối đe dọa trực tiếp đến an toàn. Phóng tĩnh điện có thể gây cháy khí, bụi, hơi nhiên liệu, hoặc thậm chí kích nổ vật liệu nổ. Trong những môi trường như vậy, việc kiểm soát tĩnh điện đúng cách là rất quan trọng để ngăn ngừa tai nạn nghiêm trọng.
• Các tác động khác. Hiện tượng ESD cũng có thể ảnh hưởng đến các quy trình công nghệ — ví dụ, khiến giấy dính vào nhau, bám bụi vào bề mặt tờ giấy trong nhà máy in hoặc làm gián đoạn hoạt động của bộ điều khiển máy móc hoặc các hệ thống tự động hóa công nghiệp khác.

Mô hình ESD

Hiện tượng ESD xảy ra trong quá trình lắp ráp thiết bị điện tử và trong quá trình vận hành thiết bị đã được mô tả bằng các mô hình cụ thể. Các mô hình này cho phép kiểm tra khả năng miễn nhiễm của sản phẩm hoặc độ nhạy của linh kiện với ESD, được gọi là ESDS (Electrostatic Discharge Sensitive). Các mô hình sau đã được phát triển:

• HBM (Mô hình Cơ thể Người). Mô hình này mô phỏng một vật dẫn tích điện (bao gồm cả người) phóng điện tĩnh điện vào linh kiện ESDS. Đây là mô hình được sử dụng phổ biến nhất để kiểm tra khả năng miễn nhiễm ESD của mạch tích hợp và phản ánh các tình huống điển hình trong lắp ráp điện tử.
• CDM (Mô hình Thiết bị Tích điện). CDM mô phỏng tình huống một linh kiện ESDS tích điện chạm vào một vật dẫn điện. Ví dụ, trong quá trình lắp ráp tự động, một linh kiện di chuyển qua bộ nạp cách điện, tích điện và sau đó nhanh chóng phóng điện khi tiếp xúc với một bộ phận máy móc được nối đất.
• MM (Machine Model - Mô hình Máy). Mô hình MM mô phỏng tình huống một linh kiện tiếp xúc với máy móc hoặc công cụ được tích điện. Nó dựa trên tụ điện 200 pF không có điện trở giới hạn dòng điện. Do tính ứng dụng thực tế hạn chế, hiện nay nó hiếm khi được sử dụng và phần lớn đã được thay thế bằng HBM và CDM.
• IEC 61000-4-2. Mô hình được định nghĩa trong tiêu chuẩn IEC 61000-4-2 thể hiện các sự kiện tĩnh điện (ESD) có thể xảy ra trong quá trình vận hành thiết bị trong môi trường thực tế, chẳng hạn như khi người dùng chạm vào cổng USB. Mô hình này được sử dụng để kiểm tra khả năng miễn nhiễm của toàn bộ hệ thống (sản phẩm cuối).

ESD & Thiết kế sản phẩm

Khả năng miễn nhiễm tĩnh điện (ESD) cần được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế điện tử. Việc đáp ứng các yêu cầu liên quan đến khả năng miễn nhiễm phóng tĩnh điện trong quá trình vận hành thiết bị là rất cần thiết (ví dụ: IEC 61000-4-2, EN 55024, ISO 10605, v.v.). Các khía cạnh điển hình cần xem xét bao gồm:

• Bảo vệ I/O cấp hệ thống. Sử dụng các thiết bị bảo vệ như điốt TVS, điốt kẹp hoặc tụ điện nhỏ trên các đầu vào/đầu ra của giao diện bên ngoài (USB, HDMI, Ethernet, đầu nối ăng-ten, cổng GPIO, v.v.). Các thành phần này nên được đặt càng gần đầu nối càng tốt.
• Bố trí PCB đúng cách. Tác động của ESD lên thiết bị điện tử có thể được giảm thiểu đáng kể bằng cách tuân thủ các khuyến nghị thiết kế về định tuyến mạch và vị trí linh kiện trên PCB. Điều này bao gồm giảm thiểu trở kháng đường tiếp đất, tách biệt các mạch nhạy cảm, che chắn, sử dụng đất ESD và định tuyến mạch tiếp đất tránh xa các cạnh hoặc tường vỏ máy.
• Lựa chọn linh kiện. Một số linh kiện nhất định, chẳng hạn như giao diện I/O, CAN, RS485, v.v., nên được lựa chọn dựa trên khả năng chống tĩnh điện (ESD). Điều quan trọng là phải phân biệt giữa mô hình HBM và CDM, vốn liên quan đến độ bền của từng linh kiện, và mô hình IEC 61000-4-2, mô phỏng các sự kiện ESD trong điều kiện sử dụng thực tế.
• Che chắn. Việc sử dụng tấm chắn kim loại và lớp dẫn điện trên vỏ bọc hoặc cáp có lớp che chắn có hiệu quả trong việc giảm cả nhiễu điện từ (EMI) và ảnh hưởng của phóng tĩnh điện (ESD). Thiết kế tấm chắn/vỏ bọc phải cho phép phân tán nhanh chóng và có kiểm soát điện tích tĩnh điện xuống điện thế tham chiếu (đất).

ESD & Quy trình sản xuất

Việc bảo vệ hiệu quả chống lại ESD trong quy trình lắp ráp thiết bị điện tử đòi hỏi phải triển khai chương trình kiểm soát ESD, theo tiêu chuẩn ANSI/ESD S20.20 (hoặc IEC 61340-5-1). Hệ thống này sẽ bao gồm các biện pháp bảo vệ tập thể (ví dụ: sàn nhà), bảo vệ cá nhân (ví dụ: giày dép), giám sát (đo ESD định kỳ) và đào tạo nhân viên. Các khía cạnh chính bao gồm:

• Tiếp địa bề mặt làm việc. Mặt bàn làm việc, xe đẩy, giá đỡ và tất cả các bề mặt tiếp xúc phải được làm bằng vật liệu an toàn ESD và được kết nối với điểm tiếp địa thông qua điện trở. Điện áp bề mặt không được vượt quá giới hạn quy định (thường là ±100V so với đất).
• Thiết bị bảo vệ cá nhân chống tĩnh điện (ESD ). Các giải pháp thông thường bao gồm dây đeo cổ tay và giày chống tĩnh điện. Cả hai đều phải được kiểm tra trước khi vào Khu vực được Bảo vệ Tĩnh điện (EPA).
• Sử dụng hộp đựng và túi đựng an toàn với tĩnh điện (ESD). Mọi linh kiện nhạy cảm với phóng tĩnh điện (ESDS) phải được bảo quản và vận chuyển trong bao bì bảo vệ. Không được phép sử dụng khay nhựa thông thường, túi nhựa thông thường và xốp.
• Giám sát. Cần thực hiện kiểm tra định kỳ điện trở bề mặt và điện trở tiếp đất. Cần kiểm tra giày dép và dây đeo cổ tay. Cần xác minh vật liệu, bao bì và dụng cụ được sử dụng trong quy trình. Hồ sơ ghi chép các phép đo này phải được lưu giữ.
• Đào tạo nhân sự. Tất cả nhân viên xử lý các thành phần ESDS—bất kể vai trò (người vận hành, kỹ thuật viên, kỹ sư, nhân viên kho) đều phải trải qua đào tạo ESD. Đào tạo phải được ghi chép và cập nhật định kỳ (ví dụ: 12 tháng một lần).

Một chương trình bảo vệ ESD hoàn chỉnh bao gồm nhiều yêu cầu. Ví dụ, độ ẩm môi trường phải được theo dõi và kiểm soát, và máy ion hóa có thể được yêu cầu trong một số khâu cụ thể của quy trình.

Tiêu chuẩn ESD trong Điện tử

• ANSI/ESD S20.20. Một tiêu chuẩn cốt lõi do Hiệp hội ESD phát triển (được phê duyệt là tiêu chuẩn ANSI), mô tả các nguyên tắc của chương trình kiểm soát ESD trong tổ chức. Tiêu chuẩn này xác định các yêu cầu đối với vùng EPA, tiếp địa, trang phục bảo hộ, đào tạo nhân viên, kiểm toán, v.v.
• IEC 61340-5-1. Một tiêu chuẩn quốc tế (IEC) tập trung vào bảo vệ chống tĩnh điện. Nội dung của tiêu chuẩn này tương tự như ANSI/ESD S20.20. Ở nhiều quốc gia, tiêu chuẩn này được áp dụng làm tiêu chuẩn quốc gia.
• IPC-A-610. Tiêu chuẩn này bao gồm các quy định về khả năng chấp nhận sản phẩm điện tử lắp ráp. Tiêu chuẩn này cũng bao gồm các hướng dẫn về xử lý các cụm lắp ráp điện tử và nhấn mạnh tầm quan trọng của việc bảo vệ chống tĩnh điện (ESD) trong quá trình kiểm tra và xử lý.
• IPC J-STD-001. Tiêu chuẩn chung IPC/JEDEC dành cho quy trình hàn và lắp ráp. Tiêu chuẩn này bao gồm các yêu cầu về duy trì các biện pháp an toàn ESD trong quá trình sản xuất và xử lý các linh kiện nhạy cảm.
• Tiêu chuẩn JEDEC JESD625-A quy định các yêu cầu xử lý đối với thiết bị nhạy cảm với phóng tĩnh điện (ESDS). Tiêu chuẩn này chủ yếu áp dụng cho các nhà sản xuất chất bán dẫn và nhà phân phối linh kiện.
• IEC 61000-4-2. Tiêu chuẩn EMC cấp hệ thống chỉ định các phương pháp thử nghiệm về khả năng miễn nhiễm của thiết bị điện tử đối với phóng tĩnh điện trong quá trình sử dụng (thử nghiệm ESD cấp sản phẩm).
• JEDEC/ESDA JS-001 và JS-002. Các tiêu chuẩn chung của JEDEC và Hiệp hội ESD xác định các phương pháp thử nghiệm HBM (JS-001) và CDM (JS-002). Các tiêu chuẩn này thay thế các tiêu chuẩn cũ JESD22-A114 và JESD22-C101. Các nhà sản xuất bán dẫn sử dụng các tài liệu này để phân loại mức độ miễn nhiễm ESD (ví dụ: HBM Loại 2 - 2kV).
• ISO 10605. Tiêu chuẩn thử nghiệm ESD ô tô dành cho xe cộ và linh kiện xe cộ. Tiêu chuẩn này khá giống với IEC 61000-4-2, nhưng được thiết kế riêng cho môi trường ô tô, với các mức điện áp và thiết lập thử nghiệm khác nhau cho cả tương tác của con người và linh kiện tích điện.

Các tiêu chuẩn được liệt kê ở trên chỉ là những ví dụ được chọn lọc — còn có nhiều hướng dẫn bổ sung khác, bao gồm loạt ANSI/ESD S1-S20, các tài liệu tư vấn (ví dụ: ESD TR20.20) và các tiêu chuẩn dành riêng cho ngành áp dụng trong các lĩnh vực khác.

Bản tóm tắt

Việc bảo vệ hiệu quả các thiết bị điện tử khỏi tĩnh điện (ESD) đòi hỏi một phương pháp tiếp cận toàn diện. Các rủi ro liên quan đến ESD cần được xem xét ngay từ giai đoạn thiết kế — bao gồm lựa chọn linh kiện phù hợp, phân biệt giữa mô hình HBM/CDM và IEC, thiết kế PCB chính xác và triển khai bảo vệ đầu vào/đầu ra phù hợp. Trong quá trình sản xuất, việc tuân thủ ANSI/ESD S20.20 hoặc IEC 61340-5-1 là điều cần thiết để giảm thiểu rủi ro hư hỏng.

Tóm lại: "Muốn chống ESD hiệu quả cần có hai người" — khả năng bảo vệ ESD hiệu quả đòi hỏi cả thiết bị được thiết kế tốt và quy trình sản xuất được kiểm soát đúng cách.