ESD là gì? Cách để kiểm soát ESD trong công nghiệp

Tĩnh điện là một hiện tượng đặc biệt trong tự nhiên, trong đó một sự cố thường thấy của tĩnh điện là ESD. Vậy bạn đã biết ESD là gì chưa? Và làm sao để ngăn ngừa, kiểm soát ESD trong các ứng dụng công nghiệp? Cùng tìm hiểu với Thiết bị phòng sạch VCR ở bài viết sau đây.

 

ESD là gì

Định nghĩa ESD là gì

ESD là dòng điện chạy đột ngột và tức thời giữa hai vật nhiễm điện do tiếp xúc, đoản mạch hoặc đánh thủng điện môi. Sự tích tụ tĩnh điện có thể được gây ra bởi quá trình sạc ba chiều hoặc do cảm ứng tĩnh điện.

ESD là viết tắt của "Electrostatic discharge" nghĩa là sự phóng tĩnh điện

ESD - Electrostatic Discharge

ESD xảy ra khi các vật mang điện tích khác nhau được đưa lại gần nhau hoặc khi chất điện môi giữa chúng bị vỡ, thường tạo ra tia lửa điện nhìn thấy được .

Nguồn gốc của ESD

Nguyên nhân gây ra các sự cố ESD là do tĩnh điện. Tĩnh điện được tạo ra thông qua sự tích điện ba chiều, sự phân tách các điện tích xảy ra khi hai vật liệu được đưa vào tiếp xúc sau đó tách ra. Một số ví dụ chúng ta thường thấy như: Cọ xát một cái lược nhựa vào tóc khô, cọ quả bóng vào áo len, hay khi chúng ta mặc quần áo vào mùa đông, … Trong những ví dụ này, nguyên lý xảy ra từ việc chúng ta tách sự tiếp xúc giữa 2 vật liệu, dẫn đến tích điện 3 chiều, do đó tạo ra sự khác biệt về điện thế và sau đó dẫn đến sự cố phóng tĩnh điện.

Một nguyên nhân khác dẫn đến ESD là do cảm ứng tĩnh điện. Nó xảy ra khi một vật nhiễm điện được đặt gần một vật dẫn điện cách ly với mặt đất. Sự hiện diện của vật mang điện tạo ra một trường tĩnh điện làm cho các điện tích trên bề mặt của vật kia phân bố lại. Mặc dù điện tích thuần của vật không thay đổi, nhưng hiện tại nó có các vùng dư thừa các điện tích âm và dương. Và ESD có thể xảy ra khi vật thể tiếp xúc với đường dẫn điện. Ví dụ, Ví dụ, các vùng tích điện trên bề mặt của cốc hoặc túi xốp có thể tạo ra điện thế trên các thành phần nhạy cảm với ESD gần đó thông qua cảm ứng tĩnh điện và Phóng tĩnh điện có thể xảy ra nếu linh kiện được chạm bằng dụng cụ kim loại.

ESD bắt nguồn từ tĩnh điện

Ngoài ra, ESD cũng có thể được gây ra bởi các hạt mang điện tích năng lượng xung quanh một vật thể. Đây là một mối nguy hiểm tiềm tàng đối với hầu hết các tàu vũ trụ .

Phóng tĩnh điện ESD là một trong 2 sự cố gây ra bởi tĩnh điện, sự cố còn lại là Sự bám hút (ESA – Electrostatic Attraction)

Loại phóng tĩnh điện phổ biến

Hình thức phóng tĩnh điện phổ biến và ngoạn mục nhất là tia lửa. Tia lửa điện xảy ra khi một điện trường nặng tạo ra một đường dẫn ion hóa trong không khí. Nó có thể gây khó chịu nhẹ cho con người, làm hỏng các thiết bị điện tử và cháy nổ nếu không khí chứa các hạt hoặc khí dễ cháy.

Tia lửa có thể nhìn thấy và nghe được. Tuy nhiên, nhiều sự cố ESD xảy ra mà không thể nhìn thấy hoặc nghe thấy được. Một người mang điện tích tương đối nhỏ có thể không cảm thấy phóng điện đủ để làm hỏng các bộ phận điện tử nhạy cảm. Một số thiết bị điện tử có thể bị hỏng do phóng điện nhỏ đến 30V. Các dạng ESD vô hình đó có thể gây ra hỏng hóc thiết bị hoàn toàn hoặc các dạng xuống cấp ít rõ ràng hơn có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy và hiệu suất lâu dài của thiết bị điện tử. Sự xuống cấp ở một số thiết bị có thể không thể nhìn thấy một cách rõ ràng cho đến khi đi vào vòng đời sử dụng của chúng.

Một ví dụ thường thấy nhất về tia lửa tự nhiên là tia chớp. Điện thế giữa một đám mây và mặt đất, hoặc giữa hai đám mây, thường là hàng trăm triệu vôn.

Tại sao phải kiểm soát ESD

Trong sản xuất công nghiệp, hiện tượng ESD thường được hình thành trong quá trình máy móc vận hành, trong quá trình chuyển động của người vận hành, quá trình di chuyển từ vị trí này qua vị trí khác. Đối với một số ngành công nghiệp thì phóng tĩnh điện rất bình thường, có ảnh hưởng rất nhỏ, và có thể không được chú ý tới bởi vì không gây ra ảnh hưởng nghiêm trọng tới sản phẩm và con người.

Bảng mạch điện tử dễ bị ảnh hưởng bởi ESD

Tuy nhiên, với một số ngành, ví dụ như: Lắp ráp linh kiện điện tử, lắp vi mạch điện tử, sản xuất thiết bị điện tử, … thì ảnh hưởng của ESD là rất lớn. Cho dù là một lượng phóng tĩnh điện rất nhỏ, nhưng nó có thể gây ra ảnh hưởng lớn đến các sản phẩm điện tử, sản phẩm không đạt được yêu cầu thiết kế, khuyết tật cho sản phẩm. Vì lẽ đó, ngành sản xuất sản phẩm điện tử có các yêu cầu rất khắt khe về chống phóng tĩnh điện trong môi trường làm việc.

Phòng sạch điện tử là môi trường không thể thiếu trong các nhà máy điện tử, nó giúp đảm bảo các nguyên tắc chống tĩnh điện một cách tối ưu nhất.

Ngăn ngừa hư hỏng các thiết bị điện tử do ESD gây ra

Ảnh hưởng của ESD với ngành công nghiệp điện tử

ESD gây ảnh hưởng đến các thiết bị điện tử, nó có thể không làm hỏng các sản phẩm ngay lập tức nhưng sẽ làm chất lượng kém đi. Nó gây ảnh hưởng đến cả nhà sản xuất và người sử dụng vì chúng ta khong thể biết sản phẩm sẽ hỏng khi nào, có xảy ra sự cố khi sử dụng không và tuổi thọ của thiết bị cũng giảm đáng kể.

Phóng tĩnh điện còn gây ra vấn đề trục trặc, suy giảm chất lượng của các thiết bị điện tử, bản mạch linh kiện điện tử, thậm chí gây ra thiệt hại cả thiết bị sản phẩm hoàn chỉnh, dẫn tới thiết bị không hoạt động được, hoặc gặp nhiều lỗi không khắc phục được. Đây là những thiệt hại thông qua dòng điện, thông qua sóng điện từ trường trong môi trường làm việc.

Do bản chất điện môi của linh kiện và cụm điện tử, không thể ngăn chặn hoàn toàn quá trình nhiễm tĩnh điện trong khi xử lý thiết bị. Hầu hết các cụm và linh kiện điện tử nhạy cảm của ESD cũng rất nhỏ nên việc sản xuất và xử lý được thực hiện bằng các thiết bị tự động. Do đó việc ngăn ngừa ESD rất quan trọng đối với những quá trình mà các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với bề mặt thiết bị.

Ngoài ra, chúng ta cần phải ngăn chặn ESD khi một bộ phận nhạy cảm phóng điện được kết nối với các bộ phận dẫn điện khác của chính sản phẩm đó.

Bảo vệ trong quá trình sản xuất

Sử dụng EPA

Trong sản xuất, việc ngăn ngừa ESD được dựa trên Khu vực bảo vệ phóng điện tĩnh điện (EPA - Electrostatic Protected Area). EPA có thể là một trạm làm việc nhỏ hoặc một khu vực sản xuất lớn. Nguyên tắc chính của EPA là không có vật liệu có tính sạc cao trong vùng lân cận của thiết bị điện tử nhạy cảm với ESD, tất cả vật liệu dẫn điện đều được nối đất, ngăn chặn sự tích tụ điện tích trên thiết bị điện tử nhạy cảm ESD. Các tiêu chuẩn quốc tế được sử dụng để xác định một EPA điển hình và có thể được tìm thấy ví dụ từ Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) hoặc Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI).

Khu vực EPA

Phòng ngừa ESD trong EPA có thể bao gồm việc sử dụng vật liệu đóng gói an toàn ESD thích hợp, sử dụng sợi dẫn điện trên quần áo của công nhân lắp ráp mặc, dây đai cổ tay và dây đai chân để ngăn điện áp cao tích tụ trên cơ thể người lao động, thảm chống tĩnh điện hoặc vật liệu lát sàn dẫn điện để dẫn điện có hại ra xa khu vực làm việc và kiểm soát độ ẩm . Điều kiện ẩm ướt ngăn cản sự tạo ra điện tích tĩnh điện vì lớp ẩm mỏng tích tụ trên hầu hết các bề mặt dùng để tiêu tán điện tích.

Sử dụng Ion hóa

Bộ ion hóa sẽ được sử dụng đặc biệt khi không thể nối đất các vật liệu cách điện. Hệ thống Ion hóa sẽ giúp trung hòa các vùng bề mặt tích điện trên những vật liệu cách điện hoặc điện môi. Những vật liệu cách điện dễ bị nhiễm điện ba cực hơn 2.000V cần phải đặt cách xa các thiết bị nhạy cảm khoảng cách ít nhất là 12 inch để tránh vô tình nhiễm điện thông qua cảm ứng.

Sử dụng vật liệu có tính dẫn điện thấp

Còn một cách hiệu quả khác để ngăn ngừa ESD là sử dụng các vật liệu không quá dẫn điện nhưng vẫn có thể dẫn đi các điện tích tĩnh. Các vật liệu này được gọi là vật liệu tiêu tán tĩnh điện và có giá trị điện trở suất dưới 10^12ohm-mét. Trong quá trình sản xuất tự động các vật liệu sẽ chạm vào những khu vực dẫn điện của các linh kiện điện tử nhạy cảm với ESD, các vật liệu này đều làm bằng vật liệu tiêu tán tĩnh điện và nó cần phải được tiếp địa. Những vật liệu đặc biệt này có thể dẫn điện, nhưng rất chậm. Mọi điện tích tĩnh tích tụ sẽ tiêu tan mà không có sự phóng điện đột ngột có thể gây hại cho cấu trúc bên trong của mạch silicon

Bảo vệ trong quá trình vận chuyển

Những sản phẩm nhạy cảm với phóng tĩnh điện cần được bảo vệ trong quá trình vận chuyển, xếp dỡ và bảo quản. Hiện tượng tích tụ và phóng điện tĩnh có thể được giảm thiểu bằng cách kiểm soát điện trở trên bề mặt và điện trở suất thể tích của vật liệu đóng gói. Bao bì đóng gói cũng cần được thiết kế và chế tạo để giảm thiểu ma sát hoặc sạc điện ba chiều do chúng cọ xát với nhau trong khi vận chuyển.

Túi chống tĩnh điện

Một ví dụ phổ biến mà chúng ta có thể biết là các thiết bị bán dẫn và linh kiện máy tính thường được vận chuyển trong một túi chống tĩnh điện làm bằng nhựa dẫn điện một phần, hoạt động như một cái lồng Faraday để bảo vệ bên trong khỏi ESD.

Giải pháp chống phóng tĩnh điện ESD trong môi trường công nghiệp

Ngoài những giải pháp chống phóng tĩnh điện như chúng ta đã nói ở trên trong môi trường sản xuất điện tử. Tiếp theo hãy cùng nhau xem qua những cách chống ESD chung trong các môi trường công nghiệp.

Bảo vệ cho các thiết bị Nhạy cảm phóng điện (ESDS)

• Điều cần thiết phải làm đầu tiên là phải xử lý các thiết bị ESDS tại các máy trạm an toàn tĩnh. Việc này sẽ ngăn ngừa mất năng suất (thông qua những thiệt hại nghiêm trọng) hoặc phát sinh, các lỗi tiềm ẩn về chất lượng của sản phẩm.
• Vật liệu cách điện tại các trạm làm việc an toàn tĩnh điện cần sử dụng máy ion hóa không khí được thiết kế để trung hòa các điện tích tĩnh điện hoặc áp dụng chất chống tĩnh điện tại chỗ để kiểm soát sự phát sinh cũng như tụ điện tích tĩnh.
• Khi sử dụng máy ion hóa không khí, yếu tố quan trọng là phải tuân thủ các quy trình và lịch trình bảo trì để đảm bảo rằng các ion do máy ion hóa tạo ra được cân bằng đủ.
• Tránh để các nguồn tĩnh điện trong phạm vi 1 mét của bàn làm việc an toàn tĩnh điện Trong trường hợp cần thiết phải sử dụng súng hơi, hãy sử dụng các kiểu máy đặc biệt không tạo ra điện tích tĩnh trong dòng không khí.

Giải quyết các vấn đề từ nhân viên

• Các điện tích tích tụ trên cơ thể của nhân viên vận hành cần phải được xả trước khi mở hộp bảo vệ có các thiết bị ESDS bên trong. Việc xả điện tích này có thể thực hiện bằng cách đặt tay lên bề mặt mặt đất hoặc tốt nhất là đeo dây đeo tay chống tĩnh điện có tiếp địa.
• Khuyến khích sử dụng áo chống tĩnh điện cho mỗi công nhân.
• Giáo dục và đào tạo về các biện pháp phòng ngừa ESD là điều cực cần thiết.
• Công việc đánh giá thường xuyên cũng hữu ích trong việc hỗ trợ phòng ngừa ESD.
• Các thiết bị ESDS phải luôn được đựng trong túi hoặc hộp bảo vệ tĩnh trong quá trình bảo quản hoặc vận chuyển.

Vòng đeo tay chống tĩnh điện

Sử dụng thiết bị bảo vệ ESD

Thiết bị bảo vệ phóng tĩnh điện được sử dụng để ngăn thiết bị điện tử bị hỏng hoặc trục trặc do ESD.

Hệ thống lưu trữ những hàng hóa đáng quan trọng cần có biện pháp bảo vệ chống phóng tĩnh điện (ESD). Trong công việc này thì các kỹ sư hệ thống phải chọn tất cả các thành phần ESD phù hợp một cách chính xác với yêu cầu của họ. Tuy nhiên, việc chọn đúng các yếu tố bảo vệ ESD không hề đơn giản. Bảo vệ các thiết bị trên PCB chống lại áp lực ESD ngày càng trở thành một nhiệm vụ có nhiều phức tạp.

Do đó, điều quan trọng là các kỹ sư hệ thống phải hiểu các thông số dữ liệu trước khi chọn phương án bảo vệ ESD phù hợp. Thiết bị ESD không được chọn đúng cách sẽ hoạt động kém quả và có thể cản trở hoạt động bình thường của mạch. Để triệt tiêu điện áp quá độ trong các hệ thống di động, thiết bị bảo vệ mạch phải cung cấp các đặc điểm sau:

• Thời gian phản hồi nhanh chóng
• Khả năng xử lý dòng ESD tốt
• Khả năng hoạt động ở điện áp thấp
• Khả năng xử lý số lượng lớn các phiên bản ESD
• Dòng điện rò rỉ ngược tối thiểu và kích thước tối thiểu

Do đó, việc hiểu các thông số biểu dữ liệu của các phần tử bảo vệ ESD là điều tối quan trọng đối với nhiệm vụ lựa chọn phần tử bảo vệ phù hợp để thiết kế thành công. Việc lựa chọn một thành phần phù hợp sẽ phụ thuộc vào số lượng đường dây được bảo vệ, không gian bảng có sẵn và đặc tính điện của mạch được bảo vệ.

Ngoài ra bạn có thể xem thêm các cách chống tĩnh điện ở bài viết: Ngăn ngừa và ứng dụng của tĩnh điện trong các ngành công nghiệp để hiểu thêm về tĩnh điện và chống tĩnh điện

Việc chống phóng tĩnh điện – ESD là cực kỳ quan trọng trong các ngành công nghiệp liên quan, đặc biệt là ngành điện tử. Hy vọng bài viết sẽ giúp bạn hiểu hơn về ESD và các phương pháp chống phóng ESD trên có thể giúp ích cho quy trình sản xuất của bạn.

Brian