ESD BASIC- Bài 1: Tĩnh điện là gì? Tác hại của tĩnh điện và nguyên tắc kiểm soát tĩnh điện

1.1   Tĩnh điện là gì?

Tĩnh điện là sự dịch chuyển đột ngột của các hạt mang điện giữa hai đối tượng có sự chênh lệch về điện áp. Phần lớn chúng ta đã có trải nghiệm về tĩnh điện như khi chúng ta sờ vào cửa bị giật, tiếng lách tách khi thay quần áo vào mùa đông……

Tuy nhiên tĩnh điện và phóng tĩnh điện lại là một vấn đề quan trọng trong lĩnh vực công nghiệp, quốc phòng. 

Dưới sự phát triển của khoa học kỹ thuật thì các yêu cầu đối với kiếm soát tĩnh điện ngày càng tăng lên. Đặc biệt là trong ngành công nghiệp điện tử.Tuổi thọ của các thiết bị điện tử có liên quan rất nhiều đến tĩnh điện và phóng tĩnh điện.

 Các thiết bị điện tử ngày càng trở nên nhanh hơn, nhỏ gọn hơn, do đó các yêu cầu về kiểm soát tĩnh điện ngày tăng theo. Chi phí sửa chữa, bảo hành, bảo trì, vận chuyển, lưu kho, nhân công và chi phí quản lý cũng tăng lên đáng kể. Chưa kể đến chất lượng, uy tín của đơn vị sản xuất bị ảnh hưởng.

Ngày nay có hàng nghìn công ty trong lĩnh vực điện tử đưa ra các yêu cầu về kiểm soát chống tĩnh điện là yêu cầu bắt buộc. Các tiêu chuẩn kiểm soát chống tĩnh điện được tổ chức chống tĩnh điện quốc tế ( ESDA) hướng dẫn để các công ty có thể thực hiện kiểm soát chống tĩnh điện trong quá trình sản xuất của mình.

1.2   Nguồn phát sinh tĩnh điện

Tĩnh điện phát sinh chủ yếu do hiện tượng cọ sát, tiếp xúc, đây là nguồn chính phát sinh tĩnh điện. Đơn giản như việc gắp, thả linh kiện cũng có khả năng phát sinh tĩnh điện.

Các vật liệu khác nhau có sự phát sinh tĩnh điện khác nhau và mức phát sinh tĩnh điện tuân theo chuỗi triboelectric

1.     Hiện tượng Triboelectric

Ban đầu nguyên tử của vật liệu A và B trung hòa về điện, Sau khi tiếp xúc và tách rời có sự trao đổi Electron (e)  giữa 2 nguyên tử A và B. Nguyên tử A cho bớt e mang điện tích dương(+). Nguyên tử B nhận thêm e nên mang điện tích âm (-). Tạo nên sự mất cân bằng về điện tích.

 Tĩnh điện được sinh ra khi tiếp xúc và tách rời giữa các vật liệu khác nhau tuân theo chuỗi Triboelectric và sinh ra trên bề mặt của vật liệu.Tĩnh điện sinh ra được đo bằng đại lượng điện lượng ( Culông). Điện lượng sinh ra được xác định bằng công thức q=CV với C là điện dụng, V là hiệu điện thế, q là điện lượng.

Thông thường trong tĩnh điện ta có thể coi hiệu điện thế như là điện áp. ( Volt)

Tĩnh điện sinh ra khi tiếp xúc, tách rời khách nhau bởi: diện tích tiếp xúc, tốc độ tách rời, độ ẩm, đặc tính hóa học của vật liệu.Trong đó yếu tố độ ẩm ảnh hưởng rất nhiều đến mức tĩnh điện phát sinh.Mức tĩnh điện sinh ra càng nhỏ khi độ ẩm tăng lên ( tham khảo bảng 1).

Tĩnh điện sinh ra truyền dẫn trên vật liệu và tạo ra sự xả tĩnh điện ( ESD Event).

 

Ngoài ra tĩnh điện còn được sỉnh ra do các nguyên nhân khác như: cảm ứng, bắn phá ion, truyền dẫn tĩnh điện. Tuy nhiên Triboelectric là phổ biến nhất.

Chuỗi Triboelectric

Khi hai vật liệu tiếp xúc và tách rời nhau, mức tĩnh điện sinh ra tuân theo chuỗi triboelectric, Các vật liệu ở phía trên của dãy có xu hướng cho đi (e) và mang điện tích dương, Các vật liệu ở phía cuối dãy có xu hướng nhận và (e) và mang điện tích âm. Các vật liệu càng cách nhau xa trong dãy khi tiếp xúc, tách rời nhau sẽ phát sinh ra mức tĩnh điện càng lớn

Gần như tất cả các vật liệu, bao gồm cả nước,bụi trong không khí đều có thể nạp tĩnh điện tuy nhiên mức độ nạp tĩnh điện là khác nhau.

Chuỗi Triboelectric
Positive +	Lông thỏ Kính Mica Tóc người Nylon Len Lông Chì Tơ tằm Nhôm
Negative -	Giấy COTTON Sắt Gỗ Hổ phách Sealing Wax Nikel, Đồng, Bạc Vàng, Bạch kim Lưu huỳnh Tơ sợi Polyester Cenlulô Silicon Teflon

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Các nguồn phát sinh tĩnh điện chính:

Nguồn phát sinh	Vật liệu/ Hoạt động
Bàn làm việc	Mặt bàn bằng nhựa, vinyl, sơn….
Sàn	Gỗ, gạch, Vinyl, nhựa…..
Trang phục	Quần áo thông thường Giầy cách điện Quần áo phòng sạch thông thường
Ghế	Gỗ, Vinyl, Vải……
Đóng gói	Túi nhựa, foam, khay nhựa, thùng nhựa, giấy bảo vệ…..
Các công đoạn	Xịt hóa chất làm sạch Mỏ hàn không được nối đất Sử dụng Bàn chải Bóc băng dính, màng bảo vệ…..

 

1.3 Nguyên tắc kiểm soát tĩnh điện

• 1.      Xác định mức kiểm soát tĩnh điện cho các thành phần cần bảo vệ. Ví dụ tiêu chuẩn ANSI/ESD S20.20  cung cấp phương pháp kiểm soát đối với linh kiện chịu được trên 100V HBM, 200 V CDM.
• 2.     Xác định khu vực EPA, khu vực bao gồm: vật dẫn điện, truyền dẫn tĩnh điện ( suy giảm tĩnh điện), bao gồm cả con người, dây điện được kết nối tới hệ thống nối đất.
• 3.     Hạn chế vật liệu cách điện trong khu vực EPA. Đánh giá rủi ro từ vật liệu cách điện bị nạp tĩnh điện  trong khu vực EPA. Sử dụng ionizer để trung hòa vật liệu phát sinh tĩnh điện nếu cần thiết.
• 4.     Xác định các yêu cầu cần thiết đối với vật liệu đóng gói cho toàn bộ các giai đoạn
• 5.     Thường xuyên đánh giá các hạng mục của EPA và các trương trình khác để kiểm soát tĩnh điện ( đào tạo công nhân….)

-        Nguyên tắc đánh giá vật liệu

Phương pháp để đánh giá vật liệu là cách điện, dẫn điện, truyền dẫn tĩnh điện gồm: đo điện trở bề mặt, điện trở khối, khả năng phát sinh tĩnh điện, khả năng xả tĩnh điện và cường độ điện trường.

-        Điện trở

Điện trở là đại lượng đặc trưng cho khả năng cản trở dòng điện của vật liệu. Vật liệu khác nhau thì có khả năng cản trở dòng điện khác nhau. Để xác định khả năng truyền tĩnh điện các các vật liệu ta sử dụng phương pháp kiểm tra điện trở ( điện trở hoặc điện trở suất bề mặt, điện trở khối).

Phương pháp đo và tiêu chuẩn sẽ được mô tả ở các chương sau.

-        Điện áp tĩnh điện

Điện áp là đại lượng đặc trương biểu thị mức tĩnh điện pháp sinh của vật liệu. Các vật liệu bị mất câng bằng tĩnh điện càng lớn thì mức phát sinh tĩnh điện càng cao.

1.4  Đặc điểm tĩnh điện của các loại vật liệu

a)     Vật liệu cách điện ( Insulative Materials)
Vật liệu cách điện là: loại vật liệu ngăn cản dòng điện truyền trên bề mặt hoặc đi qua vật liệu. Vật liệu cách điện được định nghĩa là vật liệu có điện trở lớn hơn 1x10^11 Ohm. Tĩnh điện do vật liệu cách điện tạo ra là rất lớn. Do vật liệu cách điện cản trở sự di chuyển của các electron trên bề mặt của nó.

b)    Vật liệu dẫn điện( Conductive Materials)
Vật liệu dẫn điện có điện trở thấp và cho dòng điện đi qua một cách dễ dàng. Một vật liệu có điện trở thấp hơn 1x10^4 Ohm được coi là vật liệu dẫn điện Khi tĩnh điện sinh ra trên bề mặt, nó sẽ được truyền đi toàn bộ bề mặt của vật liệu dẫn điện .Nếu nó tiếp xúc với một vật dẫn khác thì toàn bộ tĩnh điện sẽ được truyền đi một cách dễ dàng. Nếu nó được kết nối với hệ thống nối đất hoặc dây nối đất của hệ thống điện AC thì toàn bộ điện tích sẽ được truyền đi và vật dẫn điện trở sẽ cân bằng về tĩnh điện.

c)     Vật liệu truyền dẫn tĩnh điện ( Dissipative Materials )
Vật liêu có điện trở nằm giữa khoảng vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện được gọi alf vật liệu truyền dẫn tĩnh điện. ( 1x10^4 Ohm < Dissipative Materials < 1x10^11 Ohm). Dòng điện có thể di chuyển qua vật liệu truyền dẫn tĩnh điện nhưng nó bị kiểm soát không quá nhanh như vật liệu dẫn điện cũng không quá chậm như vật liệu cách điện. 
Do đặc tính này nên trong kiểm soát chống tĩnh điện người ta ưu tiên sử dụng vật liệu truyền dẫn tĩnh điện ( Dissipative Materials).

1.5  Lỗi tĩnh điện làm hỏng thiết bị như thế nào?

Lỗi tĩnh điện-Làm hỏng thiết bị như thế nào?

Lỗi tĩnh điện được định nghĩa là những thay đổi của thiết bị do nguyên nhân từ tĩnh điện gây ra. Nó có thể làm thiết bị hỏng hóc ngay hoặc vẫn hoạt động nhưng tiềm ẩn những nguy cơ hỏng hóc về sau. Hiện tượng ESD xảy ra có thể làm chảy kim loại, ngắn mạch, oxi hóa.

-        Lỗi hỏng hoàn toàn

Thiết bị bị không hoạt động hoặc các tính năng của thiết bị không hoạt động giống như thiết kế ban đầu của nhà sản xuất. Lỗi hỏng hoàn toàn có thể được phát hiện thông qua các máy test chức năng trong quá trình sản xuất.

-        Lỗi hỏng hóc tiềm ẩn

Một thiết bị khi xảy ra lỗi ESD vẫn có thể duy trì hoạt động tuy nhiên nó tiềm ẩn nguy cơ hỏng hóc, tuổi thọ của thiết bị sẽ giảm xuống. Một thiết bị hoặc một hệ thống với những hỏng hóc tiềm ẩn khi đến tay người sử dụng và sau đó là đến khâu bảo hành, sửa chữa khi xảy ra lỗi sẽ làm tăng chi phí khâu bảo hành và gây nguy hiểm cho con người.

Những hỏng hóc nặng do ESD gây ra có thể phát hiện một cách dễ dàng. Tuy nhiên dạng hỏng hóc tiềm ẩm rất khó phát hiện với công nghệ hiện nay. Đặc biệt là đối với những sản phẩm đã được lắp đặt đầy đủ kinh kiện là một thành phẩm hoàn chỉnh.

Những hỏng hóc do ESD gây ra có ba nguồn gốc như sau:
1. Phóng tĩnh điện trực tiếp từ một nguồn phát sinh tĩnh điện đến thiết bị

2. Phóng tĩnh điện từ chính bản thân thiết bị ( thiết bị có sự chênh lệch điện thế đến vật khác)

3. Phóng tĩnh điện do hiện tượng cảm ứng.

Có những loại linh kiện chịu được đến hàng trăm volt nhưng cũng có những loại linh kiện chỉ chịu được vài chục volt.