ESD là gì? Phóng tĩnh điện và cách kiểm soát trong sản xuất điện tử

ESD (electrostatic discharge) là phóng tĩnh điện: dòng điện xuất hiện đột ngột giữa hai vật có điện thế khác nhau khi chúng chạm vào hoặc đến rất gần nhau. Cú giật nhẹ khi chạm tay nắm cửa sau khi đi trên thảm là một ví dụ quen thuộc.

Trong sản xuất điện tử, ESD là nguyên nhân gây hỏng linh kiện mà công nhân thường không hề hay biết. Nhiều lần phóng điện quá nhỏ để con người cảm nhận nhưng vẫn đủ làm hỏng vi mạch, hoặc để lại hư hỏng ẩn khiến sản phẩm hỏng sớm khi đã đến tay khách hàng.

1. ESD là gì? Tĩnh điện và phóng tĩnh điện khác nhau thế nào?

Tĩnh điện là điện tích tích tụ trên bề mặt một vật do mất cân bằng electron. Điện tích này đứng yên cho đến khi có đường để thoát đi.

Phóng tĩnh điện (ESD) là lúc điện tích đó dịch chuyển rất nhanh sang vật khác có điện thế thấp hơn, thường chỉ trong khoảng nano giây. Năng lượng tập trung trong thời gian rất ngắn tạo nhiệt cục bộ, đủ làm nóng chảy hoặc đánh thủng các lớp mạch siêu nhỏ bên trong linh kiện.

2. ESD hình thành như thế nào?

Tích điện do ma sát (tiếp xúc rồi tách rời)

Khi hai vật liệu chạm vào nhau rồi tách ra, electron chuyển từ vật này sang vật kia, một vật mang điện dương, vật kia mang điện âm. Đi lại trên sàn, rút băng keo, kéo túi nilon, trượt khay nhựa trên mặt bàn đều có thể tạo điện tích.

Tích điện do cảm ứng

Một vật mang điện đặt gần vật dẫn (ví dụ bo mạch) làm điện tích trong vật dẫn phân bố lại. Nếu vật dẫn đó được chạm xuống đất đúng lúc này, nó có thể mang điện tích dù không hề chạm vào vật mang điện ban đầu.

Yếu tố làm tĩnh điện tích tụ nhiều hơn

• Độ ẩm thấp: không khí khô khiến điện tích khó thoát, tích tụ nhiều hơn.

• Vật liệu cách điện: nhựa thông thường, xốp, nilon, giấy tờ giữ điện tích rất lâu và không thể "xả" bằng nối đất.

• Con người di chuyển liên tục: cơ thể là nguồn tích điện phổ biến nhất trong nhà máy.

3. Vì sao ESD nguy hiểm với linh kiện điện tử?

Theo ESDA, con người thường chỉ cảm nhận được cú phóng điện từ khoảng 3.000 V trở lên. Trong khi đó, nhiều linh kiện có thể hỏng ở mức điện áp thấp hơn rất nhiều. Phần lớn các lần phóng điện gây hại vì vậy diễn ra mà không ai nhận ra.

Hỏng ngay (catastrophic failure)

Linh kiện hỏng hoàn toàn, không hoạt động. Loại này có thể phát hiện ở khâu kiểm tra, nhưng vẫn gây tốn kém vì phải loại bỏ, làm lại.

Hư hỏng ẩn (latent defect)

Linh kiện bị tổn thương nhưng vẫn hoạt động và qua được kiểm tra. Sau một thời gian sử dụng, tổn thương phát triển và sản phẩm hỏng sớm ngoài thị trường. Đây là loại nguy hiểm nhất vì gây khiếu nại, bảo hành và ảnh hưởng uy tín, trong khi nhà máy rất khó truy ra nguyên nhân.

4. Linh kiện nhạy cảm tĩnh điện (ESDS) là gì?

ESDS (electrostatic discharge sensitive) là các linh kiện, cụm lắp ráp, thiết bị có thể bị hỏng bởi phóng tĩnh điện, ví dụ vi mạch, bán dẫn, cảm biến, module, bo mạch đã lắp linh kiện.

Mức độ nhạy được đo bằng các mô hình thử nghiệm:

• HBM (Human Body Model – mô hình cơ thể người): mô phỏng phóng điện từ người chạm vào linh kiện.

• CDM (Charged Device Model – mô hình linh kiện tích điện): mô phỏng chính linh kiện mang điện rồi phóng điện khi chạm vào bề mặt dẫn điện, thường gặp trên dây chuyền tự động.

• MM (Machine Model): mô hình cũ mô phỏng phóng điện từ máy móc; hiện không còn được yêu cầu khi đánh giá linh kiện vì HBM và CDM đã đủ thông tin.

Ngưỡng chịu của linh kiện thường ghi trong tài liệu kỹ thuật (datasheet). Tiêu chuẩn kiểm soát ESD phổ biến được xây dựng để bảo vệ linh kiện có ngưỡng chịu từ 100 V theo HBM và từ 200 V theo CDM; linh kiện nhạy hơn cần biện pháp bổ sung.

5. ESD thường xảy ra ở đâu trong nhà máy?

• Khu vực nhận hàng, mở bao bì linh kiện.

• Dây chuyền lắp ráp bo mạch, hàn, sửa chữa.

• Khu vực kiểm tra, thử nghiệm chức năng.

• Đóng gói, lưu kho và vận chuyển nội bộ bằng khay, xe đẩy.

• Bất kỳ chỗ nào có vật cách điện để sát linh kiện: túi nilon, cốc nhựa, hồ sơ giấy, vỏ hộp xốp.

6. 4 nguyên tắc kiểm soát ESD

1. Nối đất mọi vật dẫn, kể cả con người: vòng đeo tay nối đất, giày và sàn chống tĩnh điện, bàn và dụng cụ nối về cùng một điểm đất để mọi thứ có cùng điện thế.

2. Loại bỏ hoặc trung hòa vật cách điện: đưa vật cách điện không cần thiết ra khỏi khu vực làm việc; với vật cách điện bắt buộc phải có, dùng thiết bị ion hóa để trung hòa điện tích.

3. Bảo vệ linh kiện khi ra ngoài khu vực kiểm soát: dùng bao bì chống tĩnh điện phù hợp khi lưu kho, vận chuyển.

4. Đào tạo và kiểm tra định kỳ: người lao động hiểu vì sao phải tuân thủ; thiết bị chống tĩnh điện được đo kiểm định kỳ để chắc chắn vẫn hoạt động.

Các biện pháp này được tổ chức trong khu vực bảo vệ tĩnh điện (EPA) — khu vực có ranh giới rõ ràng, nơi linh kiện ESDS được thao tác trực tiếp mà không có bao bì bảo vệ.

Độ ẩm có ảnh hưởng đến mức tích điện, nhưng kiểm soát độ ẩm không thay thế được nối đất và các biện pháp trên.

7. Tiêu chuẩn nào quy định chương trình kiểm soát ESD?

Hai tiêu chuẩn được dùng rộng rãi và tương đương về kỹ thuật:

• ANSI/ESD S20.20 (phiên bản 2021) của Hiệp hội EOS/ESD (ESDA).

• IEC 61340-5-1 (phiên bản 2024) của Ủy ban Kỹ thuật Điện quốc tế (IEC).

Hai tiêu chuẩn không quy định mua thiết bị nào, mà yêu cầu doanh nghiệp xây dựng chương trình kiểm soát ESD: có người phụ trách, kế hoạch bằng văn bản, đào tạo, đánh giá sản phẩm chống tĩnh điện và kiểm tra tuân thủ định kỳ. Doanh nghiệp có thể được tổ chức chứng nhận đánh giá và cấp chứng chỉ, thường do khách hàng trong ngành điện tử yêu cầu.

Xem chi tiết yêu cầu, hồ sơ và quy trình tại bài Tư vấn chứng nhận ANSI/ESD S20.20.

8. Câu hỏi thường gặp

ESD viết tắt của từ gì? ESD là viết tắt của electrostatic discharge, nghĩa là phóng tĩnh điện.

ESDS là gì? ESDS (electrostatic discharge sensitive) là linh kiện, cụm lắp ráp hoặc thiết bị nhạy cảm, có thể bị hỏng bởi phóng tĩnh điện.

Vì sao linh kiện bị hỏng do ESD mà không ai thấy? Con người thường chỉ cảm nhận phóng điện từ khoảng 3.000 V, trong khi linh kiện có thể hỏng ở mức thấp hơn nhiều. Hư hỏng ẩn còn khiến linh kiện vẫn qua kiểm tra và chỉ hỏng sau một thời gian sử dụng.

Khu vực EPA là gì? EPA (ESD protected area) là khu vực bảo vệ tĩnh điện có ranh giới rõ ràng, nơi các biện pháp nối đất, kiểm soát vật cách điện được áp dụng để thao tác linh kiện ESDS an toàn.

Chỉ cần đeo vòng tay chống tĩnh điện là đủ? Không. Vòng đeo tay chỉ nối đất cho người. Doanh nghiệp còn cần nối đất bề mặt, dụng cụ, kiểm soát vật cách điện, bao bì phù hợp, đào tạo và đo kiểm định kỳ.

Độ ẩm cao có ngăn được ESD không? Độ ẩm cao giúp giảm tích điện nhưng không loại bỏ được ESD và không thay thế được nối đất hay các biện pháp kiểm soát khác.

Doanh nghiệp có bắt buộc phải có chứng nhận ESD không? Không bắt buộc theo luật. Tuy nhiên nhiều khách hàng trong ngành điện tử yêu cầu nhà cung cấp có chương trình kiểm soát ESD đạt ANSI/ESD S20.20 hoặc IEC 61340-5-1.

9. Kết luận

ESD là rủi ro "vô hình" trong sản xuất điện tử: không thấy, không cảm nhận được, nhưng gây hỏng linh kiện và hư hỏng ẩn ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm. Kiểm soát ESD hiệu quả không nằm ở việc mua thêm thiết bị, mà ở một chương trình có hệ thống: nối đất, kiểm soát vật cách điện, bao bì, đào tạo và kiểm tra định kỳ.

TTS Cert tư vấn xây dựng chương trình kiểm soát ESD theo ANSI/ESD S20.20 và IEC 61340-5-1, đồng thời mở khóa đào tạo ESD cho doanh nghiệp.

Nguồn tham khảo

• ESDA – Fundamentals of Electrostatic Discharge

• ESDA – ANSI/ESD S20.20-2021

• IEC 61340-5-1:2024

• JPL/NASA – Electrostatic Discharge (ESD) Control Standard D-1348