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

ESD là gì?

Định nghĩa ESD (phóng tĩnh điện) là dòng điện xuất hiện đột ngột giữa hai vật có điện tích khác nhau khi chúng tiếp xúc, xảy ra đoản mạch hoặc khi điện môi giữa chúng bị phá vỡ. Tình trạng tĩnh điện này có thể được hình thành thông qua quá trình sạc ba chiều hoặc do cảm ứng tĩnh điện.

Khi nói đến ESD, chúng ta đang đề cập đến hiện tượng mà các vật mang điện tích khác nhau lại gần nhau hoặc khi lớp điện môi giữa chúng bị hỏng, thường dẫn đến việc tạo ra tia lửa điện có thể nhìn thấy.

Vật liệu ESD là gì?

ESD - Vật liệu chống tĩnh điện là dòng nhựa đặc biệt được chế tạo để giảm nguy cơ tĩnh điện, nói cách khác là giữ cho các thiết bị dễ xảy ra tĩnh điện được an toàn, không bị hư hại và tránh tia lửa điện vô tình làm đốt cháy chất lỏng hoặc dễ cháy.Vật liệu chống tĩnh điện này đóng vai trò như ‘Người bảo vệ’ -  chất bảo vệ, đảm bảo sự tích tụ tĩnh điện không gây hư hại cho các thiết bị nhạy cảm, với đồ vật dễ bắt lửa. 

Nguồn gốc của ESD

Nguyên nhân chính gây ra các sự cố ESD chính là do tĩnh điện. Tĩnh điện được sinh ra từ việc tích điện ba chiều, xảy ra khi hai vật liệu tiếp xúc rồi tách rời. Một số ví dụ quen thuộc mà bạn có thể gặp hàng ngày bao gồm: chà xát một cái lược nhựa lên tóc khô, cọ quả bóng vào áo len, hay khi mặc quần áo vào mùa đông... Trong những trường hợp này, việc tách rời giữa hai vật liệu dẫn đến sự tích tụ điện tích, tạo ra sự chênh lệch điện thế và cuối cùng gây ra hiện tượng phóng tĩnh điện. Một trong những nguyên nhân khác dẫn đến hiện tượng phóng tĩnh điện (ESD) là do cảm ứng tĩnh điện. Hiện tượng này xảy ra khi một vật có điện tích được đặt gần một vật dẫn điện nhưng lại không tiếp đất. Sự hiện diện của vật mang điện tạo ra một trường tĩnh điện, khiến cho các điện tích trên bề mặt của vật dẫn điện phân bố lại. Mặc dù tổng điện tích của vật không thay đổi, nhưng giờ đây nó có những vùng thừa điện tích âm và dương. ESD có thể xảy ra khi vật đó tiếp xúc với đường dẫn điện. Chẳng hạn, các vùng tích điện trên cốc hoặc túi xốp có thể tạo ra điện thế cho các linh kiện nhạy cảm với ESD gần đó thông qua cảm ứng tĩnh điện, và phóng tĩnh điện có thể xảy ra nếu linh kiện bị chạm vào bằng dụng cụ kim loại.

Ngoài ra, ESD cũng có thể phát sinh từ các hạt mang điện tích năng lượng xung quanh một vật thể, điều này trở thành một nguy cơ tiềm ẩn cho nhiều tàu vũ trụ.

Phóng tĩnh điện ESD là một trong hai sự cố liên quan đến tĩnh điện, sự cố còn lại được gọi là Sự bám hút (ESA – Electrostatic Attraction).

Các loại vật liệu ESD ?

Vật liệu chống tĩnh điện

• Vải: Hạn chế sự tạo ra tĩnh điện trên bề mặt vải khi có ma sát. Ứng dụng sản xuất quần áo bảo hộ ESD cho công nhân trong các nhà máy điện tử, phòng sạch, y tế.

• Nhựa:  Tích hợp các chất chống tĩnh điện để giảm sự tích tụ điện tích trên bề mặt nhựa. Ứng dụng sản xuất khay, hộp chứa linh kiện điện tử, băng chuyền và các dụng cụ khác.

• Cao su: Có khả năng hạn chế sự tích tụ tĩnh điện, thường làm thảm trải bàn làm việc, thảm trải sàn, thảm chống tĩnh điện, đế giày chống tĩnh điện.

• Băng keo: Ngăn ngừa tĩnh điện trong quá trình đóng gói và bảo quản sản phẩm nhạy cảm. Sử dụng trong quá trình đóng gói linh kiện điện tử, làm nhãn dán hoặc bọc bảo vệ.

• Túi: Bảo vệ các linh kiện điện tử khỏi sự tích tụ và phóng tĩnh điện. Đựng các thiết bị điện tử như bo mạch chủ, vi mạch, bộ nhớ, chip.

• Sơn: Thường phủ lên bề mặt sàn hoặc tường để ngăn chặn sự tích tụ tĩnh điện. Ứng dụng trong các khu vực phòng sạch, nhà máy điện tử, hoặc các khu vực lưu trữ hóa chất dễ cháy nổ.

• Dầu và chất bôi trơn: Sử dụng để bôi trơn các máy móc, bề mặt và thiết bị mà không gây ra tĩnh điện. Dùng trong các ngành công nghiệp sản xuất để bôi trơn băng tải, dây chuyền sản xuất và các máy móc nhạy cảm với tĩnh điện.

Vật liệu dẫn điện:

Các vật liệu dẫn điện được sử dụng rất rộng rãi trong đời sống hàng ngày và công nghiệp, từ hệ thống điện trong nhà, các thiết bị điện tử, đến hệ thống truyền tải điện quốc gia.

Vật liệu tan tĩnh điện:

Vật liệu tiêu tan tĩnh điện (ESD – Electrostatic Discharge Dissipative Materials) là những vật liệu được thiết kế để giảm thiểu hoặc tiêu tan sự tích tụ của điện tích tĩnh trên bề mặt của chúng. Điều này rất quan trọng trong các môi trường nhạy cảm với điện tích tĩnh, chẳng hạn như sản xuất linh kiện điện tử, nơi một sự phóng tĩnh điện (ESD) có thể gây hỏng hóc hoặc làm giảm tuổi thọ của các thiết bị.

Vật liệu tiêu tan tĩnh điện thường có khả năng dẫn điện yếu hơn so với vật liệu dẫn điện thông thường, nhưng đủ để cho phép các điện tích tĩnh thoát ra dần dần thay vì tích tụ và gây ra hiện tượng phóng tĩnh điện đột ngột. Các chất có sử dụng chế tạo vật liệu tan tĩnh điện:

• Chất dẻo: Những vật liệu này được sử dụng để sản xuất các thùng chứa, hộp lưu trữ, và bao bì cho các linh kiện điện tử.

• Cao su tiêu tan tĩnh điện: Được bổ sung các chất dẫn điện để trở thành vật liệu tiêu tan tĩnh điện, thường được sử dụng làm bề mặt làm việc, thảm chống tĩnh điện (ESD mat) trong các phòng thí nghiệm hoặc xưởng sản xuất.

• Kim loại và hợp kim có điện trở cao: Được dùng cho các bề mặt tiếp xúc hoặc dụng cụ cần dẫn điện yếu để tránh phát sinh điện tích.

Tại sao cần kiểm soát ESD?

Trong ngành sản xuất công nghiệp, ESD thường phát sinh trong quá trình máy móc hoạt động, khi người lao động di chuyển hoặc chuyển đổi vị trí. Đối với một số lĩnh vực, phóng tĩnh điện có thể được xem là điều bình thường và ít ảnh hưởng, thậm chí không được chú ý vì không gây tác động nghiêm trọng đến sản phẩm hay con người.

Tuy nhiên, trong các ngành như lắp ráp linh kiện điện tử, sản xuất vi mạch hay thiết bị điện tử, tác động của ESD lại rất lớn. Ngay cả một lượng phóng tĩnh điện nhỏ cũng có thể gây ra những hậu quả nghiêm trọng, khiến sản phẩm không đạt tiêu chuẩn thiết kế hoặc bị khuyết tật. Chính vì vậy, ngành sản xuất điện tử đặt ra những yêu cầu rất nghiêm ngặt về việc chống phóng tĩnh điện trong môi trường làm việc.

Phòng sạch điện tử là một yếu tố không thể thiếu trong các nhà máy điện tử, giúp đảm bảo các nguyên tắc chống tĩnh điện được thực hiện một cách tối ưu nhất.

Ngăn ngừa hư hỏng thiết bị điện tử do ESD

Tác động của ESD đến ngành công nghiệp điện tử

ESD (phóng tĩnh điện) có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến các thiết bị điện tử. Mặc dù không gây hỏng ngay lập tức, nhưng nó làm giảm chất lượng sản phẩm theo thời gian. Điều này không chỉ ảnh hưởng đến nhà sản xuất mà còn cả người tiêu dùng, vì chúng ta không thể đoán trước được khi nào sản phẩm sẽ gặp sự cố hay tuổi thọ của thiết bị sẽ bị rút ngắn.

Phóng tĩnh điện có thể dẫn đến những trục trặc và suy giảm chất lượng cho các linh kiện điện tử, thậm chí gây hư hại cho toàn bộ thiết bị, khiến chúng không hoạt động hoặc mắc phải nhiều lỗi không thể khắc phục. Những thiệt hại này xảy ra thông qua dòng điện và sóng điện từ trong môi trường làm việc.

Vì tính chất điện môi của các linh kiện và cụm điện tử, việc hoàn toàn ngăn chặn hiện tượng nhiễm tĩnh điện trong quá trình xử lý là điều không thể. Hầu hết các linh kiện nhạy cảm với ESD đều rất nhỏ, nên quy trình sản xuất và xử lý thường được thực hiện bằng máy móc tự động. Do đó, việc phòng ngừa ESD trở nên cực kỳ quan trọng trong các quy trình mà các bộ phận tiếp xúc trực tiếp với bề mặt thiết bị.

Ngoài ra, cần chú ý ngăn chặn ESD khi một linh kiện nhạy cảm được kết nối với các bộ phận dẫn điện khác trong cùng một sản phẩm.

Bảo vệ trong quá trình sản xuất

Sử dụng EPA (Khu vực bảo vệ điện tĩnh) là một giải pháp hiệu quả để đảm bảo an toàn cho các thiết bị điện tử trong quá trình sản xuất.Trong quá trình sản xuất, việc bảo vệ khỏi hiện tượng phóng tĩnh điện (ESD) rất quan trọng và được thực hiện thông qua 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 rộng lớn. Nguyên tắc cơ bản của EPA là không để những vật liệu dễ tích điện gần các thiết bị điện tử nhạy cảm với ESD. Tất cả các vật liệu dẫn điện cần phải được nối đất để ngăn chặn sự tích tụ điện tích trên các thiết bị này. Các tiêu chuẩn quốc tế, như từ Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế (IEC) hay Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ (ANSI), thường được sử dụng để xác định một EPA điển hình.

• Khu vực EPA: Việc phòng ngừa ESD trong EPA có thể bao gồm việc sử dụng các vật liệu đóng gói an toàn cho ESD, trang phục của công nhân lắp ráp có sợi dẫn điện, cũng như dây đeo cổ tay và chân để ngăn chặn sự tích điện trên cơ thể người lao động. Ngoài ra, thảm chống tĩnh điện hoặc vật liệu lát sàn dẫn điện cũng được sử dụng để dẫn điện tích ra xa khu vực làm việc. Kiểm soát độ ẩm cũng rất quan trọng, vì điều kiện ẩm ướt giúp ngăn cản sự hình thành điện tích tĩnh do lớp ẩm mỏng bám trên bề mặt, giúp tiêu tán điện tích hiệu quả hơn.

• Sử dụng Ion hóa: Bộ ion hóa sẽ được áp dụng đặc biệt trong trường hợp không thể nối đất các vật liệu cách điện. Hệ thống này sẽ giúp trung hòa các vùng bề mặt tích điện trên những vật liệu cách điện hoặc điện môi. Những vật liệu cách điện có khả năng nhiễm điện lên đến 2.000V cần được đặt cách xa các thiết bị nhạy cảm ít nhất 12 inch để tránh tình trạng nhiễm điện không mong muốn thông qua hiện tượng cảm ứng.

• Sử dụng vật liệu dẫn điện thấp: Một phương pháp hiệu quả khác để ngăn chặn hiện tượng phóng tĩnh điện (ESD) là sử dụng các vật liệu không dẫn điện quá mức nhưng vẫn có khả năng dẫn đi các điện tích tĩnh. Những vật liệu này được gọi là vật liệu tiêu tán tĩnh điện, với giá trị điện trở suất dưới 10^12 ohm-mét. Trong quá trình sản xuất tự động, những vật liệu này sẽ tiếp xúc với các khu vực dẫn điện của linh kiện điện tử nhạy cảm với ESD, và chúng cần phải được tiếp địa. Các vật liệu đặc biệt này có khả năng dẫn điện, nhưng rất chậm rãi. Tất cả điện tích tĩnh tích tụ sẽ được tiêu tan mà không gây ra sự phóng điện đột ngột, điều này có thể làm hỏng 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 cẩn thận trong suốt quá trình vận chuyển, xếp dỡ và lưu trữ. Hiện tượng tích tụ và phóng điện tĩnh có thể được giảm thiểu bằng cách kiểm soát điện trở bề mặt cũng như điện trở suất thể tích của vật liệu đóng gói. Bao bì cũng cần được thiết kế sao cho giảm thiểu ma sát hoặc sạc điện ba chiều do cọ xát trong quá trình vận chuyển.

Một ví dụ quen thuộc mà chúng ta thường thấy là các thiết bị bán dẫn và linh kiện máy tính thường được vận chuyển trong túi chống tĩnh điện, được làm từ nhựa dẫn điện một phần, hoạt động như một cái lồng Faraday, giúp bảo vệ bên trong khỏi ESD.

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

Ngoài những giải pháp đã đề cập ở trên trong lĩnh vực sản xuất điện tử, hãy cùng khám phá thêm những biện pháp chung để chống ESD trong các môi trường công nghiệp.

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

Điều quan trọng đầu tiên là phải xử lý các thiết bị ESDS tại các máy trạm an toàn tĩnh. Việc này không chỉ giúp ngăn ngừa mất năng suất do thiệt hại nghiêm trọng mà còn hạn chế việc phát sinh lỗi tiềm ẩn về chất lượng sản phẩm.

Vật liệu cách điện và kiểm soát tĩnh điện

Tại các trạm làm việc an toàn với tĩnh điện, cần sử dụng máy ion hóa không khí để trung hòa các điện tích tĩnh. Ngoài ra, có thể áp dụng chất chống tĩnh điện tại chỗ nhằm kiểm soát sự phát sinh và tích tụ điện tích tĩnh. Khi vận hành máy ion hóa, điều quan trọng là phải tuân thủ quy trình và lịch bảo trì để đảm bảo rằng các ion được tạo ra luôn ở mức cân bằng.

Cũng cần lưu ý rằng nên tránh đặt các nguồn tĩnh điện trong khoảng 1 mét xung quanh bàn làm việc an toàn. Nếu cần dùng súng hơi, hãy chọn loại không gây ra điện tích tĩnh trong dòng khí.

Giải quyết vấn đề từ nhân viên

Trước khi mở hộp bảo vệ chứa thiết bị nhạy cảm với tĩnh điện (ESDS), nhân viên cần phải xả điện tích trên cơ thể. Việc này có thể thực hiện bằng cách chạm tay vào bề mặt đất hoặc tốt hơn hết là đeo dây đeo tay chống tĩnh điện đã được tiếp địa. Khuyến khích mỗi công nhân sử dụng áo chống tĩnh điện cũng rất quan trọng.

Đào tạo và giáo dục về các biện pháp phòng ngừa ESD là điều không thể thiếu. Việc đánh giá thường xuyên cũng giúp tăng cường hiệu quả phòng ngừa ESD. Các thiết bị ESDS cần được bảo quản trong túi hoặc hộp chống tĩnh điện trong suốt quá trình lưu trữ và vận chuyển.

Sử dụng thiết bị bảo vệ ESD

Thiết bị bảo vệ tĩnh điện đóng vai trò quan trọng trong việc bảo vệ các thiết bị điện tử khỏi hư hỏng do ESD. Hệ thống lưu trữ những hàng hóa quan trọng cần có biện pháp bảo vệ chống lại phóng tĩnh điện. Trong quá trình này, các kỹ sư hệ thống cần lựa chọn chính xác tất cả các thành phần ESD phù hợp với yêu cầu của họ. Tuy nhiên, việc chọn lựa đúng các yếu tố bảo vệ ESD không phải là điều dễ dàng. Bảo vệ các thiết bị trên PCB khỏi tác động của ESD ngày càng trở nên phức tạp hơn.Vì vậy, việc các kỹ sư hệ thống nắm rõ các thông số dữ liệu là rất cần thiết trước khi quyết định lựa chọn giải pháp bảo vệ ESD phù hợp. Nếu thiết bị ESD không được lựa chọn đúng cách, hiệu suất sẽ bị giảm sút và có thể gây trở ngại cho hoạt động bình thường của mạch. Để giảm thiểu điện áp quá độ trong các hệ thống di động, thiết bị bảo vệ mạch cần phải đáp ứng những tiêu chí sau:

• Thời gian phản hồi nhanh

• Khả năng xử lý dòng ESD hiệu quả

• Hoạt động ổn định ở điện áp thấp

• Có khả năng xử lý nhiều lần phóng ESD

• Dòng điện rò rỉ tối thiểu và kích thước nhỏ gọn

Do đó, việc hiểu rõ các thông số kỹ thuật của các phần tử bảo vệ ESD là cực kỳ quan trọng để lựa chọn đúng thành phần cho thiết kế thành công.                                                                                                                                                                                                        

Quyết định chọn lựa một thành phần thích hợp sẽ phụ thuộc vào số lượng đường dây cần bảo vệ, không gian bảng mạch có sẵn và đặc tính điện của mạch.

Chống phóng tĩnh điện (ESD) là điều vô cùng quan trọng trong các lĩnh vực công nghiệp, đặc biệt là trong ngành điện tử. Hy vọng rằng bài viết này sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn về ESD và các phương pháp bảo vệ ESD, từ đó hỗ trợ tốt hơn cho quy trình sản xuất của bạn!

Tham khảo thêm:

• Puly là gì ? Cấu tạo, Phân loại 

• Rulo băng tải là gì? Cấu tạo & Ứng dụng