ESD Là gì? Toàn diện về định nghĩa, nguyên nhân, tác hại và giải pháp phòng chống

ESD -  Electrostatic Discharge, hay phóng tĩnh điện, là hiện tượng một dòng điện chạy đột ngột và tức thời giữa hai vật thể có điện thế khác nhau, được gây ra bởi sự mất cân bằng tĩnh điện. Hiện tượng này có thể xảy ra khi hai vật tiếp xúc trực tiếp hoặc khi một trường tĩnh điện mạnh phá vỡ môi trường cách điện giữa chúng.

Nguyên nhân chính gây ra ESD là sự tích tụ tĩnh điện trên bề mặt vật liệu, chủ yếu thông qua hiệu ứng ma sát khi hai vật liệu cọ xát và tách rời nhau. Các hoạt động đơn giản như đi bộ trên sàn, ngồi trên ghế, hoặc thậm chí là dòng không khí chảy qua một bề mặt cũng có thể tạo ra tĩnh điện.

Tác hại nghiêm trọng nhất của ESD là gây hư hỏng vĩnh viễn hoặc làm suy giảm chất lượng các linh kiện và vi mạch điện tử nhạy cảm. Một cú phóng tĩnh điện dù rất nhỏ, con người không cảm nhận được, cũng đủ để phá hủy các cấu trúc vi mô bên trong một con chip.

Các giải pháp phòng chống ESD cốt lõi tập trung vào việc ngăn chặn sự tích tụ tĩnh điện và tạo ra một đường dẫn an toàn để xả tĩnh điện xuống đất. Các biện pháp chính bao gồm việc tiếp địa cho nhân viên và thiết bị, sử dụng vật liệu chống tĩnh điện, che chắn linh kiện bằng túi bảo vệ và trung hòa ion trong không khí.

1. ESD - Phóng tĩnh điện là gì?

ESD - Electrostatic Discharge là sự giải phóng tĩnh điện một cách đột ngột khi hai vật thể có mức điện tích khác nhau được đưa lại gần nhau hoặc tiếp xúc với nhau. Về bản chất, nó là một dòng điện ngắn nhưng có thể có điện áp rất cao, tìm cách cân bằng lại sự chênh lệch điện thế. Một ví dụ quen thuộc trong đời sống là cảm giác bị giật nhẹ khi bạn chạm vào tay nắm cửa kim loại sau khi đi trên thảm len vào một ngày thời tiết khô hanh.

2. Nguyên nhân chính gây ra hiện tượng ESD

Mọi hiện tượng ESD đều bắt nguồn từ tĩnh điện, là sự mất cân bằng các điện tích trên bề mặt của một vật liệu. Sự mất cân bằng này được tạo ra chủ yếu bởi các cơ chế ma sát, cảm ứng và tiếp xúc trực tiếp. 

Chi tiết các cơ chế được liệt kê sau đây: 

• Ma sát Triboelectric Charging - Đây là nguyên nhân phổ biến nhất, xảy ra khi hai vật liệu khác nhau cọ xát vào nhau rồi tách ra. Trong quá trình này, electron sẽ di chuyển từ bề mặt vật liệu này sang vật liệu kia, khiến một vật tích điện dương và vật kia tích điện âm. Ví dụ: Đi giày trên sàn vinyl, quần áo cọ xát vào ghế.
• Cảm ứng Induction - Hiện tượng này xảy ra khi một vật tích điện được đưa lại gần một vật dẫn điện trung tính. Vật tích điện sẽ làm các điện tích trong vật dẫn điện phân tách ra, tạo ra một vùng có điện thế khác biệt. Nếu vật dẫn điện này sau đó được nối đất, nó có thể trở nên tích điện.
• Tiếp xúc trực tiếp Conduction - Khi một vật đã tích điện chạm vào một vật khác, nó sẽ truyền một phần điện tích của mình cho vật đó, gây ra hiện tượng ESD.

3. Tác hại của ESD đối với ngành công nghiệp điện tử

Trong khi một cú phóng tĩnh điện 3,000 volt mới đủ để con người cảm nhận được, chỉ cần một cú phóng 10 volt cũng có thể phá hủy một vi mạch bán dẫn hiện đại. Tác hại của ESD trong sản xuất điện tử là cực kỳ nghiêm trọng vì nó gây hư hỏng tức thời và hư hỏng tiềm ẩn 

Dưới đây là hai tác hại chính: 

• Hư hỏng tức thời - Catastrophic Failure: Đây là trường hợp linh kiện điện tử bị phá hủy hoàn toàn và không còn hoạt động ngay sau khi xảy ra ESD. Hư hỏng này có thể được phát hiện ngay trong quá trình kiểm tra chất lượng (QC) tại nhà máy, gây tổn thất về chi phí sản xuất và vật liệu.

  Trải nghiệm người dùng: Anh Quốc Trung, Quản lý chất lượng (QA/QC) tại một nhà máy lắp ráp điện tử ở Bắc Ninh, cho biết: "Chúng tôi từng có một lô hàng bị tỷ lệ lỗi lên đến 30% mà không rõ nguyên nhân. Sau khi điều tra, chúng tôi phát hiện ra hệ thống tiếp địa cho công nhân đã bị lỗi, gây ra các sự cố ESD hàng loạt lên bo mạch. Thiệt hại là rất lớn."

• Hư hỏng tiềm ẩn - Latent Defect: Đây là loại hư hỏng nguy hiểm và khó lường hơn, khi linh kiện chỉ bị suy yếu một phần do ESD nhưng vẫn vượt qua được khâu kiểm tra chất lượng. Thiết bị vẫn hoạt động bình thường ban đầu, nhưng sẽ bị giảm tuổi thọ và có thể hỏng hóc bất ngờ sau một thời gian ngắn khi đến tay người tiêu dùng, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến uy tín thương hiệu.

  

4. Các giải pháp phòng chống ESD hiệu quả

Để chống lại ESD, các nhà máy sản xuất phải thiết lập một Khu vực được Bảo vệ khỏi Tĩnh điện EPA - ESD Protected Area, nơi mọi yếu tố đều được kiểm soát chặt chẽ. Các giải pháp cốt lõi bao gồm:

• Tiếp địa - Grounding: Đây là biện pháp nền tảng và quan trọng nhất, nhằm tạo ra một đường dẫn an toàn để mọi điện tích tĩnh được xả xuống đất một cách có kiểm soát. Các thiết bị chính bao gồm: vòng đeo tay chống tĩnh điện, giày/dép chống tĩnh điện, thảm sàn và thảm bàn làm việc chống tĩnh điện, tất cả đều được kết nối với hệ thống nối đất chung.
• Sử dụng vật liệu chống tĩnh điện: Mọi vật dụng trong khu vực EPA, từ quần áo, ghế ngồi, hộp đựng, đến các công cụ như tuốc nơ vít, kìm, đều phải được làm từ vật liệu có khả năng chống tĩnh điện dẫn điện hoặc tán điện để ngăn chặn sự tích tụ điện tích.
• Che chắn Shielding: Các linh kiện điện tử nhạy cảm ESDS phải luôn được lưu trữ và vận chuyển trong các túi hoặc hộp chống tĩnh điện chuyên dụng. Các túi này có cấu tạo nhiều lớp, tạo ra một "lồng Faraday" bảo vệ linh kiện khỏi các trường tĩnh điện bên ngoài.

• Trung hòa Ion Ionization: Đối với các vật liệu cách điện không thể tiếp địa (như nhựa, xốp), việc sử dụng máy thổi ion ionizer là bắt buộc. Máy thổi ion sẽ tạo ra các ion âm và dương để trung hòa các điện tích tĩnh đang tích tụ trên bề mặt vật liệu cách điện.

  Theo bà Lan Anh, chuyên gia tư vấn hệ thống kiểm soát tĩnh điện theo tiêu chuẩn ANSI/ESD S20.20: “Nhiều người nghĩ chỉ cần đeo vòng tay chống tĩnh điện là đủ, nhưng đó là một sai lầm. Một chương trình kiểm soát ESD hiệu quả phải là một hệ thống tổng thể, tuân thủ ba nguyên tắc vàng: tiếp địa tất cả vật dẫn điện, loại bỏ hoặc trung hòa các vật liệu cách điện không cần thiết, và vận chuyển linh kiện trong các vật chứa được che chắn. Thiếu một trong ba, rủi ro vẫn còn nguyên.”

  

• 

5. Phân biệt các loại vật liệu chống tĩnh điện

Dựa trên điện trở bề mặt Surface Resistivity, vật liệu được chia thành 3 nhóm chính để sử dụng trong môi trường kiểm soát ESD.