Biện pháp chống tĩnh điện trong phòng sạch

1. Sự phát sinh và Nguy cơ của Điện tĩnh

Điện tĩnh là kết quả của sự di chuyển electron bên trong hoặc giữa các vật liệu (bao gồm cả phân cực và dẫn điện). Khi hai vật liệu khác nhau tiếp xúc hoặc ở trong khoảng cách rất ngắn (ví dụ, 10–25 cm), các electron sẽ xuyên qua bề mặt tiếp giáp nhờ hiệu ứng xuyên hầm lượng tử, dẫn đến trao đổi electron. Khi đạt đến trạng thái cân bằng, một hiệu điện thế sẽ hình thành giữa hai vật liệu, tạo ra lượng điện tích dương và âm bằng nhau ở hai phía của bề mặt tiếp giáp. Nếu các vật liệu bị tách ra sau khi tiếp xúc, chúng sẽ mang theo các điện tích bằng nhau nhưng ngược dấu. Đây là nguyên lý cơ bản của sự phát sinh điện tĩnh.

Điện tĩnh chủ yếu được sinh ra theo ba cách:

• Nhiễm điện do ma sát : Khi hai vật liệu khác nhau tiếp xúc hoặc cọ xát vào nhau, các electron sẽ chuyển từ vật liệu có lực liên kết electron yếu hơn sang vật liệu có lực liên kết mạnh hơn, khiến một vật liệu mang điện tích dương và vật liệu kia mang điện tích âm.

• Nạp điện dẫn truyền : Đối với vật dẫn điện, các electron di chuyển tự do trên bề mặt. Khi vật dẫn điện tiếp xúc với vật mang điện, các electron sẽ chuyển dịch cho đến khi đạt được trạng thái cân bằng điện tích, tạo ra hiện tượng tĩnh điện.

• Nạp điện cảm ứng : Khi một vật dẫn điện được đặt trong một điện trường tĩnh bên ngoài, các electron sẽ phân bố lại do lực đẩy giữa các điện tích cùng dấu và lực hút giữa các điện tích trái dấu, gây ra sự mất cân bằng điện tích và hiện tượng tĩnh điện.

Từ những nguyên lý và phương pháp cơ bản về phát sinh điện tĩnh, có thể thấy rằng nhiều giai đoạn trong quá trình sản xuất và chế tạo các sản phẩm điện tử thông thường đều có thể phát sinh điện tĩnh. Trong quá trình chế tạo điện tử, các thao tác viên, bàn làm việc, dụng cụ, linh kiện và bao bì đều có thể bị tích điện. Ở bất kỳ đâu có điện tĩnh tồn tại, sự kiện ESD (xả tĩnh điện) sẽ xảy ra. Các mối nguy hiểm chính bao gồm dòng điện xả tức thời gây nhiễu trong mạch và làm dao động các điện thế chuẩn của đất (ví dụ như đất sản phẩm, đất tín hiệu), từ đó làm gián đoạn hoạt động bình thường của mạch điện.

Các mối nguy hiểm do điện tĩnh có những đặc điểm riêng biệt so với sét đánh hay nhiễu điện từ học:

• Tính ẩn tàng : Các sự kiện ESD thường không thể cảm nhận được bằng các giác quan con người, nhưng các linh kiện có thể bị hư hỏng mà người dùng không hề hay biết.

• Tính ẩn phát và hiệu ứng tích lũy : Một số thành phần có thể gặp phải tình trạng suy giảm hiệu suất sau khi tiếp xúc với ESD mà không bị hỏng ngay lập tức, nhưng có thể bị lỗi sau này trong quá trình sử dụng.

• Tính ngẫu nhiên : Hỏng hóc do ESD có thể xảy ra ở bất kỳ giai đoạn nào - sản xuất, chế tạo hoặc bảo trì - và khi tiếp xúc với bất kỳ vật thể mang điện nào, khiến nó trở nên rất khó dự đoán.

• Phức tạp : Tổn hại do ESD thường bị nhầm lẫn với các loại sự cố khác, dẫn đến chẩn đoán sai.

Đối với việc lắp ráp sản phẩm điện tử, tĩnh điện ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng, tỷ lệ thành phẩm và độ tin cậy của sản phẩm. Các biện pháp chống tĩnh điện một cách hệ thống phải được thực hiện trong phòng sạch để giảm thiểu rủi ro ESD trong quá trình sản xuất.

2. Bảo vệ chống tĩnh điện

Bảo vệ chống tĩnh điện hiệu quả thường tuân theo ba nguyên tắc cơ bản sau:

1. Giảm hoặc ngăn ngừa sự tích tụ điện tích tĩnh.

2. Thiết lập các đường dẫn xả tĩnh điện an toàn.

3. Triển khai các hệ thống giám sát điện tích tĩnh cần thiết và hiệu quả.

2.1 Hệ Thống Nối Đất

Một hệ thống nối đất chắc chắn là yếu tố thiết yếu để ngăn chặn sự tích tụ điện tích và cung cấp các đường dẫn xả an toàn. Nối đất tĩnh điện bao gồm việc kết nối các vật mang điện hoặc các vật có khả năng phát sinh điện tĩnh (vật không cách điện) xuống đất thông qua các vật dẫn điện, đảm bảo chúng duy trì cùng điện thế với đất. Điều này giúp tăng tốc độ di chuyển và rò rỉ điện tích, giải phóng hiệu quả các điện tích tĩnh để ngăn chặn sự tích tụ.

2.2 Kiểm Soát Môi Trường

Việc phát sinh và mức độ của điện tĩnh có liên quan mật thiết đến độ ẩm môi trường và nồng độ ion trong không khí. Điện thế tĩnh tỷ lệ nghịch với độ ẩm. Trong các môi trường siêu sạch như phòng sạch, nồng độ ion thấp khiến điện tĩnh dễ phát sinh hơn.

Cùng một hành động có thể tạo ra điện áp tĩnh điện khác nhau tới một bậc độ ẩm. Tuy nhiên, độ ẩm quá cao là không nên, vì có thể gây ngưng tụ trên thiết bị. Độ ẩm nên được duy trì trong khoảng hợp lý, ví dụ như 30%–75%.

3. Giám sát điện tĩnh

Độ ẩm cao có thể làm giảm tĩnh điện xuống mức mà con người không cảm nhận được, nhưng vẫn có thể gây hư hại cho các linh kiện nhạy cảm. Cách tiếp cận đúng là nhận thức rõ rằng độ ẩm cao sẽ kìm hãm sự phát sinh tĩnh điện, còn độ ẩm thấp sẽ làm trầm trọng thêm hiện tượng này. Đối với các sản phẩm đòi hỏi kiểm soát tĩnh điện nghiêm ngặt, ngoài các biện pháp bảo vệ truyền thống, việc giám sát và ghi lại tình trạng phát sinh tĩnh điện là cần thiết. Các giải pháp thực tế bao gồm hệ thống kiểm soát ra vào chống tĩnh điện và hệ thống giám sát tĩnh điện trực tuyến thời gian thực.

3.1 Hệ thống kiểm soát ra vào chống tĩnh điện

Để kiểm soát điện tĩnh tại nguồn, các hệ thống kiểm soát ra vào chống tĩnh điện được áp dụng tại các khu vực quan trọng. Các hệ thống này xác minh xem nhân viên bước vào khu vực kiểm soát tĩnh điện đã thực hiện đầy đủ các biện pháp hoặc trang bị thiết bị chống tĩnh điện phù hợp chưa. Các mô-đun chức năng bao gồm:

• Xác minh danh tính và phân quyền

• Kiểm tra dây đeo tay chống tĩnh điện và giày chống tĩnh điện

• Bảng điều khiển cấp độ

Để nâng cao hiệu quả, trong môi trường yêu cầu độ sạch cao, hệ thống kiểm soát ra vào có thể tích hợp với hệ thống buồng thổi khí. Bằng cách đưa tín hiệu kiểm soát ra vào vào hệ thống điều khiển cửa buồng thổi khí, tính hiệu lực của thiết bị chống tĩnh điện sẽ được đảm bảo kể từ thời điểm nhân viên bước vào khu vực làm việc.

3.2 Hệ thống giám sát điện tĩnh trực tuyến theo thời gian thực

Trong ngành sản xuất điện tử nói chung, các thiết bị đo điện tĩnh thường được sử dụng để kiểm tra vòng đeo tay chống tĩnh điện của nhân viên. Để tuân thủ tiêu chuẩn ISO 9001, các hồ sơ thường được đánh dấu thủ công trên các biểu mẫu. Tuy nhiên, nếu vòng đeo tay chống tĩnh điện bị hỏng trong quá trình vận hành, hoặc nếu một phần của hệ thống tiếp địa bị ngắt kết nối, thì rất khó để phát hiện sự cố ngay lập tức.

Để giải quyết vấn đề này, một số nhà máy điện tử tích hợp các mô-đun giám sát trực tuyến vào hệ thống tiếp địa của họ. Dựa trên tính toàn vẹn của mạch tiếp địa, hệ thống sẽ kích hoạt đèn báo đỏ (và tùy chọn cả cảnh báo âm thanh) nếu bất kỳ phần nào của mạch bị hở hoặc có điện trở quá cao (ví dụ: >10 Ω). Hệ thống này cho phép giám sát theo thời gian thực, loại bỏ nhu cầu ghi chép thủ công và lưu hồ sơ trên giấy mang tính hình thức.