Phóng tĩnh điện ESD là gì

Electrostatic Discharge hay ESD hay phóng tĩnh điện là một thực tế của cuộc sống hàng ngày và nó có tầm quan trọng đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử ngày nay.

Nhiều năm trước khi van nhiệt điện hay ống chân không được sử dụng, nó không phải là một vấn đề, và ngay cả với sự ra đời của transistor, ít người coi đó là một vấn đề. Tuy nhiên, khi MOSFET được đưa vào sử dụng, tỷ lệ hỏng hóc của thiết bị tăng lên, vấn đề đã được điều tra và người ta phát hiện ra rằng sự tích tụ điện tĩnh đủ để khiến lớp oxit trong thiết bị bị hỏng.

Kể từ đó, nhận thức về ESD đã tăng lên đáng kể vì nó đã được chứng minh là có ảnh hưởng đến nhiều thiết bị. Trên thực tế, nhiều nhà sản xuất ngày nay coi tất cả các linh kiện đều nhạy cảm với tĩnh điện, không chỉ các thiết bị MOS là dễ bị hư hỏng nhất.

Do tầm quan trọng gắn liền với ESD, các nhà sản xuất thiết bị điện tử đã chi rất nhiều tiền để đảm bảo nơi làm việc của họ được bảo vệ khỏi tác động của tĩnh điện. Các nhà sản xuất đảm bảo rằng các sản phẩm do họ sản xuất không có tỷ lệ hỏng hóc cao trong quá trình thử nghiệm sản xuất và có thể chứng minh độ tin cậy cao trong một thời gian dài.

ESD là gì

Tĩnh điện đơn giản là sự tích tụ điện tích giữa hai bề mặt. Nó phát sinh khi các bề mặt cọ xát với nhau và điều này dẫn đến sự dư thừa electron trên một bề mặt và thiếu hụt ở bề mặt khác.

Các bề mặt tích tụ điện tích có thể được coi là tụ điện. Điện tích sẽ vẫn ở nguyên vị trí trừ khi có một con đường mà nó có thể chảy qua. Vì thường không có đường dẫn thực mà điện tích có thể chảy qua đó nên điện áp vẫn ở nguyên vị trí trong một thời gian và điều này dẫn đến thuật ngữ “tĩnh điện”.

Tuy nhiên, khi tồn tại một đường dẫn, dòng điện sẽ chạy và điện tích sẽ giảm. Có một hằng số thời gian liên quan đến phóng điện. Điện trở cao sẽ có nghĩa là dòng điện nhỏ hơn sẽ chạy trong thời gian dài hơn. Điện trở thấp sẽ dẫn đến phóng điện nhanh hơn nhiều.

Rõ ràng là mức điện áp và dòng điện được tạo ra phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Kích thước của con người, mức độ hoạt động, đối tượng mà nó được tạo ra, và tất nhiên là độ ẩm của không khí. Tất cả những điều này đều có ảnh hưởng rõ rệt nên hầu như không thể dự đoán chính xác kích thước của phóng điện sẽ xảy ra.

Tuy nhiên, một trong những yếu tố chính ảnh hưởng đến điện áp được tạo ra là các loại vật liệu được cọ xát với nhau. Người ta thấy rằng các vật liệu khác nhau cho điện áp khác nhau. Điện áp được tạo ra phụ thuộc vào vị trí của hai vật liệu trong một chuỗi được gọi là chuỗi điện tribo.

Chuỗi điện tribo

Cái nào càng xa trong chuỗi thì hiệu điện thế càng lớn. Cái cao hơn trong chuỗi sẽ nhận điện tích dương và cái thấp hơn sẽ mang điện tích âm. Nhìn vào danh sách chuỗi điện tribo dưới đây, có thể thấy rằng việc chải tóc bằng lược nhựa sẽ làm phát sinh điện tích dương trên tóc và lược sẽ tích điện âm.

Chuỗi điện tribo

Điện tích dương

Da

Tóc

Vải

Lụa

Giấy

Bông

Gỗ

Cao su

Rayon

Polyester

Polythene

Nhựa pvc

Teflon

Điện tích âm

Có nhiều cách điện tích có thể được tích lũy. Ngay cả khi đi ngang qua một tấm thảm cũng có thể làm phát sinh một số điện áp rất lớn. Thông thường có thể làm phát sinh điện thế 10 kV. Trong trường hợp xấu thậm chí có thể dẫn đến điện thế gấp ba lần giá trị này. Ngay cả hành động đi ngang qua sàn vinyl có thể dẫn đến việc tạo ra điện thế khoảng 5 kV. Trên thực tế, bất kỳ hình thức chuyển động nào mà các bề mặt cọ xát với nhau sẽ dẫn đến việc tạo ra tĩnh điện. Một người nào đó làm việc trên băng ghế sử dụng các linh kiện điện tử có thể dễ dàng tạo ra điện thế tĩnh từ 500V trở lên.

Các ví dụ thực tế về ESD

Một trong những ví dụ thường thấy nhất về việc tạo ra điện tích là khi đi ngang qua một căn phòng. Ngay cả sự xuất hiện hàng ngày này cũng có thể tạo ra điện áp cao đáng ngạc nhiên. Các điện áp thực tế khác nhau đáng kể phụ thuộc vào nhiều yếu tố, nhưng có thể đưa ra các ước tính để minh họa mức độ của vấn đề.

Để minh họa mức độ của vấn đề, các trường hợp được trình bày chi tiết trong bảng dưới đây:

ĐIỆN ÁP ESD DO CÁC HÀNH ĐỘNG HÀNG NGÀY

Đây là những con số gần đúng và giả định độ ẩm tương đối lên đến 25%. Khi độ ẩm tăng, các mức này giảm xuống: với độ ẩm khoảng 75%, mức tĩnh điện có thể giảm khoảng 25 hoặc hơn. Tất cả những số liệu này rất gần đúng, vì chúng phụ thuộc vào các điều kiện cụ thể, nhưng nó cho chúng ta biết độ lớn cho các mức ESD.

Mặc dù kết quả từ ESD rất cao, nhưng chúng thường không được chú ý. Phóng tĩnh điện nhỏ nhất có thể cảm nhận được là khoảng 5kV, và thậm chí cường độ phóng điện này đôi khi chỉ có thể được cảm nhận. Lý do là mặc dù dòng điện cực đại thu được có thể rất cao, chúng chỉ tồn tại trong một thời gian rất ngắn và cơ thể không phát hiện ra chúng vì điện tích đằng sau chúng tương đối nhỏ. Điện áp có độ lớn này từ thiết bị điện tử hoặc thiết bị điện có nhiều dòng điện hơn và trong thời gian dài hơn sẽ có ảnh hưởng lớn hơn nhiều và có thể rất nguy hiểm.

Chuyển tĩnh điện

Có một số cách mà các điện tích tĩnh có thể được chuyển sang các thiết bị bán dẫn dẫn đến hư hỏng do ESD. Rõ ràng nhất là khi chúng bị chạm vào một vật có tính năng tích điện và dẫn điện. Ví dụ rõ ràng nhất là trường hợp có thể xảy ra khi thiết bị bán dẫn nằm trên bàn làm việc và ai đó đi ngang qua sàn và tích điện và sau đó cầm nó lên.

Ngón tay được tích điện sau đó truyền điện tích tĩnh rất nhanh cho thiết bị bán dẫn làm nó bị hỏng. Các công cụ có thể còn có hại hơn. Tua vít kim loại thậm chí còn dẫn điện hơn và sẽ truyền điện nhanh hơn và dẫn đến mức dòng điện cực đại cao hơn.

Tuy nhiên không nhất thiết phải chạm vào các linh kiện để gây ra hư hỏng. Các vật dụng như cốc nhựa mang điện tích rất cao và việc đặt nó gần IC có thể "tạo ra" điện tích trái dấu vào IC. Điều này cũng có thể làm hỏng thiết bị bán dẫn. Dây buộc bằng sợi nhân tạo cũng là một nguy cơ ESD vì chúng có thể tích điện và dễ dàng treo gần thiết bị điện tử nhạy cảm.

Cơ chế lỗi ESD

Có một số cách mà ESD có thể làm hỏng các linh kiện bán dẫn. Kết quả rõ ràng nhất là do điện áp tĩnh rất cao, làm tăng mức dòng điện đỉnh cao có thể gây cháy cục bộ. Mặc dù dòng điện chạy trong một khoảng thời gian rất ngắn nhưng mạch tích hợp rất dễ hư hỏng. Các liên kết dây nối hoặc các khu vực trong chip có thể bị hợp lại do dòng điện đỉnh cao.

Một cách khác mà hư hỏng có thể xảy ra do ESD là khi mức điện áp cao gây ra sự cố ở một bộ phận trong chính thiết bị. Nó có thể phá vỡ một lớp oxit trong thiết bị khiến thiết bị không thể hoạt động. Với kích thước trong một số vi mạch nhỏ hơn 1 micromet, không có gì đáng ngạc nhiên khi ngay cả điện áp tương đối thấp cũng có thể gây ra sự cố.

Ngoài việc thiệt hại từ ESD có thể phá hủy các thiết bị, nó cũng có thể tạo ra lỗi tiềm ẩn. Nguyên nhân là ESD không phá hủy hoàn toàn thiết bị mà chỉ làm thiết bị yếu đi, khiến thiết bị có nguy cơ hỏng hóc sau này. Những khuyết tật tiềm ẩn này thường không thể được phát hiện. Kết quả là mức độ tin cậy tổng thể bị giảm đáng kể, hoặc hiệu suất có thể bị giảm sút. Những hỏng hóc tiềm ẩn do ESD gây ra có thể rất tốn kém vì việc sửa chữa hạng mục đang được bảo hành sẽ tốn kém hơn nhiều so với việc sửa hạng mục đã bị lỗi trong nhà máy. Lý do là kỹ thuật viên sửa chữa thông thường cần sửa chữa tại chỗ hoặc cần được chuyển đến cơ sở sửa chữa.

Các lỗi tiềm ẩn có thể xảy ra khi kết nối được hợp nhất một phần bởi ESD. Thường thì một phần của dây dẫn đã bị phá hủy do phóng điện tĩnh khiến nó dễ bị tổn thương về sau. Một cách khác khiến chip bị hư hỏng là khi vật liệu do hư hỏng được lan truyền trên bề mặt của thiết bị bán dẫn và dẫn đến các đường dẫn thay thế.

Do thực tế là các linh kiện dễ dàng bị ESD làm hỏng, hầu hết các nhà sản xuất coi tất cả các thiết bị bán dẫn là thiết bị nhạy cảm với tĩnh điện. Đặc biệt hầu hết các thiết bị được sản xuất hàng loạt ngày nay đều sử dụng các linh kiện SMD có kích thước nhỏ hơn nhiều so với các linh kiện truyền thống và điều này khiến chúng dễ bị hư hại hơn do ESD.