Một bo mạch điện tử được kiểm tra thế nào trước khi rời nhà máy?

Có một chuyện khá ngược đời trong sản xuất điện tử: Một cú điện giật đủ mạnh để chúng ta cảm thấy chưa chắc đáng sợ bằng một cú phóng điện mà chúng ta hoàn toàn không biết nó vừa xảy ra.
Anh em chắc từng gặp tình huống đi trên thảm, chạm vào tay nắm cửa rồi nghe một tiếng “tách” và giật nhẹ ở đầu ngón tay. Đó là Electrostatic Discharge – ESD, hay phóng tĩnh điện. Ngoài đời nó thường chỉ gây khó chịu vài giây nhưng bên trong một nhà máy sản xuất bo mạch, chip, cảm biến hoặc thiết bị điện tử, ESD lại là một câu chuyện hoàn toàn khác.

Điều đáng sợ là chúng ta thường không cảm nhận được nó

NASA cho biết con người thường chỉ bắt đầu cảm nhận rõ một cú phóng tĩnh điện khi điện áp lên tới khoảng 3.000 V. Trong khi đó, một số linh kiện điện tử nhạy cảm có thể bị ảnh hưởng ở mức điện áp thấp hơn rất nhiều; NASA từng dẫn ví dụ rằng một số linh kiện chuyên dụng có thể bị hư hại bởi ESD chỉ khoảng vài chục volt.

Nghĩa là một người có thể: cầm bo mạch, chạm vào linh kiện, đặt PCB xuống Jig, không thấy tia lửa., không nghe tiếng nổ, không cảm thấy bị điện giật và vẫn có khả năng vừa tạo ra một sự kiện ESD.
Đây chính là lý do chống tĩnh điện trong nhà máy trông có vẻ hơi “quá kỹ” với người ngoài: vòng tay, giày, thảm, bàn làm việc, khay chứa, nhíp, quạt ion… Nhưng tất cả những thứ đó tồn tại vì cơ thể con người không phải một cảm biến ESD đủ nhạy.

Tĩnh điện từ đâu ra?

Không cần nguồn điện cao thế, chỉ cần hai vật liệu tiếp xúc rồi tách ra là đã có thể tạo điện tích tĩnh. Đi bộ trên sàn, kéo một túi nhựa khỏi bàn, ngồi xuống rồi đứng dậy khỏi ghế, bóc băng dính, cởi áo khoác, di chuyển linh kiện trong khay nhựa.

Đây là hiện tượng triboelectric charging – nhiễm điện do tiếp xúc và phân tách vật liệu. Theo EOS/ESD Association, trong điều kiện độ ẩm thấp, chỉ riêng việc đi trên thảm có thể tạo điện thế lên tới hàng chục nghìn volt; mức điện tích tạo ra giảm đáng kể khi độ ẩm tăng. Đó cũng là lý do những ngày hanh khô thường khiến chúng ta dễ gặp tĩnh điện hơn. Vấn đề là điện áp cao không đồng nghĩa với năng lượng lớn như điện lưới. Nhưng với cấu trúc bán dẫn cực nhỏ, một xung rất nhanh tại đúng vị trí không mong muốn vẫn có thể gây hư hỏng.

Hãy tưởng tượng ESD như một tia sét cực nhỏ

Một IC hiện đại có những lớp vật liệu và cấu trúc dẫn điện cực kỳ nhỏ. Khi một lượng điện tích đang nằm trên cơ thể hoặc một vật thể bất ngờ tìm được đường phóng qua chân linh kiện, dòng điện có thể tập trung trong thời gian cực ngắn.
Ở quy mô con người, gần như chẳng có gì xảy ra.
Ở quy mô transistor, câu chuyện khác hoàn toàn.
Để mô phỏng trường hợp con người mang điện tích rồi chạm vào linh kiện, ngành điện tử sử dụng một mô hình gọi là Human Body Model – HBM. HBM mô phỏng điện tích tích tụ trên người rồi phóng qua linh kiện. Đây là một trong những mô hình tiêu chuẩn được sử dụng để đánh giá độ nhạy ESD của thiết bị bán dẫn. Nhưng con người không phải nguồn ESD duy nhất.

Có trường hợp linh kiện tự trở thành “nguồn phóng điện”

Một khái niệm khác là Charged Device Model – CDM. Thay vì con người mang điện rồi truyền sang linh kiện, chính thiết bị hoặc linh kiện có thể bị tích điện. Sau đó nó chạm vào một điểm dẫn điện. Điện tích thoát ra rất nhanh.
ESD Association cho biết HBM và CDM là hai mô hình chính được dùng để phân loại độ nhạy ESD của linh kiện; chúng đại diện cho hai dạng sự kiện khác nhau và không thể đơn giản quy đổi điện áp của mô hình này sang mô hình kia. Điều này đặc biệt đáng chú ý khi nhà máy ngày càng tự động hóa.
Một dây chuyền có thể gần như không có người chạm sản phẩm nhưng vẫn có:khay nhựa, băng tải,
Jig, cơ cấu gắp, vật liệu cách điện, robot, và rất nhiều quá trình tiếp xúc – tách rời.
Không có người không có nghĩa là không có tĩnh điện.

Hư ESD không phải lúc nào cũng là “chết ngay”

Đây mới là phần đáng ngại. Nếu IC bị ESD phá hỏng hoàn toàn, đôi khi lại dễ xử lý hơn. Máy test báo NG. Bo mạch bị loại. Kỹ thuật tìm lỗi. Xong.
Nhưng ESD Association còn đề cập tới dạng latent defect – lỗi tiềm ẩn. Linh kiện có thể vẫn vượt qua bài test ban đầu nhưng đã bị suy giảm. Sau một thời gian sử dụng, sản phẩm mới phát sinh lỗi sớm hơn dự kiến. Những lỗi kiểu này rất khó chứng minh và truy ngược về một sự kiện ESD đã xảy ra từ nhiều tuần hoặc nhiều tháng trước. Đây là lý do ESD liên quan trực tiếp tới reliability – độ tin cậy, chứ không chỉ tỷ lệ pass/fail trên dây chuyền. Một sản phẩm bật lên được hôm nay chưa chắc đã chứng minh rằng toàn bộ quá trình sản xuất trước đó đều hoàn hảo.

Vậy tại sao công nhân điện tử phải đeo dây ở cổ tay?

Cái dây nhìn khá đơn giản: một vòng đeo tay, một đoạn dây, rồi nối xuống điểm ground. Mục đích cơ bản là giữ cơ thể người ở mức điện thế kiểm soát được so với vùng làm việc, thay vì để điện tích tiếp tục tích tụ rồi bất ngờ phóng sang linh kiện. Các chương trình kiểm soát ESD còn có thể sử dụng hệ thống footwear/flooring, bề mặt làm việc phù hợp và nhiều phương án grounding khác nhau tùy môi trường.
Có một chi tiết khá thú vị: Không phải cứ đeo cái gì giống vòng chống tĩnh điện là đã được nối đất.

NASA từng thực hiện kiểm tra các loại “wireless wrist strap” và cảnh báo rằng chúng không tạo đường kết nối người dùng xuống ground như hệ thống wrist strap có dây truyền thống. Nói cách khác: Chống ESD không phải câu chuyện về phụ kiện. Nó là câu chuyện về kiểm soát điện thế.

Nhưng nối đất cũng chưa giải quyết được mọi thứ

Một vật dẫn điện có thể nối đất. Con người có thể nối đất. Nhưng một miếng nhựa cách điện thì sao?
Ta không thể cứ nối một sợi dây vào mọi miếng nhựa rồi chờ điện tích biến mất. Đây là một trong những tình huống mà ionizer – thiết bị ion hóa được sử dụng. Ionizer tạo ion dương và âm trong không khí để hỗ trợ trung hòa điện tích trên các vật thể khó nối đất trực tiếp. Ở nhà máy điện tử, chúng ta vì thế có thể bắt gặp: quạt ion, thanh ion, đầu thổi ion, hoặc các hệ thống ion hóa đặt tại khu vực thao tác. Những ai muốn hình dung các thiết bị chống tĩnh điện trong thực tế trông như thế nào có thể xem qua phần công nghệ chống tĩnh điện trên HTVTools. Trang này có các ví dụ về grounding, vòng tay ESD, vật liệu chống tĩnh điện và thiết bị ion hóa đang được sử dụng trong môi trường sản xuất. Điểm quan trọng là ionizer không phải thứ thay thế grounding. Nó giải quyết một nhóm vấn đề khác, đặc biệt là điện tích tồn tại trên những vật liệu cách điện mà không thể đơn giản nối xuống đất.

Một khu vực ESD tốt thực ra là cả một hệ thống

Nhìn một kỹ thuật viên đang sửa PCB, anh em có thể chỉ thấy: chiếc bàn, mỏ hàn, vòng tay. Nhưng nếu xây dựng một khu vực kiểm soát ESD đúng nghĩa, bài toán có thể liên quan tới nhiều thứ hơn:

Grounding cho người và thiết bị.
Bề mặt làm việc.
Sàn và giày.
Ghế.
Dụng cụ.
Khay và bao bì.
Quần áo.
Ionizer.
Vật liệu cách điện trong khu vực.
Cách vận chuyển linh kiện.
Kiểm tra định kỳ hệ thống grounding.

ANSI/ESD S20.20 và IEC 61340-5-1 là hai bộ yêu cầu quan trọng được sử dụng cho chương trình kiểm soát ESD đối với linh kiện và thiết bị điện tử nhạy cảm. ESD Association cho biết phạm vi của chương trình bao gồm cả sản xuất, lắp ráp, đóng gói, vận chuyển, kiểm tra và nhiều hoạt động xử lý linh kiện khác. Và đây lại là một ví dụ rất hay cho điều mình từng nói trong bài “Không phải cứ dùng robot là tự động hóa tốt”.
Có những thứ ảnh hưởng cực lớn tới chất lượng sản xuất nhưng nhìn chẳng “công nghệ” chút nào. Một chiếc vòng tay vài chục gram. Một mặt bàn. Một đôi giày. Một miếng foam. Một chiếc khay nhựa. Hay một luồng khí ion hóa.

Càng tự động hóa, ESD càng không biến mất

Có thể nghĩ rằng: "Robot làm hết rồi thì đâu còn người chạm linh kiện nữa?” Đúng một phần. Nhưng tự động hóa lại sinh ra những dạng tương tác khác.
Một PCB trượt trên rail.
Một linh kiện đi qua feeder.
Một khay nhựa tách khỏi sản phẩm.

Một cơ cấu vacuum pick-and-place nhấc component.
Một băng tải chạy liên tục.
Một robot đưa sản phẩm từ Jig này sang Jig khác.
ESD Association lưu ý rằng ngay cả trong các quá trình lắp ráp và kiểm tra tự động cao, sản phẩm nhạy ESD vẫn phải được kiểm soát trong nhiều bước khác nhau của nhà máy. Vì thế ESD không phải bài toán của riêng công nhân. Nó là bài toán của toàn bộ process.

Điều thú vị nhất: lỗi nguy hiểm nhất đôi khi không phát ra tiếng

Khi một động cơ hỏng, chúng ta nghe được.
Khi robot va chạm, máy báo alarm.
Khi PCB cháy, chúng ta nhìn thấy.
Nhưng ESD có thể xảy ra trong một phần cực nhỏ của giây. Không tia lửa. Không âm thanh. Không cảnh báo. Thậm chí sản phẩm vẫn chạy. Đó là lý do mình thấy chống tĩnh điện là một trong những công nghệ rất đặc trưng của ngành điện tử: Không phải để sửa một vấn đề chúng ta nhìn thấy, mà để ngăn một vấn đề có thể chúng ta sẽ không bao giờ biết đã từng xảy ra.
Và sau khi tìm hiểu ESD, có một thứ khác trong nhà máy điện tử cũng khá thú vị: Tại sao người ta phải làm phòng sạch? Một hạt bụi nhỏ tới mức mắt thường gần như không để ý được thì liệu có thực sự ảnh hưởng tới chip, camera, màn hình hay linh kiện điện tử đến mức nhà máy phải xây cả một căn phòng đặc biệt chỉ để kiểm soát nó?
Đó sẽ là chủ đề khá hay để mở tiếp phần sau của series “Những công nghệ ít được nhìn thấy bên trong nhà máy”.

Một bo mạch điện tử được kiểm tra thế nào trước khi rời nhà máy?

Điều đáng sợ là chúng ta thường không cảm nhận được nó

Tĩnh điện từ đâu ra?

Hãy tưởng tượng ESD như một tia sét cực nhỏ

Có trường hợp linh kiện tự trở thành “nguồn phóng điện”

Hư ESD không phải lúc nào cũng là “chết ngay”

Vậy tại sao công nhân điện tử phải đeo dây ở cổ tay?

Nhưng nối đất cũng chưa giải quyết được mọi thứ

Một khu vực ESD tốt thực ra là cả một hệ thống

Càng tự động hóa, ESD càng không biến mất

Điều thú vị nhất: lỗi nguy hiểm nhất đôi khi không phát ra tiếng

CHỦ ĐỀ TƯƠNG TỰ

Tính năng nằm sẵn trên iPhone suốt 5 năm nay mà nhiều người vẫn chưa từng dùng thử

Đá Thạch Anh trong Chip Apple A20

RAMageddon: khi cơn khát bộ nhớ của AI biến Samsung thành cỗ máy in tiền và nạn nhân là người dùng

Snapdragon 8 Elite Gen 6 rò rỉ: GPU 3 lõi Adreno Matrix, tối ưu AI và tiết kiệm pin