Việc kiểm tra hiện tượng phóng điện tĩnh điện hiện đã trở thành bước bắt buộc đối với hầu hết các sản phẩm điện tử, cụm lắp ráp công nghiệp, thiết bị thông minh, mô-đun chạy bằng pin cũng như các thiết bị yêu cầu an toàn. Trong thực tế, các trường hợp phóng điện tĩnh điện không lường trước được có thể làm hỏng các cổng bán dẫn, phá hủy mạch logic điều khiển vi xử lý, làm sai lệch giá trị cảm biến hoặc gây ra hiện tượng khởi động lại không liên tục trên các bo mạch điện tử. Các kỹ sư sẽ tái tạo lại những lỗi này trong điều kiện được kiểm soát với sự hỗ trợ của các thiết bị kiểm tra hiện tượng này. Súng giả lập ESD Mô phỏng các hình dạng và mức năng lượng phóng điện được định nghĩa theo tiêu chuẩn IEC. Tuy nhiên, độ chính xác của các thử nghiệm phụ thuộc đáng kể vào hoạt động đúng đắn của thiết bị mô phỏng và các yếu tố khác. Thiết bị mô phỏng có thể cho kết quả sai khi hoạt động ngoài phạm vi thông số kỹ thuật và các biện pháp khắc phục được thực hiện nhằm sửa chữa các bộ phận bị lỗi của sản phẩm.
Khó khăn nằm ở chỗ việc đánh giá ESD không chỉ đơn thuần là một sự kiện phóng điện duy nhất; dạng sóng, thời gian tăng, cực tính, cơ chế phóng điện, thao tác của người vận hành và tính toàn vẹn của hệ thống nối đất đều ảnh hưởng đến kết quả. Những sai lệch nhỏ cũng dẫn đến những lỗi không nhất quán. Do đó, việc nắm rõ những lỗi thường gặp của súng kiểm tra ESD và khắc phục chúng một cách thích hợp là rất quan trọng.

Hình: Súng giả lập ESD

Dạng sóng phóng điện không ổn định trong các chu kỳ lặp lại

Một vấn đề nghiêm trọng khác trong bất kỳ quy trình mô phỏng nào là sự thiếu nhất quán về độ ổn định của dạng sóng. Dạng sóng theo tiêu chuẩn IEC phải được xác định chính xác về thời gian tăng và giá trị đỉnh. Sự hao mòn của tụ điện bên trong, sự suy giảm mạch sạc hoặc sự nhiễm bẩn điện cực gây ra sự thay đổi dạng sóng. Khi điều này xảy ra, dòng điện đỉnh sẽ tăng vượt quá mức quy định hoặc giảm đáng kể, dẫn đến độ nhạy quá cao hoặc che giấu không đầy đủ độ nhạy của thiết bị.
Trong trường hợp xuất hiện các dạng xung không ổn định, các kỹ sư trước tiên cho rằng sản phẩm sẽ có đặc tính miễn nhiễm gián đoạn. Trên thực tế, có thể xảy ra lỗi khi thiết bị mô phỏng tái tạo lại các xung phóng điện tương tự. Cách khắc phục là kiểm tra dạng sóng bằng cách hiệu chỉnh điện trở shunt và máy hiện sóng. Trong trường hợp độ lệch vượt quá giá trị cho phép, cần thay thế khối tụ điện bên trong hoặc bảng điều khiển sạc bên trong thiết bị. Chức năng chẩn đoán được tích hợp trong các phiên bản tiên tiến hơn của máy kiểm tra ESD cũng cho phép ghi lại trực tiếp dạng sóng.

Lỗi chuyển mạch cực tính và thời gian thao tác không chính xác

Việc kiểm tra ESD phải được thực hiện với cực tính đảo chiều vì cực tính âm có tác động khác đến sự phá vỡ các mối nối trong chất bán dẫn so với cực tính dương. Một vấn đề phổ biến khác là sự hỏng hóc của các chỉ báo cực tính do rơle chuyển mạch bên trong bị mòn. Người vận hành có thể cảm thấy rằng họ đang sử dụng cực tính luân phiên trong khi trên thực tế, có các phóng điện lặp đi lặp lại sử dụng cùng một cực tính.
Có sự sai lệch về thời gian thao tác, dẫn đến sự không nhất quán hơn nữa. Khi người dùng nhả nút quá nhanh, chu kỳ sạc bên trong có thể không hoàn chỉnh, dẫn đến điện áp yếu.

Đường dẫn trở về mặt đất không nhất quán

Vai trò quan trọng nhất trong đánh giá ESD là nối đất. Việc không đảm bảo vỏ thiết bị mô phỏng nằm trong đường dẫn liên kết có độ tự cảm thấp với mặt phẳng nối đất sẽ gây ra hiện tượng phản xạ năng lượng phóng điện, xuất hiện dưới dạng các xung điện cao hơn hoặc thấp hơn mức chỉ định. Người dùng có thể chạm vào thiết bị cần kiểm tra (DUT) hoặc ở quá gần điểm phóng điện, và vô tình làm thay đổi đường dẫn ghép nối.
Việc hiệu chỉnh bao gồm kiểm tra điện trở nối đất giữa khung máy và điểm nối đất tham chiếu của bộ mô phỏng. Vị trí của các dây nối đất rất quan trọng – các dây này không được quấn quanh bàn hoặc các cấu trúc kim loại, chúng phải chạy thẳng mà không tạo thành vòng tròn. Hầu hết các phòng thí nghiệm thực hiện kiểm tra bằng đồng hồ vạn năng truyền thống; dòng điện tần số cao yêu cầu kiểm tra tập trung vào trở kháng, tức là độ tự cảm phải được giữ ở mức tối thiểu.

Hư hỏng các thành phần che chắn

Ở điện áp cao của phóng điện không khí, các phần tử chuyển mạch bên trong chịu ứng suất. Các thiết bị mô phỏng khác được thiết kế cho điện áp trên 25-30 kV, điều này khiến chúng dễ bị phóng điện hồ quang bên trong và ăn mòn tại rơle. Các tiếp điểm bên trong của chuyển mạch bị mòn và cuối cùng mất khả năng giữ điện thế ổn định. Loại hư hỏng này không nhất thiết gây ra sự cố ngay lập tức, mà chỉ biểu hiện lỗi gián đoạn ở điện áp cao.
Nhật ký bảo dưỡng trở nên hữu ích. Thiết kế của các máy kiểm tra ESD cao cấp bao gồm bộ đếm chu kỳ để đếm số lần phóng điện, cho phép thay thế phần cứng theo một số tiêu chuẩn bảo trì đã được thiết lập trước.

Bảng: Các kiểu lỗi thường gặp và biện pháp khắc phục

Ảnh hưởng của môi trường và điều hòa không khí trong phòng

Hiện tượng phóng điện tĩnh điện (ESD) không chỉ phụ thuộc vào thiết bị đo, độ ẩm và nồng độ không khí cũng có tác động đáng kể đến khe hở tia lửa điện hiệu quả. Ở độ ẩm thấp hơn, điện áp đánh thủng sẽ thấp hơn và hồ quang sẽ bắt đầu sớm hơn. Khi độ ẩm giảm xuống dưới 60%, sản phẩm có thể không vượt qua bài kiểm tra ở độ ẩm thấp dưới 30%. Các phòng thí nghiệm thường hướng dẫn sai về sự không ổn định của thiết bị cần kiểm tra (DUT), trong khi sự thay đổi của môi trường mới là nguyên nhân gốc rễ.
Việc lặp lại các thử nghiệm giúp duy trì sự ổn định môi trường tốt hơn. Việc ghi nhật ký nhiệt độ và độ ẩm vẫn được đưa vào hồ sơ đánh giá ở một số phòng thí nghiệm chuyên nghiệp. Những phòng thí nghiệm hiện đại hơn còn có bộ lọc triệt tiêu plasma giúp ổn định quá trình phóng điện ngay cả trong điều kiện độ ẩm thấp.

Sự xuống cấp của mạch sạc

Trong súng mô phỏng phóng tĩnh điện (ESD), dòng điện sạc luân phiên tích lũy và giải phóng năng lượng tốc độ cao. Sự hao phí do sự xuống cấp của màng tụ điện ảnh hưởng đến thời gian giữ điện tích. Khi khả năng giữ điện tích giảm quá sớm, thì điện áp phóng cực đại sẽ thấp. Các đội bảo trì không thay thế từng tụ điện riêng lẻ mà thay thế toàn bộ mô-đun sạc vì dung sai điện dung được thiết lập để lặp lại chính xác các dạng sóng.
Sự xuống cấp của mạch sạc cũng ảnh hưởng đến độ chính xác của việc đảo cực. Các thiết bị kiểm tra hiện đại sử dụng sự cân bằng điện tích được điều khiển bằng phần mềm, đảm bảo tính đối xứng trong cả quá trình xả thuận và xả nghịch. Phần cứng dần trở nên kém đối xứng hơn.

Xả kép ngoài ý muốn

Trong trường hợp phóng điện kép, điện tích dư còn lại ở đầu súng và được phóng ra sớm hơn so với thời điểm phóng điện mong muốn. Điều này khiến các kỹ sư nhầm tưởng rằng sản phẩm có điểm yếu. Nguyên nhân gốc rễ thường là do lớp cách điện ở đầu súng bị nhiễm bẩn, đường dẫn phóng điện bị hỏng hoặc nước bám trên bề mặt điện cực.
Hiện tượng kích hoạt kép ngoài ý muốn có thể được khắc phục bằng cách làm sạch đầu điện cực, làm khô vỏ ngoài hoặc thay thế cụm đầu. Trong trường hợp nghiêm trọng hơn, có thể xảy ra hiện tượng tích tụ tĩnh điện bên trong cơ cấu khớp nối. Để duy trì miếng đệm xả, nhà sản xuất khuyến nghị loại bỏ điện tích dư bằng cách sử dụng miếng đệm xả và sau đó lặp lại chu trình.

Người vận hành xử lý các biến thể

Có một vấn đề bị bỏ qua, đó là cách người vận hành cầm thiết bị. Trong trường hợp người dùng đặt tay lên kim loại nối đất hoặc nghiêng người về phía thiết bị cần kiểm tra (DUT), sự ghép nối sẽ thay đổi đáng kể. Điều này đòi hỏi sự tiếp xúc vuông góc và ổn định với nguồn phóng điện. Hầu hết các lỗi được cho là do điểm yếu của thiết bị đều xuất phát từ lỗi góc độ của người vận hành.
Hình học chuyển động không phải là yêu cầu tự động của máy thử nghiệm ESD. Máy này cần được đào tạo về quy trình, có các tín hiệu định vị cố định và khoảng cách phóng điện tiêu chuẩn để sử dụng trong việc đánh giá các hiện tượng phóng điện trong không khí. Có những phòng thí nghiệm sử dụng hệ thống định vị tự động với các thiết bị robot, nhờ đó giảm thiểu đáng kể sự khác biệt giữa người vận hành. LISUN Cung cấp các loại súng mô phỏng tĩnh điện ESD tốt nhất.

Phơi sáng quá mức do khoảng cách chu kỳ không chính xác

Sự phóng điện làm tăng nhiệt độ tạm thời của linh kiện cần kiểm tra (DUT). Khi lặp lại quá nhanh, sự gia nhiệt tích lũy sẽ gây ra sự cố hỏng hóc, điều này không xảy ra trong thực tế. Khoảng thời gian hợp lý giữa các lần phóng điện liên tiếp được sử dụng để ngăn ngừa các sự cố sai lệch.
Súng mô phỏng phóng tĩnh điện (ESD) có tính năng làm mát bên trong, nhưng cần phải làm mát bề mặt bên ngoài của thiết bị cần kiểm tra (DUT). Vỏ của các loại nhựa nhạy cảm có khả năng giữ nhiệt lâu hơn, điều này làm thay đổi tuổi thọ của các tia lửa điện tiếp theo.

Kết luận

An Súng giả lập ESD Đây là phương pháp mô phỏng tốt nhất sự cố tĩnh điện trong thực tế. Tuy nhiên, độ ổn định của phép đo phụ thuộc vào độ ổn định của dạng sóng, hiệu suất điện cực, tính toàn vẹn của đường nối đất, độ liên tục của môi trường, hình dạng phóng điện và ảnh hưởng của người vận hành. Các suy luận sai lệch không nhất thiết do sản phẩm kém chất lượng mà do thiết bị bị hư hỏng.
Việc dựa vào thiết bị kiểm tra ESD phù hợp, xác nhận dạng sóng, hệ thống chuyển mạch, các yếu tố môi trường được kiểm soát và vị trí phóng điện được ghi chép đầy đủ có thể cung cấp đánh giá chính xác. Các hệ thống này sẽ phát hiện ra những điểm yếu thực sự trong thiết kế khi được bảo trì và hiệu chuẩn đúng cách, thay vì những hiện tượng bất thường không tự nhiên, từ đó nâng cao cả sự an toàn và hiệu suất lâu dài của sản phẩm.