KIẾM SOÁT VÀ GIẢM THIỂU EOS TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN TỬ

1. EOS LÀ GÌ?

EOS  Là sự vượt quá ngưỡng chịu đựng của thiết bị về điện áp, dòng điện hoặc công suất tiêu thụ gây ra hỏng hóc ngay lập tức hoặc tiềm ẩn làm giảm tuổi thọ của thiết bị.

Trải qua quá trình hàng chục năm đúc kết và phát triển đã đưa ra các chương trình kiểm soát và khả năng chịu đựng ESD của các linh kiện. Tuy nhiên đối với nguyên nhân gốc rễ của các hư hỏng vật lí ( EIPD) không có tài liệu nào chuyên sâu như vậy. Chỉ có một vài tài liệu đề cập đến mức độ tối đa cho phép của xung trong các công đoạn hàn, đo và thử nghiệm không được vượt quá 0.3V. Tuy nhiên việc triển khai một chương trình kiểm soát EOS toàn diện cần chỉ ra: cách đo, nơi đo và tần xuất đo cho mỗi nguyên nhân gốc rễ của EOS

Điều đầu tiên cần làm là xác định ngưỡng chịu đựng tối đa của linh kiện ( AMR)

Cần xác định ngưỡng  chịu đựng của các linh kiện không bị phá huỷ do các hiện tượng EOS gây ra trong nhà máy sản xuất. Tương tự như chương trình kiểm soát của ESD chỉ ra mức chịu đựng theo mô hình phóng tĩnh điện từ con người ( HBM) và từ chính linh kiện nhạy cảm ( CDM), vật dẫn điện không được nối đất ( IC). Đối với EOS cần chỉ ra các mức chịu đựng tối đa của thiết bị ( AMR). Mức chịu đựng này phục thuộc vào các thiết bị độc lập.

2. Phân loại EOS

Người ta phân chia các nguyên nhân gốc gây ra EOS làm 2 nhóm chính:

Nhóm không có nguồn điện và có nguồn điện

2.1 Nhóm có không có nguồn điện:

Ở bất kì vị trí nào kim loại tiếp xúc với nhau đều có thể xảy ra hiện tượng vượt ngưỡng của điện áp hoặc dòng điện. Dưới đây là các loại hiện tượng chính xảy ra:

1. Gắp thả linh kiện SMT
2. Lắp lắp linh kiện bằng tay
3. Kiểm tra bằng tay
4. Cắt mép
5. Reflow
6. Hàn bằng tay
7. Vệ sinh bản mạch
8. Vật liệu packing linh kiện không phù hợp dẫn đến nạp tĩnh điện cho linh kiện rồi phóng tĩnh điện khi tiếp xúc với bề mặt kim loại ( Ví dụ linh kiện ESDS rời cuộn reel sử dụng vật liệu đóng gói không phù hợp dẫn đến nạp tĩnh điện và sẽ phóng tĩnh điện khi được gắn lên bản mạch.
9. Wire-bonding
10. Làm sạch Wafer
11. Nạp tĩnh điện khi sử dụng phương pháp làm sạch bằng Plasma và phóng điện khi tiếp xúc với bền mặt dẫn điện.
12. Phóng điện từ các PCBA với nhau (CBE)
13. Phóng điện từ cable ( CDE)

2.2 Nhóm có không có nguồn điện:

Một số nguyên nhân gây ra lỗi EOS đối với thiết bị bao gồm:

1. Chuyển mạch cấp điện
2. Xung hoặc điện áp quá mức trên đường truyền điện hoặc tín hiệu ( AC,DC, EMI)
3. Công tắc, rơle kém chất lượng của dây nguồn điện, nối đất, tín hiệu
4. Sự khác biệt về điện áp giữa đất của thiết bị ngoại vi và DUT
5. Tín hiệu đầu vào, đầu ra, điều khiển bị quá mức

3 Nguồn AC, DC và nối đất không phù hợp

Vấn đề về nối đất thường là nguyên nhân chính dẫn đến lỗi EOS trên các thiết bị điện tử.

1. Đứt hoặc hở dây nối đất
2. Điện trở đất vượt quá mức cho phép
3. Ổ cắm điện bị hỏng hoặc kém chất lượng.
4. Ngược dây trung tính và dây nối đất- không thể kiểm tra được bằng các máy kiểm tra thông thường.

Dòng điện quay trở lại dây nối đất làm tăng điện áp- thường gặp với điện áp DC trong thiết bị

4.4 EMI bao gồm cả hư hỏng vật lý

Các thiết bị điện có tần số cao trong các công đoạn sản xuất là nguồn gây ra EOS đối với các linh kiện nhạy cảm.

4.5 Cơ bản về chuẩn đoán lỗi EMI

Trong tài liệu này phần lớn đề cấp đến các EMI được định nghĩa là các xung ( điện áp hoặc dòng điện) với phổ từ 10kHz trở lên và thường các xung này sẽ gảm dần ở tần số 2MHz trở lên.

Phần lớn các tín hiệu EMI trong nhà máy có tính tạm thời.

Điện áp đỉnh xung lên đến 7-8V trong động cơ Servor

4.6 Thiết bị đo EMI

Do bản chất mang tính thời điểm của tín hiệu EMI nên thiết bị hiện sóng ( Osiloscope) là thiết bị phù hợp nhất được sử dụng. Để có thể bắt được dao động của tín hiệu khi kim loại tiếp xúc với nhau cần máy có tần số >200MHz. Có thể sử dụng một số thiết bị dạng khác để bắt được các xung này. Ví dụ như Voltmeters tần số cao để bắt các đỉnh xung xuất hiện. Thông thường chúng ta sẽ sử dụng phép đo điện áp để phát hiện nhiễu trong hệ thống điện.

4.8 Nguồn EMI trong môi trường nhà máy

Bất kì thiết bị điện, điện tử nào tiêu thụ điện dạng không tuyến tính đều có khả năng trở thành một nguồn phát nhiễu EMI. Những thay đổi đột ngột của dòng điện tiêu thụ là nguyên nhân dẫn tới thay đổi điện áp  và hình thành EMI.

• Chuyển mạch đột ngột:

Ví dụ như việt bật tắt một thiết bị có công suất lớn tạo ra một tín hiệu xung mạnh. Ví dụ như xung điện áp của súng nhiệt. Tải càng lớn thì xung càng mạnh. Loại xung này không theo một mô hình nào và có thể bắt nguồn từ khá xa điểm đo và lan truyền qua đường điện hoặc nối đất.

• Dimer

Các dimer ( bộ điều chỉnh điện áp) của các thiết bị điện như đèn của kính hiển vi, bộ gia nhiệt…: tạo ra các xung định kì, đồng bộ với tần số dây điện.

• Nguồn chuyển đổi AC/DC

Nguồn điện chế độ chuyển mạch tạo ra điện áp DC từ nguồn điện xoay chiều bằng các xung tần số cao (thường nằm trong khoảng từ 40 kHz đến 200 kHz). Các xung này có các cạnh sắc là thủ phạm chính gây ra nhiễu không mong muốn.

• UPS

Khi mất điện UPS sẽ tái tạo nguồn điện xoay chiều chính từ pin bên trong. Tuy nhiên, công suất đầu ra trong trường hợp mất điện chính lại khác xa so với sóng sin mong đợi. Rất có thể đó là sóng vuông có các cạnh sắc gây ra nhiễu đáng kể ở đầu ra.

• Servo và bộ điều tốc động cơ

Thật không may, những động cơ này cũng là nguồn EMI mạnh nhất trong các công cụ. Các xung thường dao động từ 8 kHz đến 20 kHz với các cạnh sắc chỉ dài vài nano giây điều khiển các động cơ này.

Dòng điện này được đo bằng đầu dò dòng điện Tektronix CT1 và với tỷ lệ 5 milivôn/miliampe, phép đo đỉnh-đỉnh của dòng điện mặt đất gần bằng 2 ampe khi độ rộng của các xung dưới 100 ns.

• CFL và đèn LED

Không giống như đèn sợi đốt có hành vi điện là tuyến tính, đèn CFL và đèn LED tiêu thụ dòng điện theo xung gây ra EMI trên đường dây điện

• Xung điện áp

Các xung điện áp ngắn hoặc xung điện áp tăng đột biến trên đường dây điện xoay chiều thường gặp trong mọi môi trường, đặc biệt là trong môi trường sản xuất, nơi mà việc chuyển mạch các tải cảm ứng lớn là phổ biến. Các xung điện áp này có thể đạt tới vài nghìn vôn và có thể gây hại cho cả hai thiết bị cũng như chính thiết bị sản xuất.

4.10 EMI gây phát huỷ như thế nào?

• EMI gây nhiễu trong nguồn và tín hiệu
• EMI trong đất

Bên dưới là điện áp đo được giữa cánh tay robot và Jig giữ IC nhạy cảm về EOS, Sự chênh lệch này gây ra bởi nhiễu trong hệ thống nối đất.

5.Giảm thiểu ảnh hưởng của EMI trong nhà máy điện tử

Mặc dù các thiết bị được thiết kế để không sinh ra EMI trong quá trình hoạt động bình thường của nó nhưung thực tế không phải vậy. Cách hiệu quả nhất để hạn chế EMI là ngăn chặn sự ảnh hưởng của nó.

• Giảm nhiễu AC
• Mỏ hàn
• Servo Motor và bộ điều tốc
• Nối đất
• Gai nhiễu điện áp
• Nguồn DC

1. Giảm nhiễu AC

Trong các nhà máy sản xuất có nhiều nguồn sinh ra nhiễu EMI. Một số nguồn phát sinh EMI này gây hại cho các thiết bị nhạy cảm với EMI. Do đó cần có bộ lọc nhiễu để giảm thiểu nhiễu giữa Nguồn EMI và thiết bị nhạy cảm với nhiễu.

Nhiễu trước và sau khi đi qua bộ lọc

2. Giảm nhiễu Servo Motor và bộ điều tốc

3. Giảm nhiễu hệ thống nối đất.

Đối với hệ thống nối đất phụ trợ sẽ có nhiều EMI và lan truyền trong toàn bộ hệ thống. Do đó cần sử dụng bộ lọc EMI để hạn chế và giảm tối đa nhiễu EMI trong hệ thống nối đất này.

4. Lọc xung trong đường điện áp