O dano à eletricidade estática ainda é um problema enorme com a eletrônica?

Todos nós ouvimos os avisos para nos certificarmos de que estamos adequadamente aterrados ao trabalhar com nossos dispositivos eletrônicos, mas os avanços na tecnologia diminuíram o problema de danos causados ​​pela eletricidade estática ou ainda são tão comuns quanto antes? O post de perguntas e respostas do SuperUser de hoje tem uma resposta abrangente à pergunta de um curioso leitor.

A sessão de perguntas e respostas de hoje nos é oferecida por cortesia do SuperUser - uma subdivisão do Stack Exchange, um agrupamento de sites de perguntas e respostas conduzido pela comunidade..

Foto cedida por Jared Tarbell (Flickr).

A questão

Leitor de SuperUser Ricku quer saber se o dano de eletricidade estática ainda é um grande problema com a eletrônica agora:

Ouvi dizer que a eletricidade estática foi um grande problema há algumas décadas. Ainda é um grande problema agora? Eu acredito que é raro uma pessoa "fritar" um componente de computador agora.

Os danos causados ​​pela eletricidade estática ainda são um grande problema com a eletrônica??

A resposta

O contribuidor do SuperUser Argonauts tem a resposta para nós:

Na indústria, é chamado de Descarga Eletroestática (ESD) e é um problema muito maior agora do que nunca; embora tenha sido mitigado pela adoção bastante recente de políticas e procedimentos que ajudam a diminuir a probabilidade de danos causados ​​por ESD aos produtos. Independentemente disso, seu impacto na indústria eletrônica é maior do que muitas outras indústrias inteiras.

É também um enorme tópico de estudo e muito complexo, por isso vou apenas tocar em alguns pontos. Se você estiver interessado, existem inúmeras fontes, materiais e sites gratuitos dedicados ao assunto. Muitas pessoas dedicam suas carreiras a essa área. Os produtos danificados pela ESD têm um impacto muito real e muito grande em todas as empresas envolvidas na eletrônica, seja como fabricante, designer ou “consumidor”, e como muitas outras coisas tratadas em uma indústria, seus custos são repassados ​​para nos.

Da Associação ESD:

À medida que os dispositivos e o tamanho de seus recursos se tornam cada vez menores, eles se tornam mais suscetíveis a serem danificados pelo ESD, o que faz sentido depois de pensar um pouco. A resistência mecânica dos materiais usados ​​para construir a eletrônica geralmente diminui à medida que seu tamanho diminui, assim como a capacidade do material de resistir a rápidas mudanças de temperatura, geralmente referidas como massa térmica (como em objetos em escala macro). Por volta de 2003, os menores tamanhos de recursos estavam na faixa de 180 nm e agora estamos nos aproximando rapidamente de 10 nm.

Um evento de ESD que há 20 anos seria inofensivo poderia destruir a eletrônica moderna. Em transistores, o material de porta é frequentemente a vítima, mas outros elementos de transporte de corrente podem ser vaporizados ou derretidos também. Solda nos pinos de um IC (um equivalente de montagem de superfície como um Ball Grid Array é muito mais comum hoje em dia) em um PCB pode ser derretido, e o próprio silício tem algumas características críticas (especialmente seu valor dielétrico) que podem ser alteradas pelo calor elevado . Tomado completamente, pode mudar o circuito de um semicondutor para um sempre condutor, que geralmente termina com uma faísca e um mau cheiro quando o chip é ligado..

Tamanhos de recursos menores são quase inteiramente positivos da maioria das perspectivas de métricas; coisas como velocidades de operação / clock que podem ser suportadas, consumo de energia, geração de calor fortemente acoplada, etc., mas a sensibilidade a danos do que de outra forma seriam considerados quantidades triviais de energia também aumenta muito à medida que o tamanho do recurso diminui.

A proteção contra ESD é incorporada em muitos eletrônicos atualmente, mas se você tiver 500 bilhões de transistores em um circuito integrado, não é um problema tratável determinar o caminho que uma descarga estática levará com 100% de certeza.

O corpo humano é às vezes modelado (Human Body Model; HBM) como tendo 100 a 250 picofarads de capacitância. Nesse modelo, a voltagem pode ser tão alta (dependendo da fonte) quanto 25 kV (embora alguns afirmem que seja apenas de 3 kV). Usando os números maiores, a pessoa teria uma "carga" de energia de aproximadamente 150 milijoules. Uma pessoa totalmente "carregada" normalmente não estaria ciente disso e será descarregada em uma fração de segundo através do primeiro caminho de solo disponível, freqüentemente um dispositivo eletrônico.

Observe que esses números presumem que a pessoa não está usando roupas capazes de carregar uma carga adicional, o que normalmente é o caso. Existem diferentes modelos para calcular o risco de ESD e os níveis de energia, e fica bastante confuso muito rapidamente, já que eles parecem se contradizer em alguns casos. Aqui está um link para uma excelente discussão sobre muitos dos padrões e modelos.

Independentemente do método específico usado para calculá-lo, não é, e certamente não parece muita energia, mas é mais que suficiente para destruir um transistor moderno. Por contexto, um joule de energia é equivalente (de acordo com a Wikipedia) à energia necessária para levantar um tomate de tamanho médio (100 gramas) um metro verticalmente da superfície da Terra..

Isso cai no lado do “pior cenário” de um evento de ESD somente para humanos, onde o humano carrega uma carga e a descarrega em um dispositivo suscetível. Uma voltagem tão alta de uma quantidade relativamente baixa de carga ocorre quando a pessoa está muito mal aterrada. Um fator chave em quanto e quanto é danificado não é realmente a carga ou a voltagem, mas a corrente, que neste contexto pode ser considerada como baixa a resistência do caminho do dispositivo eletrônico a um aterramento..

As pessoas que trabalham em torno de eletrônicos geralmente são aterradas com tiras de pulso e / ou tiras de aterramento em seus pés. Eles não são “shorts” para aterramento; a resistência é dimensionada para evitar que os operários sirvam como para-raios (sendo facilmente eletrocutados). As faixas de pulso estão normalmente na faixa 1M Ohm, mas isso ainda permite a descarga rápida de qualquer energia acumulada. Itens capacitivos e isolados, juntamente com qualquer outra carga que gere ou armazene materiais, são isolados das áreas de trabalho, como poliestireno, plástico bolha e copos de plástico..

Existem literalmente inúmeros outros materiais e situações que podem resultar em danos por ESD (de diferenças de carga relativas positivas e negativas) a um dispositivo em que o próprio corpo humano não carrega a carga “internamente”, mas apenas facilita seu movimento. Um exemplo de nível de desenho animado seria usar um suéter de lã e meias enquanto atravessava um tapete, depois pegava ou tocava um objeto de metal. Isso cria uma quantidade significativamente maior de energia do que o próprio corpo poderia armazenar.

Um último ponto sobre quão pouca energia é necessária para danificar a eletrônica moderna. Um transistor de 10 nm (ainda não comum, mas será nos próximos dois anos) tem uma espessura de porta menor que 6 nm, que está se aproximando do que eles chamam de monocamada (uma única camada de átomos)..

É um assunto muito complicado, e a quantidade de dano que um evento ESD pode causar a um dispositivo é difícil de prever devido ao grande número de variáveis, incluindo a velocidade de descarga (quanta resistência existe entre a carga e o solo). , o número de caminhos para o solo através do dispositivo, umidade e temperatura ambiente, e muito mais. Todas essas variáveis ​​podem ser conectadas a várias equações que podem modelar o impacto, mas elas não são muito precisas para prever danos reais, mas melhor para enquadrar o possível dano de um evento..

Em muitos casos, e isso é muito específico da indústria (pense médico ou aeroespacial), um evento de falha catastrófica induzida por ESD é um resultado muito melhor do que um evento de ESD que passa por fabricação e teste sem ser notado. Eventos ESD não notados podem criar um defeito muito pequeno, ou talvez piorar um defeito latente pré-existente e não detectado, o que em ambos os cenários pode piorar com o tempo devido a eventos ESD menores ou uso regular.

Eles acabam resultando em uma falha prematura e catastrófica do dispositivo em um período de tempo artificialmente reduzido que não pode ser previsto pelos modelos de confiabilidade (que são a base para os cronogramas de manutenção e substituição). Devido a esse perigo, e é fácil pensar em situações terríveis (por exemplo, um microprocessador ou instrumentos de controle de vôo de um marcapasso), encontrar maneiras de testar e modelar defeitos latentes induzidos por ESD é uma área importante de pesquisa no momento..

Para um consumidor que não trabalha ou sabe muito sobre a fabricação de produtos eletrônicos, pode não parecer um problema. No momento em que a maioria dos produtos eletrônicos são embalados para venda, existem numerosas salvaguardas em vigor que impediriam a maioria dos danos causados ​​por ESD. Os componentes sensíveis são fisicamente inacessíveis e caminhos mais convenientes para o solo estão disponíveis (por exemplo, um chassi de computador está ligado a um terra, descarregando ESD nele quase certamente não danificará a CPU dentro do gabinete, mas, em vez disso, tomará o caminho de menor resistência terra através da fonte de alimentação da fonte de alimentação e da tomada de parede). Alternativamente, não são possíveis caminhos de transporte de corrente razoáveis; muitos telefones celulares têm exteriores não condutivos e só têm um caminho no solo quando são carregados.

Para o registro, eu tenho que passar por treinamento de ESD a cada três meses, então eu poderia continuar. Mas acho que isso deveria ser suficiente para responder sua pergunta. Acredito que tudo nesta resposta seja acurado, mas aconselho vivamente a lê-lo directamente para conhecer melhor o fenómeno se não tiver destruído a sua curiosidade por um bom tempo..

Uma coisa que as pessoas acham contraintuitivo é que os sacos que você vê frequentemente armazenados e enviados em eletrônicos (sacos antiestáticos) também são condutivos. Anti-estática significa que o material não coletará nenhuma carga significativa da interação com outros materiais. Mas no mundo do ESD, é igualmente importante (na medida do possível) que tudo tenha a mesma referência de tensão de terra.

Superfícies de trabalho (esteiras ESD), sacos ESD e outros materiais são tipicamente mantidos presos a um terra comum, simplesmente não tendo um material isolado entre eles, ou mais explicitamente, ligando caminhos de baixa resistência a um aterramento entre todas as bancadas de trabalho; os conectores para as pulseiras dos trabalhadores, o chão e alguns equipamentos. Há questões de segurança aqui. Se você trabalha em torno de explosivos e eletrônicos, sua pulseira pode ser amarrada diretamente ao chão, em vez de um resistor de 1M Ohm. Se você trabalha em torno de uma voltagem muito alta, você não iria se aterrar a todos.

Aqui está uma citação sobre os custos de ESD da Cisco, que pode até ser um pouco conservadora, já que os danos colaterais causados ​​por falhas de campo para a Cisco normalmente não resultam em perda de vida, o que pode elevar os 100x referidos por ordens de magnitude :

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