Todos nós já ouvimos os avisos para ter certeza de que estamos devidamente aterrados ao trabalhar em nossos dispositivos eletrônicos, mas os avanços na tecnologia diminuíram o problema de danos por eletricidade estática ou ainda é tão comum quanto antes? A postagem de hoje com perguntas e respostas sobre o superusuário tem uma resposta abrangente para a pergunta de um leitor curioso.
A sessão de perguntas e respostas de hoje chega até nós como cortesia do SuperUser – uma subdivisão do Stack Exchange, um grupo de sites de perguntas e respostas voltado para a comunidade.
Foto cedida por Jared Tarbell (Flickr).
A questão
O leitor de superusuário Ricku quer saber se os danos por eletricidade estática ainda são um grande problema com a eletrônica agora:
Ouvi dizer que a eletricidade estática era um grande problema há algumas décadas. Ainda é um grande problema agora? Acredito que seja raro uma pessoa “fritar” um componente de computador agora.
Os danos da eletricidade estática ainda são um grande problema com a eletrônica agora?
A resposta
O contribuidor SuperUser Argonauts tem a resposta para nós:
Na indústria, é conhecido como descarga eletrostática (ESD) e é muito mais um problema agora do que nunca; embora tenha sido atenuado um pouco pela adoção generalizada bastante recente de políticas e procedimentos que ajudam a reduzir a probabilidade de danos ESD aos produtos. Independentemente disso, seu impacto na indústria de eletrônicos é maior do que muitas outras indústrias inteiras.
É também um tópico de estudo enorme e muito complexo, portanto, irei 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. Produtos danificados por 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 coisas tratadas em uma indústria, seus custos são repassados para nos.
Da ESD Association:
Conforme os dispositivos e o tamanho de seus recursos ficam continuamente menores, eles se tornam mais suscetíveis a serem danificados por ESD, o que faz sentido depois de pensar um pouco. A resistência mecânica dos materiais usados para construir eletrônicos geralmente diminui à medida que seu tamanho diminui, assim como a capacidade do material de resistir a mudanças bruscas de temperatura, geralmente chamadas de massa térmica (assim como em objetos em macroescala). 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 ESD que 20 anos atrás teria sido inofensivo poderia destruir a eletrônica moderna. Em transistores, o material do portão é freqüentemente a vítima, mas outros elementos que transportam corrente podem ser vaporizados ou derretidos também. A solda nos pinos de um CI (um equivalente de montagem em superfície como um Ball Grid Array são muito mais comuns hoje em dia) em um PCB pode ser derretido, e o silício em si tem algumas características críticas (especialmente seu valor dielétrico) que podem ser alteradas por alto calor . De modo geral, ele pode mudar o circuito de um semicondutor para um sempre-condutor, que geralmente termina com uma faísca e um cheiro ruim quando o chip é ligado.
Tamanhos menores de recursos são quase inteiramente positivos da maioria das perspectivas de métricas; coisas como velocidades operacionais / de 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 conforme o tamanho do recurso diminui.
A proteção ESD está embutida em muitos eletrônicos hoje, mas se você tem 500 bilhões de transistores em um circuito integrado, não é um problema tratável determinar qual caminho uma descarga estática tomará com 100 por cento de certeza.
O corpo humano às vezes é modelado (Human Body Model; HBM) como tendo 100 a 250 picofarads de capacitância. Nesse modelo, a tensão pode ser tão alta (dependendo da fonte) quanto 25 kV (embora alguns afirmem apenas até 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 é descarregado em uma fração de segundo através do primeiro caminho terrestre disponível, frequentemente um dispositivo eletrônico.
Observe que esses números presumem que a pessoa não está usando roupas que possam pagar uma taxa adicional, o que normalmente é o caso. Existem diferentes modelos para calcular o risco de ESD e os níveis de energia, e isso se torna bastante confuso muito rapidamente, pois eles parecem se contradizer em alguns casos. Aqui está um link para uma excelente discussão de muitos dos padrões e modelos.
Independentemente do método específico usado para calculá-lo, não é e certamente não parece muita energia, mas é mais do que suficiente para destruir um transistor moderno. Para fins de 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 ESD somente humano, onde o humano está carregando uma carga e a descarrega em um dispositivo suscetível. Uma tensão tão alta de uma quantidade relativamente baixa de carga ocorre quando a pessoa está muito mal aterrada. Um fator chave no que e quanto é danificado não é realmente a carga ou a voltagem, mas a corrente, que neste contexto pode ser considerada como o quão baixa é a resistência do caminho do dispositivo eletrônico ao aterramento.
Pessoas que trabalham com eletrônicos geralmente são aterradas com pulseiras e / ou pulseiras de aterramento em seus pés. Eles não são “shorts” de aterramento; a resistência é dimensionada para evitar que os trabalhadores sirvam como pára-raios (sendo facilmente eletrocutados). As pulseiras estão normalmente na faixa de 1M Ohm, mas isso ainda permite a descarga rápida de qualquer energia acumulada. Os itens capacitivos e isolados, juntamente com qualquer outro material de geração ou armazenamento de carga, são isolados das áreas de trabalho, coisas como poliestireno, plástico bolha e copos plásticos.
Existem literalmente inúmeros outros materiais e situações que podem resultar em danos por ESD (tanto de diferenças de carga relativa positiva quanto negativa) em um dispositivo onde o próprio corpo humano não carrega a carga “internamente”, mas apenas facilita seu movimento. Um exemplo no nível de desenho animado seria vestir um suéter de lã e meias enquanto caminhava por um tapete e, a seguir, pegaria ou tocaria um objeto de metal. Isso cria uma quantidade significativamente maior de energia do que o próprio corpo poderia armazenar.
Um último ponto sobre a pouca energia necessária para danificar a eletrônica moderna. Um transistor de 10 nm (ainda não é comum, mas será nos próximos 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 danos 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 aterramento) , o número de caminhos para um aterramento 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 ainda não são terrivelmente precisas na previsão do dano real, mas melhor em enquadrar o possível dano de um evento.
Em muitos casos, e isso é muito específico do setor (pense na área médica ou aeroespacial), um evento de falha catastrófica induzida por ESD é um resultado muito melhor do que um evento de ESD que passa pela fabricação e pelos testes despercebido. Eventos de ESD despercebidos podem criar um defeito muito pequeno ou talvez piorar um pouco um defeito latente pré-existente e não detectado, que em ambos os cenários pode piorar com o tempo devido a eventos de ESD menores adicionais ou apenas ao uso regular.
Eles acabam resultando em uma falha catastrófica e prematura do dispositivo em um período de tempo artificialmente reduzido que não pode ser previsto por modelos de confiabilidade (que são a base para os cronogramas de manutenção e substituição). Por causa desse perigo, e é fácil pensar em situações terríveis (o microprocessador de um marcapasso ou instrumentos de controle de vôo, por exemplo), encontrar maneiras de testar e modelar defeitos induzidos por ESD latente é uma área importante de pesquisa no momento.
Para um consumidor que não trabalha ou não sabe muito sobre fabricação de eletrônicos, pode não parecer um problema. No momento em que a maioria dos produtos eletrônicos é embalada para venda, existem várias proteções no local que evitariam a maioria dos danos por ESD. Os componentes sensíveis são fisicamente inacessíveis e caminhos mais convenientes para um aterramento estão disponíveis (ou seja, um chassi de computador é amarrado a um aterramento, descarregar ESD nele quase certamente não danificará a CPU dentro do gabinete, mas em vez disso tomará o caminho de menor resistência para um ligação à terra através da fonte de alimentação e da tomada de parede). Alternativamente, nenhum caminho razoável de transporte de corrente é possível; muitos telefones celulares têm exteriores não condutores e só têm um caminho de aterramento quando estão sendo carregados.
Para que conste, eu tenho que passar pelo treinamento ESD a cada três meses, então eu poderia continuar. Mas acho que isso deve ser suficiente para responder à sua pergunta. Acredito que tudo nesta resposta seja correto, mas eu recomendo fortemente a leitura direta para me familiarizar melhor com o fenômeno, se eu não tiver destruído sua curiosidade para sempre.
Uma coisa que as pessoas consideram contra-intuitivo é que as bolsas que você freqüentemente vê os eletrônicos armazenados e enviados (bolsas antiestáticas) também são condutoras. Antiestático significa que o material não coletará nenhuma carga significativa da interação com outros materiais. Mas no mundo ESD, é igualmente importante (na melhor medida possível) que tudo tenha a mesma referência de tensão de aterramento.
Superfícies de trabalho (esteiras ESD), bolsas ESD e outros materiais são todos normalmente mantidos amarrados a um terreno comum, seja por simplesmente não ter um material isolado entre eles, ou mais explicitamente, conectando caminhos de baixa resistência a um aterramento entre todas as bancadas de trabalho; os conectores das pulseiras dos trabalhadores, o chão e alguns equipamentos. Existem questões de segurança aqui. Se você trabalhar com altos explosivos e eletrônicos, sua pulseira pode ser amarrada diretamente a um aterramento em vez de um resistor de 1M Ohm. Se você trabalhar em tensões muito altas, não terá nenhum aterramento.
Aqui está uma cotação sobre os custos de ESD da Cisco, que pode até ser um pouco conservadora, já que os danos colaterais de falhas de campo para a Cisco normalmente não resultam na perda de vidas, o que pode aumentar aquele 100x referido por ordens de magnitude :
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