Descarga eletrostática

No início deste livro, discutimos a eletricidade estática e como ela é criada. Isso tem muito mais significado do que se poderia supor, já que o controle da eletricidade estática desempenha um grande papel na eletrônica moderna e em outras profissões. Um evento de descarga eletrostática é quando uma carga estática é descarregada de uma forma não controlada e será referida como ESD daqui em diante.

O ESD vem em muitas formas, pode ser tão pequeno quanto 50 volts de eletricidade sendo equalizado até dezenas de milhares de volts. A potência real é extremamente pequena, tão pequena que geralmente nenhum perigo é oferecido a alguém que está no caminho de descarga de ESD. Normalmente, uma pessoa leva vários milhares de volts para perceber a ESD na forma de uma faísca e o conhecido zap que a acompanha. O problema com a ESD é que mesmo uma pequena descarga que pode passar completamente despercebida pode arruinar os semicondutores. Uma carga estática de milhares de volts é comum, no entanto, o motivo pelo qual não é uma ameaça é que não há corrente de qualquer duração significativa por trás dela. Essas tensões extremas permitem a ionização do ar e permitem que outros materiais se decomponham, que é a raiz de onde vem o dano.

ESD não é um problema novo. A fabricação de pólvora negra e outras indústrias pirotécnicas sempre foram perigosas se um evento ESD ocorrer na circunstância errada. Durante a era dos tubos (válvulas também conhecidas), ESD era um problema inexistente para a eletrônica, mas com o advento dos semicondutores e o aumento da miniaturização, tornou-se muito mais sério.

Danos aos componentes podem ocorrer, e geralmente ocorrem, quando a peça está no caminho ESD. Muitas peças, como diodos de energia, são muito robustas e podem lidar com a descarga, mas se uma parte tiver uma geometria pequena ou fina como parte de sua estrutura física, a tensão pode quebrar essa parte do semicondutor. As correntes durante esses eventos tornam-se bastante altas, mas estão na ordem de nanossegundos a microssegundos. Parte do componente fica permanentemente danificado por isso, o que pode causar dois tipos de modos de falha:catastrófico e latente. Catastrófico é o mais fácil, deixando a parte completamente sem função. O outro pode ser muito mais sério. Danos latentes podem permitir que o componente com problema funcione por horas, dias ou mesmo meses após o dano inicial, antes de uma falha catastrófica. Muitas vezes essas partes são chamadas de “feridas ambulantes”, pois funcionam, mas são ruins. A figura abaixo é mostrada como um exemplo de dano ESD latente (“ferido ambulante”). Se esses componentes terminarem em uma função de suporte à vida, como uso médico ou militar, as consequências podem ser sombrias. Para a maioria dos amadores, é um inconveniente, mas pode ser caro.

Mesmo os componentes considerados bastante robustos podem ser danificados por ESD. Os transistores bipolares, os primeiros amplificadores de estado sólido, não são imunes, embora sejam menos suscetíveis. Alguns dos componentes de alta velocidade mais recentes podem ser danificados com apenas 3 volts. Existem componentes que podem não ser considerados em risco, como alguns resistores e capacitores especializados fabricados com a tecnologia MOS (Metal Oxide Semiconductor), que podem ser danificados por ESD.

Prevenção de danos ESD

Antes que a ESD possa ser evitada, é importante entender suas causas. Geralmente, os materiais ao redor da bancada podem ser divididos em 3 categorias. Estes são ESD Generative, ESD Neutral e ESD Dissipative (ou ESD Conductive). Os materiais ESD Generative são geradores estáticos ativos, como a maioria dos plásticos, pelos de gato e roupas de poliéster. Materiais neutros ESD são geralmente isolantes, mas não tendem a gerar ou reter cargas estáticas muito bem. Exemplos disso incluem madeira, papel e algodão. Isso não quer dizer que eles não possam ser geradores estáticos ou um perigo de ESD, mas o risco é minimizado por outros fatores. Madeira e produtos de madeira, por exemplo, tendem a reter umidade, o que pode torná-los levemente condutores. Isso é verdade para muitos materiais orgânicos. Uma mesa altamente polida não se enquadraria nesta categoria porque o brilho geralmente é plástico ou verniz, que são isolantes altamente eficientes. Os materiais condutores ESD são bastante óbvios, eles são as ferramentas de metal por aí. Alças de plástico podem ser um problema, mas o metal irá liberar uma carga estática tão rápido quanto é gerada se estiver em uma superfície aterrada. Existem muitos outros materiais, como alguns plásticos, que são projetados para serem condutores. Eles cairiam sob o título de ESD Dissipative. Sujeira e concreto também são condutores e se enquadram no título ESD Dissipative.

Existem muitas atividades que geram estática, das quais você precisa estar ciente como parte de um regime de controle de ESD. O simples ato de puxar a fita adesiva de um dispensador pode gerar uma tensão extrema. Rolar em uma cadeira é outro gerador de estática, assim como arranhar. Na verdade, qualquer atividade que permita que 2 ou mais superfícies se esfreguem uma na outra certamente gerará alguma carga estática. Isso foi mencionado no início deste livro, mas os exemplos do mundo real podem ser sutis. É por isso que é necessário um método para eliminar continuamente essa tensão. Coisas que geram grandes quantidades de estática devem ser evitadas ao trabalhar nos componentes.

O plástico geralmente está associado à geração de estática. Isso foi obtido na forma de plásticos condutores. A maneira usual de fazer plástico condutivo é um aditivo que muda as características elétricas do plástico de isolante para condutor, embora provavelmente ainda tenha uma resistência de milhões de ohms por polegada quadrada. Foram desenvolvidos plásticos que podem ser usados ​​como condutores em aplicações de baixo peso, como nas indústrias de aviação civil. Estas são aplicações especializadas e geralmente não estão associadas ao controle ESD.

Nem todas as notícias são ruins para a proteção ESD. O corpo humano é um condutor bastante decente. A alta umidade do ar também permite que uma carga estática seja dissipada sem causar danos, além de tornar os materiais neutros ESD mais condutores. É por isso que os dias frios de inverno, em que a umidade dentro de uma casa pode ser bastante baixa, podem aumentar o número de faíscas na maçaneta. No verão ou em dias chuvosos, você teria que trabalhar bastante para gerar uma quantidade substancial de estática. Por esse motivo, as salas limpas da indústria e o chão das fábricas fazem o esforço para regular a temperatura e a umidade. Pisos de concreto também são condutores, portanto, pode haver alguns componentes existentes na casa que podem ajudar na configuração de proteções.

Para estabelecer a proteção ESD, deve haver um nível de tensão padrão ao qual tudo é referenciado. Esse nível existe na forma de solo. Existem razões de segurança muito boas para que o aterramento seja usado ao redor da casa nas tomadas. De certa forma, isso está relacionado à estática, mas não diretamente. Isso nos dá um lugar para descartar nossos elétrons em excesso ou adquirir alguns, se tivermos falta, para neutralizar quaisquer cargas que nossos corpos e ferramentas possam adquirir. Se tudo em uma bancada estiver conectado direta ou indiretamente ao aterramento por meio de um condutor, a estática se dissipará muito antes que um evento ESD tenha a chance de ocorrer.

Um bom ponto de aterramento pode ser feito de várias maneiras diferentes. Em residências com fiação moderna até o código, pode-se usar o pino terra no plug-in CA ou o parafuso que prende a placa de cobertura das tomadas. Isso ocorre porque a fiação da casa, na verdade, tem um fio ou ponta que vai para a terra em algum lugar onde a energia é derivada das linhas de força principais. Para pessoas cuja fiação da casa não está correta, pode-se usar um espigão cravado na terra a pelo menos 3 pés ou uma simples conexão elétrica para um encanamento de metal (pior opção). O principal é estabelecer um caminho elétrico para a terra fora da casa.

Dez megohms são considerados condutores no mundo do controle de ESD. Eletricidade estática é a voltagem sem corrente real e, se uma carga for eliminada segundos depois de ser gerada, ela será anulada. Geralmente, um resistor de 1 a 10 megohm é usado para conectar qualquer proteção ESD por esse motivo. Tem a vantagem de diminuir a taxa de descarga durante um evento ESD, o que aumenta a probabilidade de um componente sobreviver sem danos. Quanto mais rápida a descarga, maior será o pico de corrente passando pelo componente. Outra razão pela qual essa resistência é considerada desejável é se o usuário for acidentalmente em curto com alta tensão, como corrente doméstica, não serão as proteções ESD que o matarão.

Uma grande indústria cresceu em torno do controle de ESD na indústria de eletrônicos. O grampo de qualquer construção eletrônica é a bancada de trabalho com uma superfície condutora ou dissipativa de estática. Esta superfície pode ser comprada comercialmente ou feita em casa na forma de uma folha de metal ou folha metálica. No caso de uma superfície de metal, pode ser uma boa idéia colocar o papel fino por cima, embora não seja necessário se você não estiver fazendo testes elétricos na superfície. A versão comercial geralmente é algum tipo de plástico condutor cuja resistência é alta o suficiente para não ser um problema, o que é uma solução melhor. Se você estiver fazendo sua própria superfície para a bancada de trabalho, certifique-se de adicionar o resistor de 10 megohm ao aterramento, caso contrário, você não terá proteção alguma.

O outro grande item que precisa de ESD aterrado é você. As pessoas estão andando com geradores estáticos. Sendo seu corpo condutor, é relativamente fácil aterrá-lo; isso geralmente é feito com uma pulseira. As versões comerciais já possuem o resistor embutido e possuem uma alça larga para oferecer uma boa superfície de contato com a pele. Versões descartáveis ​​podem ser compradas por alguns dólares. Uma pulseira de relógio de metal também é um bom ponto de conexão de proteção ESD. Basta adicionar um fio (com o resistor) ao seu ponto de aterramento. A maioria das indústrias leva o problema a sério o suficiente para usar monitores em tempo real que soarão um alarme se o operador não estiver devidamente aterrado.





Outra forma de se aterrar é usando uma tira de calcanhar. Uma parte plástica condutora é enrolada ao redor do calcanhar do seu sapato, com uma tira plástica condutora que sobe e sob sua meia para um bom contato com a pele. Só funciona em pisos com cera condutiva ou concreto. O método evitará que uma pessoa gere grandes cargas que podem sobrecarregar outras proteções ESD e não é considerado adequado por si só. Você pode obter o mesmo efeito andando descalço no chão de concreto.

Outra proteção ESD é usar aventais condutores ESD. Como a tira de calcanhar, esta é uma proteção secundária, não se destina a substituir a tira de pulso. Eles têm o objetivo de causar um curto-circuito em quaisquer cargas que suas roupas possam gerar.

O ar em movimento também pode gerar cargas estáticas substanciais. Quando você sopra a poeira de seus componentes eletrônicos, ela é gerada estaticamente. Uma solução industrial para o problema dessa questão é dupla:em primeiro lugar, os canhões de ar têm um pequeno material radioativo bem protegido implantado dentro do canhão para ionizar o ar. O ar ionizado é um condutor e libera muito bem as cargas estáticas. Em segundo lugar, use eletricidade de alta voltagem para ionizar o ar que sai de um ventilador, que tem o mesmo efeito que o canhão de ar. Isso ajudará efetivamente uma estação de trabalho a reduzir o potencial de geração de ESD em uma grande quantidade.

Outra proteção ESD, que é a mais simples de todas, é a distância. Muitas indústrias têm regras determinando que todos os materiais Neutros e Gerativos terão pelo menos 12 polegadas ou mais de qualquer trabalho em andamento.

O usuário também pode reduzir a possibilidade de danos por ESD simplesmente não removendo a peça de sua embalagem protetora até o momento de inseri-la no circuito. Isso reduzirá a probabilidade de exposição a ESD e, embora o circuito ainda esteja vulnerável, o componente terá alguma proteção secundária do resto dos componentes, pois os outros componentes oferecerão diferentes caminhos de descarga para ESD.

Armazenamento e transporte de placas e componentes sensíveis a ESD

Não adianta seguir as proteções ESD na bancada se as peças estiverem sendo danificadas durante o armazenamento ou transporte. O método mais comum é usar uma variação da gaiola de Faraday, uma bolsa ESD. Uma bolsa ESD envolve o componente com uma blindagem condutiva e geralmente possui uma camada isolante geradora não estática em seu interior. Em gaiolas de Faraday permanentes, essa blindagem é aterrada, como no caso das salas de RFI, mas com contêineres portáteis, isso não é prático. Colocando uma bolsa ESD em uma superfície aterrada, a mesma coisa é realizada. As gaiolas de Faraday funcionam direcionando a carga elétrica ao redor do conteúdo e aterrando-os imediatamente. Um carro atingido por um raio é um exemplo extremo de uma gaiola de Faraday.

Os sacos estáticos são, de longe, o método mais comum de armazenamento de componentes e placas. Eles são feitos com camadas extremamente finas de metal, tão finas que são quase transparentes. Uma sacola com um orifício, mesmo pequeno, ou que não seja dobrado na parte superior para lacrar o conteúdo de cargas externas é ineficaz.

Outro método de proteção de peças armazenadas são bolsas ou tubos. Nestes casos, as peças são colocadas em caixas condutoras, com tampa do mesmo material. Isso efetivamente forma uma gaiola de Faraday. Um tubo é destinado a ICs e outros dispositivos com muitos pinos e armazena as peças em um tubo plástico condutivo moldado que mantém as peças seguras tanto mecânica quanto eletricamente.

Conclusão

ESD pode ser um evento menor não sentido medindo alguns volts, ou um evento massivo que apresenta perigos reais para os operadores. Toda a proteção ESD pode ser superada pelas circunstâncias, mas isso pode ser contornado pela consciência do que é e como evitá-lo. Muitos projetos foram construídos sem nenhuma proteção ESD e funcionaram bem. Visto que proteger esses projetos é um pequeno inconveniente, é melhor fazer o esforço.

A indústria leva o problema muito a sério, tanto como uma questão com potencial de risco de vida quanto como uma questão de qualidade. Alguém que compra um aparelho eletrônico caro ou um hardware de alta tecnologia não ficará feliz se tiver que devolvê-lo em 6 meses. Quando uma reputação está em jogo, é mais fácil fazer a coisa certa.