O dano estático da eletricidade ainda é um enorme problema com a eletrônica?

Todos nós ouvimos as advertências para ter certeza de que estamos devidamente fundamentados quando trabalhamos em nossos dispositivos eletrônicos, mas os avanços na tecnologia diminuíram o problema do dano da eletricidade estática ou ainda é tão prevalente quanto antes? O super-usuário Q & amp; Um post tem uma resposta abrangente para a pergunta de um leitor curioso.

Pergunta de hoje e amp;A sessão de atendimento chega a cortesia do SuperUser - uma subdivisão do Stack Exchange, um agrupamento comunitário de sites Q & A.

Foto cortesia de Jared Tarbell( Flickr).

O questionário

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

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

O dano da eletricidade estática ainda é um grande problema com a eletrônica agora?

A resposta

SuperUser contribuidor Argonauts tem a resposta para nós:

Na indústria, é referido como descarga eletrostática( ESD) e é muito mais um problema agora do que nunca;embora tenha sido mitigado um pouco pela recente adoção generalizada de políticas e procedimentos que ajudem a diminuir a probabilidade de dano ESD aos produtos. De qualquer forma, seu impacto na indústria eletrônica é maior do que muitas outras indústrias inteiras.

Também é um grande tópico de estudo e muito complexo, então vou tocar apenas 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 em eletrônicos, seja como fabricante, designer ou "consumidor", e, como muitas coisas tratadas em uma indústria, seus custos são adotados paranos.

Da Associação ESD:

À medida que os dispositivos e o tamanho de seus recursos continuamente se tornam menores, eles se tornam mais suscetíveis a serem danificados pela ESD, o que faz sentido depois de um pouco de pensamento. A resistência mecânica dos materiais utilizados para a construção de eletrônicos geralmente diminui à medida que seu tamanho diminui, assim como a capacidade do material de resistir a mudanças rápidas de temperatura, geralmente denominada massa térmica( como em objetos de macro escala).Por volta de 2003, os menores tamanhos de características estavam no alcance de 180 nm e agora estamos a aproximar-se rapidamente de 10 nm.

Um evento ESD que há 20 anos teria sido inofensivo poderia destruir a eletrônica moderna. Nos transistores, o material do portão é muitas vezes a vítima, mas outros elementos portadores de corrente podem ser vaporizados ou derretidos também. A soldagem nos pinos de um IC( um equivalente de montagem em superfície, como uma matriz de grade de bola, são muito mais comuns nos dias de hoje) em uma PCB pode ser derretida e o próprio silício possui algumas características críticas( especialmente seu valor dielétrico) que podem ser alteradas por alto calor. Em conjunto, 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.

Os tamanhos de recursos menores são quase inteiramente positivos a partir 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 ao dano do que de outra forma seria considerada quantidades triviais de energia também aumentará bastante à medida que o tamanho da característica cair.

A proteção ESD está integrada em muitos eletrônicos hoje, mas se você tiver 500 bilhões de transistores em um circuito integrado, não é um problema complicado determinar o caminho que uma descarga estática terá 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) como 25 kV( embora algumas reivindiquem apenas 2 kV).Usando os números maiores, a pessoa teria uma "carga" de energia de aproximadamente 150 millijoules. Uma pessoa totalmente "carregada" normalmente não estava ciente disso e ele é descarregado em uma fração de segundo através do primeiro caminho terrestre disponível, freqüentemente um dispositivo eletrônico.

Observe que esses números assumem 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 é bastante confuso muito rapidamente, uma vez que 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 soa como muita energia, mas é mais do que suficiente para destruir um transistor moderno. Para o 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 humano-único, onde o humano está carregando uma carga e descarrega-o em um dispositivo susceptível. Uma tensão que é alta a partir 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 tensão, mas a atual, que neste contexto pode ser pensada como a baixa resistência do caminho do dispositivo eletrônico para um solo.

Pessoas que trabalham em torno de eletrônicos são geralmente aterradas com pulseiras e / ou correias de aterramento em seus pés. Eles não são "shorts" para aterramento;A resistência é dimensionada para evitar que os trabalhadores atuem como fares( facilmente obtendo eletrocussão).As bandas de pulso normalmente estão na faixa de 1 milhão de Ohm, mas isso ainda permite a descarga rápida de qualquer energia acumulada. Itens capacitivos e isolados, juntamente com qualquer outra carga gerando ou armazenando materiais, são isolados das áreas de trabalho, coisas como poliestireno, papel de bolha e copos de plástico.

Existem literalmente inúmeros outros materiais e situações que podem resultar em dano ESD( de diferenças de carga relativa positiva e negativa) para um dispositivo onde 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 caminhava através de um tapete, depois pegando ou tocando 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( não comum ainda, mas será nos próximos dois anos) tem uma espessura do portão inferior a 6 nm, que está chegando perto 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( quanto há resistência entre a carga e o solo), o número de caminhos para um solo através do dispositivo, umidade e temperaturas ambiente, e muito mais. Todas essas variáveis ​​podem ser conectadas em várias equações que podem modelar o impacto, mas não são muito precisas na previsão de danos reais ainda, mas melhor em moldar o possível dano de um evento.

Em muitos casos, e isso é muito específico da indústria( pense em médicos ou aeroespaciais), um evento de falha catastrófica induzida por ESD é um resultado muito melhor do que um evento ESD que passa pela fabricação e teste despercebido. Os eventos de ESD despercebidos podem criar um defeito muito pequeno, ou talvez piorar ligeiramente um defeito latente pré-existente e não detectado, que em ambos os cenários pode piorar ao longo do tempo devido a eventos secundários adicionais de ESD ou apenas uso regular.

Eles, em última análise, resultam 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 manutenção e horários de substituição).Por causa desse perigo, e é fácil pensar em situações terríveis( o microprocessador de um pacemaker ou instrumentos de controle de vôo, por exemplo), encontrar formas de testar e modelar defeitos induzidos pela ESD latente é uma área de pesquisa importante neste momento.

Para um consumidor que não trabalha ou conheça muito sobre a fabricação de eletrônicos, pode não parecer um problema. No momento em que a maioria dos produtos eletrônicos são embalados para venda, existem inúmeras salvaguardas no local que evitariam a maior parte do dano ESD.Os componentes sensíveis são fisicamente inacessíveis e os caminhos mais convenientes para um terreno estão disponíveis( ou seja, um chassi do computador está ligado a um solo, a descarga de ESD dentro dele quase certamente não danificará a CPU dentro do gabinete, mas, em vez disso, terá o menor caminho de resistência para umterra através da fonte de alimentação e fonte de alimentação da tomada de parede).Alternativamente, não são possíveis caminhos de transporte de corrente razoáveis;muitos telefones celulares possuem exteriores não condutores e apenas possuem um caminho de terra ao serem carregados.

Para registro, eu tenho que passar por treinamento de ESD a cada três meses, então eu poderia continuar. Mas acho que isso deve ser suficiente para responder a sua pergunta. Eu acredito que tudo nesta resposta seja preciso, mas eu recomendaria aconselhá-lo a lê-lo diretamente para conhecer melhor o fenômeno se eu não destruísse sua curiosidade para o bem.

Uma coisa que as pessoas acham contra-intuitiva é que as malas que você vê com freqüência eletrônicos armazenados e enviados( sacos anti-estáticos) também são condutoras. Anti-estático significa que o material não irá cobrar nenhuma carga significativa de interagir com outros materiais. Mas no mundo ESD, é igualmente importante( na medida do possível) que tudo tem a mesma referência de tensão de terra.

As superfícies de trabalho( ESD mats), sacos ESD e outros materiais são tipicamente mantidos ligados a um terreno comum, quer simplesmente não possuindo um material isolado entre eles, ou de forma mais explícita ao conectar caminhos de baixa resistência a um solo entre todos os bancos de trabalho;os conectores das pulseiras dos trabalhadores, o piso e alguns equipamentos. Há problemas de segurança aqui. Se você trabalha em torno de explosivos altos e eletrônicos, sua pulseira pode ser amarrada diretamente a um solo em vez de um resistor de Ohm 1M.Se você trabalha em torno de uma tensão muito alta, você não se aterraria a todos.

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

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