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O que é descarga eletrostática: fundamentos ESD

O que é descarga eletrostática: fundamentos ESD

A descarga eletrostática ou ESD é um fato da vida cotidiana e é de particular importância na indústria eletrônica nos dias de hoje.

Anos atrás, quando as válvulas termiônicas / tubos a vácuo eram usados, isso não era um problema e, mesmo com a introdução dos transistores, poucos consideravam isso um problema. No entanto, quando os MOSFETs foram introduzidos, suas taxas de falha aumentaram, o problema foi investigado e descobriu-se que o acúmulo de estática era suficiente para causar a falha da camada de óxido no dispositivo.

Desde então, a conscientização sobre a ESD aumentou consideravelmente, porque foi demonstrado que ela afeta muitos dispositivos. Na verdade, muitos fabricantes hoje consideram todos os componentes sensíveis à estática, não apenas os dispositivos MOS, que são os mais sujeitos a danos.

Como resultado da importância atribuída a ESD, os fabricantes de equipamentos eletrônicos gastam muitos milhares de libras para garantir que seus locais de trabalho sejam protegidos contra os efeitos da estática. Eles garantem que os produtos que fabricam não apresentam altas taxas de falha durante o teste de fabricação e são capazes de demonstrar uma alta confiabilidade por um longo período de tempo.

O que é ESD?

A estática é simplesmente a acumulação de carga entre duas superfícies. Ele surge quando as superfícies se esfregam e isso resulta em um excesso de elétrons em uma superfície e uma deficiência na outra.

As superfícies nas quais a carga se acumula podem ser consideradas um capacitor. A carga permanecerá no local, a menos que tenha um caminho pelo qual possa fluir. Como geralmente não existe um caminho real através do qual a carga possa fluir, a tensão resultante pode permanecer no local por algum tempo e isso dá origem ao termo "eletricidade estática".

No entanto, quando existe um caminho de condução, uma corrente flui e a carga é reduzida. Existe uma constante de tempo associada à descarga. Uma alta resistência significa que uma corrente menor fluirá por mais tempo. Uma baixa resistência dará origem a uma descarga muito mais rápida.

Obviamente, os níveis de tensão e corrente produzidos dependem de uma grande variedade de fatores. O tamanho da pessoa, o nível de atividade, o objeto contra o qual a descarga é feita e, claro, a umidade do ar. Todos eles têm um efeito pronunciado, por isso é quase impossível prever o tamanho exato das descargas que ocorrerão.

No entanto, um dos principais fatores que afetam as tensões produzidas são os tipos de material que estão sendo friccionados. Verificou-se que diferentes materiais fornecem diferentes tensões. A voltagem produzida depende da posição dos dois materiais em uma série conhecida como série triboelétrica.

Série Triboelétrica

Quanto mais distantes estiverem na série, maior será a tensão. O que estiver mais acima na série receberá uma carga positiva e o que estiver mais abaixo uma carga negativa. Olhando para a lista de séries triboelétricas abaixo, podemos ver que pentear o cabelo com um pente de plástico dará origem a uma carga positiva no cabelo, e o pente ficará com carga negativa.

A série triboelétrica

Carga positiva
Pele
Cabelo

Seda
Papel
Algodão
Madeira
Borracha
Rayon
Poliéster
Polietileno
PVC
Teflon
Carga negativa

Existem muitas maneiras de aumentar as cobranças. Até mesmo caminhar sobre um tapete pode dar origem a tensões muito altas. Normalmente, isso pode dar origem a potenciais de 10 kV. Em casos ruins, pode até levar a potenciais de três vezes esse valor. Mesmo o ato de caminhar sobre um piso de vinil pode levar à geração de potenciais de cerca de 5 kV. Na verdade, qualquer forma de movimento onde as superfícies estão se esfregando levará à geração de eletricidade estática. Alguém trabalhando em uma bancada usando componentes eletrônicos pode facilmente gerar potenciais estáticos de 500 V ou mais.


Exemplos práticos de ESD

Um dos exemplos mais comuns de geração de carga é quando você atravessa uma sala. Mesmo essa ocorrência diária pode gerar algumas tensões surpreendentemente altas. As tensões reais variam consideravelmente dependendo de uma variedade de fatores, mas estimativas podem ser fornecidas para ilustrar a extensão do problema.

Para ilustrar a extensão do problema, uma variedade de instâncias são detalhadas na tabela abaixo:


Prováveis ​​tensões ESD causadas por ações cotidianas
Causa de geração de cargaTensão provável gerada (kV) *
Andando em um tapete30
Pegando um saco de polietileno20
Andando em uma superfície de vinil15
Trabalhando em uma bancada5

* Esses são valores aproximados e assumem uma umidade relativa de até 25%. Conforme a umidade aumenta, esses níveis diminuem: com umidade em torno de 75%, os níveis estáticos podem cair por um fator de muito cerca de 25 ou mais. Todos esses números são muito aproximados, porque dependem muito das condições particulares, mas fornecem um guia de ordem de magnitude para os níveis de ESD esperados.

Embora os resultados da ESD pareçam muito altos, geralmente passam despercebidos. A menor descarga eletrostática que pode ser sentida é em torno de 5kV, e mesmo assim essa magnitude de descarga pode ser sentida apenas em algumas ocasiões. A razão é que, mesmo que as correntes de pico resultantes possam ser muito altas, elas duram apenas um tempo muito curto e o corpo não as detecta porque a carga por trás delas é relativamente pequena. Tensões dessa magnitude de equipamentos eletrônicos ou elétricos onde mais corrente pode ser fonte e por muito mais tempo terão um efeito muito maior e podem ser muito perigosas.


Transferência estática

Existem várias maneiras pelas quais as cargas estáticas podem ser transferidas para dispositivos semicondutores, resultando em danos por ESD. O mais óbvio é quando eles são tocados por um item carregado e condutor. O exemplo mais óbvio disso possivelmente ocorre quando um semicondutor está em uma bancada de trabalho e alguém anda pelo chão acumulando uma carga e a pega.

O dedo carregado então transmite a carga estática muito rapidamente ao semicondutor com a possibilidade de danos. As ferramentas podem ser ainda mais prejudiciais. As chaves de fenda de metal são ainda mais condutoras e transmitem a carga ainda mais rápido, resultando em níveis mais elevados de corrente de pico.

No entanto, não é necessário tocar nos componentes para causar danos a eles. Itens como copos de plástico carregam uma carga muito alta, e colocar um deles perto de um CI pode "induzir" uma carga oposta ao CI. Isso também pode danificar o dispositivo semicondutor. Os laços feitos de fibra sintética também são um risco de ESD porque podem carregar e facilmente pendurar perto de equipamentos eletrônicos sensíveis.

Mecanismos de falha ESD

Existem várias maneiras pelas quais a ESD pode danificar os componentes semicondutores. Os resultados mais óbvios são a tensão estática muito alta, dando origem a altos níveis de corrente de pico que podem causar queima local. Mesmo que a corrente flua por um período muito curto de tempo, os tamanhos dos recursos diminutos no circuito integrado significam que os danos são causados ​​com muita facilidade. Os links de fios de interconexão ou áreas no próprio chip podem ser fundidos pela alta corrente de pico.

Outra maneira pela qual os danos podem ocorrer como resultado de ESD é quando o alto nível de tensão faz com que ocorra uma falha em um componente do próprio dispositivo. Pode quebrar uma camada de óxido no dispositivo, tornando o dispositivo inoperante. Com dimensões em alguns CIs de muito menos que um mícron, não é surpreendente que mesmo tensões relativamente baixas possam causar colapso.

Embora os danos causados ​​por ESD possam destruir instantaneamente os dispositivos, também é possível que eles criem o que é chamado de falhas latentes. Isso ocorre porque a ESD não destrói completamente o dispositivo, mas o dano causado apenas o enfraquece, deixando-o sob risco de falhar mais tarde em sua vida. Esses defeitos latentes geralmente não podem ser detectados. O resultado é que o nível geral de confiabilidade é consideravelmente reduzido ou (mais no caso de dispositivos analógicos) o desempenho pode ser degradado. Falhas latentes causadas por ESD podem ser muito caras porque consertar enquanto um item está em serviço é muito mais caro do que consertar um item que falhou na fábrica. A razão para isso é que um técnico de reparo normalmente precisa consertar o item no local ou ele precisa ser enviado a uma oficina mecânica.

Falhas latentes podem ser causadas quando uma interconexão é parcialmente fundida por ESD. Freqüentemente, parte do condutor foi destruída pela descarga estática, deixando-o vulnerável posteriormente. Outra maneira pela qual os chips são danificados é quando o material resultante do dano é espalhado sobre a superfície do semicondutor, e isso pode resultar em caminhos de condução alternativos.

Como resultado do fato de que os componentes podem ser facilmente danificados por ESD, a maioria dos fabricantes trata todos os semicondutores como dispositivos sensíveis à estática e, junto com isso, muitos tratam todos os dispositivos, incluindo componentes passivos, como capacitores e resistores, como sendo sensíveis à estática também. Ao olhar para isso, deve ser lembrado que a maioria dos equipamentos produzidos em massa hoje usa componentes de montagem em superfície onde as dimensões são muito menores do que os componentes tradicionais e isso os torna muito mais suscetíveis a danos de ESD.


Assista o vídeo: Experiência com eletricidade estática. (Novembro 2021).