Descarga Eletrostática

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1 Descarga Eletrostática A eletricidade estática é um fenômeno físico que não se vê, mas se sente, pois causa perda de produção, de tempo, de matéria-prima, podendo ainda criar incêndios, choque em operadores, contaminações com fuligem ou pó e causar graves danos aos componentes eletrônicos sensíveis, requerendo altos custos de manutenção e/ou reparos em serviços de campo. Objetivo O objetivo desta aula é mostrar a importância que deve ser dada sobre problemas ocasionados pelas descargas eletrostáticas; alertar e orientar as equipes técnicas sobre a importância do controle, descrever os mecanismos, as influências e as sensibilidades de alguns componentes quando submetidos a essas descargas, bem como sugerir alguns procedimentos e meios de proteção. ESD Definição A eletricidade estática é a eletrificação de materiais através do contato físico e posterior separação. Uma descarga eletrostática, ou ESD (do inglês Electrostatic Discharge) ocorre quando há uma transferência de cargas elétricas entre corpos que possuem diferentes potenciais eletrostáticos. Essa descarga também pode ocorrer quando os corpos estão muito próximos ou quando estão em contato direto. Usualmente o fenômeno é visto na natureza em forma de raios ou quando estamos potencialmente carregados, essa eletricidade estática é descarregada quando tocamos em algum objeto metálico, como a maçaneta de uma porta. Componentes eletrônicos são muito sensíveis às descargas elétricas. Um chip CMOS, por exemplo, pode ser afetado com uma descarga eletrostática de 250 volts. Uma pessoa caminhando num carpete, dependendo da taxa de umidade do ar, pode acumular mais de volts. Geração de ESD A descarga eletrostática pode ser gerada essencialmente por três meios: Fricção entre duas superfícies (triboeletrificação); Transferência de carga de um material isolante a um material condutor pelo contato direto ou indução; A aproximação de dois materiais com potenciais diferentes.

2 Também é possível a descarga eletrostática pela separação de materiais de diferentes capacitâncias. A quantidade de carga acumulada por geração triboelétrica é afetada, principalmente, pela área de contato, velocidade da separação e umidade relativa. A série triboelétrica (simplificada), mostrada na tabela abaixo, é utilizada para determinação da tendência de um material em acumular cargas positivas ou negativas. Ar Acúmulo de cargas Mãos positivas Vidro Cabelo Quartzo Nylon Pele Seda Alumínio + + Papel + Algodão (relativamente neutro) Aço Madeira - Borracha - - Ouro Poliéster Poliuretano Polietileno Vinil Celulose Silício Acúmulo de cargas Teflon negativas O nível de umidade relativa do ar no ambiente de trabalho também interfere nas tensões eletrostáticas. Ambientes com baixos níveis de umidade produzem maiores tensões que ambientes com baixos níveis, já que menores cargas são conduzidas na umidade do ar e nos materiais em ambientes com alta umidade. Veja alguns exemplos: Meios de geração da estática Potencial eletrostático (Volts) 10 a 20% umidade relativa 65 a 90% umidade relativa Caminhar sobre carpete Caminhar sobre piso de vinil Envelope de vinil com manual de instruções Técnico na bancada Pegar um saco de polietileno

3 Levanta-se de uma cadeira com espuma de poliuretano Quando sentimos um choque de eletricidade estática, estamos experimentando uma descarga de no mínimo volts. Enquanto é possível sentir uma descarga de volts, cargas menores estarão abaixo da sensibilidade humana, mas que poderão danificar seriamente dispositivos semicondutores. Com o avança da tecnologia, componentes eletrônicos tendem a se tornar cada vez menores. Com o tamanho reduzido dos componentes, o espaço entre isoladores e circuitos internos é microscópico, o que aumenta a sensibilidade ao ESD. A necessidade de proteção ao ESD aumenta com o avanço da tecnologia. Efeitos da ESD Os efeitos da ESD sobre componentes eletrônicos são invariavelmente destrutivos. Após uma descarga eletrostática, o componente pode apresentar falha total, degradação de desempenho, redução da expectativa de vida ou operação errática. A imagem abaixo mostra um trecho do interior de um microchip, ampliado por microscópio, danificado após o simples toque do usuário. O prejuízo de ESD para componentes eletrônicos podem tomar a forma de falhas passivas ou falhas catastróficas. Falha passiva a descarga não é potencialmente alta para danificar o equipamento, mas suficiente para causar falhas no sistema, panes, travamentos, falta de desempenho. Falha catastrófica direcional quando o componente é danificado no momento da descarga e a falha é identificada no teste. Falha catastrófica oculta quando a falha não chega a danificar o componente no momento da descarga, continuando a funcionar por um tempo. Geralmente a falha total ocorre quando o equipamento já está em uso com o cliente. Controle da ESD

4 O modo básico de proteção contra ESD é conseguido através da combinação de métodos de prevenção do acúmulo de cargas e mecanismos de remoção de cargas existentes. Para minimizar os problemas com eletricidade estática, podemos citar 4 regras básicas de proteção: 1. Estações de trabalho (local de trabalho, bancada, ambiente e prevenção pessoal); 2. Transporte e armazenamento; 3. Ensaios periódicos; 4. Fornecedores. Regra 1 Estações de trabalho e ambiente A primeira regra é manter as estações de trabalho protegidas, onde os componentes sensíveis só podem ser manuseados nesta área. Para tal proteção, podem ser utilizados dispositivos como pulseiras e calcanheiras dissipativas, ionizadores, superfícies dissipativas, como mantas, tapetes ou pisos com tratamento dissipativo e controle da umidade relativa do ar. Os pisos dissipativos são eficientes no sentido de minimizarem a geração de cargas estáticas, através do deslocamento pela sala de pessoas ou carrinhos de transporte de materiais. Os ionizadores são equipamentos que lançam íons negativos e positivos no ambiente, de forma a neutralizar as cargas acumuladas nos objetos sob sua área de proteção, podendo ser de pequeno volume de vazão para uso em bancadas ou de grande volume, este adequado para salas limpas. Importância do Aterramento Levando em consideração que cargas elétricas não podem ser destruídas ou eliminadas, devemos ter em mente que a única forma de controle será o seu desvio para o terra, que constitui um depósito infinito de cargas. Todo o processo de ESD necessitará de um bom sistema de aterramento, onde estarão conectados todos os dispositivos de proteção, como mantas, tapetes e piso dissipativo, pulseiras e calcanheiras, equipamentos eletrônicos, estações de solda etc. A qualidade do sistema de terra e sua eficiência são fundamentais para a implementação de qualquer programa de controle de ESD realmente funcional. Controlando a área de trabalho Nas bancadas de trabalho existem diversos itens que devem ser verificados quando da implementação de um controle ESD. O primeiro item é a superfície da mesa. A preocupação deve ser com a sua capacidade de acumular cargas assim como sua capacidade de drenas cargas dos objetos colocados sobre sua superfície. O acúmulo de cargas deve ser o mínimo e sua capacidade de drenar cargas deve ser eficiente e segura. Os materiais usados para controle de ESD normalmente são classificados como condutivos, dissipativos e antiestáticos.

5 As superfícies dissipativas são as ideais, por apresentarem uma resistividade entre 105 e 109 ohms/quadrado (ver quadro). A unidade ohm/quadrado A unidade utilizada para definir a resistividade superficial de um material homogêneo é o ohm/quadrado (Ω/quadrado). Essa medida é tomada se utilizando uma amostra do material com formato quadrado e aplicando-se eletrodos em lados opostos desse quadrado. Os eletrodos devem ficar em contato com toda a extensão do lado. A medida é a mesma para qualquer tamanho de quadrado. Materiais condutivos não devem ser utilizados porque podem danificar os componentes eletrônicos por formação e correntes muito altas devido às descargas muito rápidas e os antiestáticos porque a descarga é lenta. Existem divergências quanto ao uso dessas classificações e o termo genérico antiestático tem sido usado cada vez mais frequentemente. O uso da expressão pulseira antiestática, por exemplo, para se referir à pulseira com propriedade dissipativa. Exemplo de mantas antiestáticas Um segundo item que deve ser verificado são as caixas de armazenagem colocadas junto às mesas. Normalmente, as caixas são confeccionadas em material plástico devido a sua facilidade de fabricação e baixo custo. As mesmas considerações feitas em relação à superfície da mesa devem ser aplicadas às caixas. Novamente as dissipativas devem ser as preferidas. Todos os materiais e ferramentas utilizadas na área de trabalho devem ser analisados em relação à geração de ESD. Por exemplo, o cabo de uma chave de fenda em plástico não condutivo poderá atingir um nível de 1700 volts. Escovas para limpeza são artigos que deverão ser escolhidos com muito cuidado, visto que sua utilização implica em forte geração de cargas. Escolha as especialmente preparadas para minimizar o risco de ESD. Normalmente, as melhores utilizam pêlos de animais. Controlando as cargas do corpo humano A pele de um técnico ou operador deve ser sempre aterrada, mas em conformidade com os requisitos de proteção pessoal.

6 A solução mais eficiente para esse problema é a utilização de pulseiras especiais de aterramento adequadas para a classe de sensibilidade à ESD do componente a ser manipulado. Essas pulseiras conectam a pele com o terra através de um resistor de 1 Mohm, garantindo que o escoamento das cargas acumuladas não atinja correntes excessivas e, ao mesmo tempo, evitando os riscos de choques elétricos. Pulseiras dissipativas Outra medida que pode ser tomada é o uso, por todo o pessoal com acesso à área onde existir controle de ESD, de calcanheiras ou biqueiras, que em conjunto com os pisos dissipativos, minimizará a geração de cargas durante os deslocamentos. Calcanheira e biqueira dissipativas Outro aspecto que deve ser observado diz respeito às técnicas de manuseio de componentes e placas eletrônicas, onde o técnico deve estar sempre consciente do fato que cargas estáticas sempre estarão presentes e evite tocar diretamente terminais e componentes.

7 Uma forma de minimizar esse problema é a utilização de luvas ou dedeiras dissipativas. Luvas e dedeiras dissipativas Na falta de equipamento adequado, é importante descarregar a eletricidade estática do corpo antes de manusear componentes sensíveis. Tocar uma janela metálica não pintada, por exemplo, com as duas mãos. Essa descarga também pode ser feita tocando a fonte de alimentação ou a carcaça metálica interna do computador. É recomendável repetir a descarga a cada 10 ou 15 minutos. Descarregando a eletricidade estática do corpo na fonte de alimentação Roupas também são elementos que devem ser considerados cuidadosamente na implementação de um programa de controle de ESD. Tecidos sintéticos acumulam cargas que não podem ser facilmente descarregadas. Devem ser dadas preferências às roupas de algodão, que é relativamente neutro na geração de cargas eletostáticas. Outra possibilidade consiste no uso de jalecos especialmente desenvolvidos para dissipação de cargas. Esses jalecos especiais possuem fibras condutoras entremeadas no tecido. Manutenção em campo

8 Além da preparação em bancada, levamos em consideração trabalhos móveis, onde o técnico tem que se deslocar até o ambiente do cliente para a realização de uma manutenção em campo. Para tais ocasiões, sugere-se a utilização de kits portáteis para serviço em campo, que geralmente constam de manta dissipativa com ponto de aterramento e pulseira (lembrando que a manta deve estar aterrada para funcionar adequadamente), além das ferramentas adequadas (ferramentas e pincéis antiestáticos etc.). Regra 2 Transporte e armazenamento Kit portátil para trabalho em campo A segunda regra é transportar e armazenar todos os componentes e placas sensíveis em recipientes de blindagem da descarga eletrostática. Existem no mercado diversos produtos voltados para esse controle, como embalagens antiestáticas, caixas condutivas, protetores de bordas, espumas antiestáticas etc. Regra 3 Ensaios periódicos Embalagens antiestáticas Um aspecto importante no ambiente de trabalho diz respeito às condições dos equipamentos de controle antiestático. De nada adianta utilizar uma pulseira dissipativa se não tivermos certeza de que ela está funcionando corretamente. Na terceira regra, devem-se testar todos os produtos para controle de ESD, certificando-se de que todos estejam em perfeito funcionamento. Para controlar a eficiência do material usado, existem monitores que indicam se os equipamentos de proteção devem ser substituídos ou enviados para manutenção. Equipamentos como medidor de pulseira e calcanheira, kits de teste de superfície (megôhmetro), sensor de campo eletrostático, sensor para ionizador etc.

9 Equipamentos para teste dos dispositivos de controle ESD Esses monitores devem ser colocados na entrada das áreas protegidas e todos os funcionários devem fazer o teste dos equipamentos pelo menos uma vez ao dia ou sempre que houver alguma dúvida sobre sua eficiência. Há também monitores que podem ser montados na bancada de trabalho, possibilitando a verificação contínua das condições do equipamento. Regra 4 Fornecedores A quarta regra é, basicamente, garantir e certificar que todos os fornecedores de componentes e serviços seguem as três primeiras regras sugeridas e se possível realizar auditorias periódicas. De nada adianta garantir um controle rigoroso de ESD no ambiente fabril ou de serviços e nos demais ambientes onde os componentes serão manipulados não haja controle contra ESD. Conclusão Estabelecer um programa de controle de ESD efetivo não é um objetivo simples, embora a maioria das medidas necessárias o seja. O principal elemento em qualquer programa de controle será o técnico ou operador. É importante ter em mente que um técnico treinado, mesmo sem nenhum equipamento de proteção, será mais eficiente do que um técnico sem treino, mesmo que todos os dispositivos de proteção possíveis estejam disponíveis. Todas as pessoas envolvidas devem ser treinadas e atualizadas nos procedimentos periodicamente. Com a utilização de equipamentos de controle ESD, normalmente ocorre uma falsa sensação de segurança e relaxamento em relação a atividades simples como, por exemplo, evitar utilizar copos plásticos, folhas de papel e embalagens desnecessárias na área de trabalho. Para iniciar um processo de controle de ESD, sugerimos verificar os seguintes itens: 1. Examinar suas instalações e procedimentos Verificar entre os processos e equipamentos aqueles com maior chance de provocar o aparecimento de problemas de ESD. Por exemplo, a limpeza de placas utilizando escovas com cerdas sintéticas podem provocar sérios danos aos componentes eletrônicos sensíveis.

10 2. Identificar que componentes ou placas sensíveis a ESD são utilizados Lembrar que quanto menores e mais rápidos os componentes semicondutores forem, mais sensíveis a ESD eles são. Um processador Intel Core 2 Duo é mais sensível que um antigo Obter o apoio do todos A implantação de um processo de controle de ESD só será efetivada se for apoiada em todas as áreas envolvidas e em todos os níveis. Isso significa que o apoio deverá vir desde o dono da empresa até o pessoal da faxina. 4. Documentar as medidas e procedimentos Criar documentos detalhando todos os processos e procedimentos e deixá-los em local de fácil acesso para consulta imediata. Criar sinalizações simples e diretas nas áreas onde ocorrem manipulações de componentes e placas sensíveis. 5. Treinar todo o pessoal De nada adianta um processo bem estruturado se os técnicos e operadores não souberem como proceder ou como utilizar os equipamentos de controle ESD. 6. Rever, analisar e melhorar os procedimentos Nenhum processo é definitivo. Com o tempo, novas medidas devem ser tomadas a fim de que se adaptem novos componentes ou equipamentos. Lembrar que normalmente, toda melhoria de processo vem das pessoas que o conhecem e utilizam. Referências Bibliográficas e Leitura Complementar BRITO, Lúcio Costa; CALIL, Saide Jorge. A influência das descargas eletrostáticas na qualidade da manutenção de equipamentos eletromédicos. Unicamp. Disponível em Manutencao. Acessado em 11/01/2010. CUNHA, Roberto. Descargas Eletrostáticas: diminua os riscos de falhas em seus equipamentos. Revista Saber Eletrônica On-Line Disponível em Acessado em 11/01/2010. VASCONCELOS, Laércio. Descargas eletrostáticas danificam o computador. Laércio Vasconcelos Computação, Disponível em Acessado em 11/01/2010. Eletricidade Estática: causa, efeito e solução. Estatec Ind. e Com. Ltda. Disponível em Acessado em 11/01/2010. Conceitos básicos de descarga eletrostática (ESD). Vest Clean. Disponível em Acessado em 11/01/2010.