ESD - Descarga Eletrostática

ESD - Descarga Eletrostática

Introdução

A Positivo Informática fabrica e utiliza componentes eletrônicos, portanto implementamos um programa de prevenção contra ESD baseado nos padrões industriais internacionais para garantir que seus produtos sejam entregues aos clientes com a mais alta confiabilidade.
Com este material, queremos compartilhar o que aprendemos sobre controle de ESD. Com estas informações, você pode implementar práticas preventivas similares em seus laboratórios. Como resultado, ocorrências de ESD poderão ser minimizadas.
O objetivo 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.

Definição de ESD

ESD (Electrostatic Discharge) ou Descarga Eletrostática é a súbita e rápida transferência de carga elétrica de um objeto para outro com 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.
Cargas eletrostáticas nos rodeiam a todo o momento, mas na indústria de eletrônicos cargas eletrostáticas são tipicamente geradas por pessoal sem proteção individual e materiais que produzem cargas que têm contato direto ou que estejam próximos a componentes sensíveis a ESD.

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 1.500 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.

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 ao lado, é utilizada para determinação da tendência de um material em acumular cargas positivas ou 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:

Exemplo 1

	Potencial eletrostático (Volts)
Meios de geração da estática	10 a 20% umidade relativa	65 a 90% umidade relativa
Caminhar sobre carpete	35.000	1.500
Caminhar sobre piso de vinil	12.000	250
Envelope de vinil com manual de instruções	7.000	600
Técnico na bancada	6.000	100
Pegar um saco de polietileno	20.000	1.200
Levanta-se de uma cadeira com espuma de poliuretano	18.000	1.500

Exemplo 2

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 ao lado 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.

Figura 1 - OSD Danificada

Controle

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 a 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.

• Todas as áreas contendo componentes sensíveis devem ser consideradas para instalação de piso dissipativo ou condutivo.
• Cuidados especiais na manutenção e limpeza do piso tratado contra ESD é essencial para a duração útil do piso – siga instruções dos fornecedores quanto aos procedimentos de limpeza.
• Cera ESD pode ser considerada e utilizada com bons resultados em pisos não tratados para ESD, o lado negativo deste método é que requer reaplicações periódicas.

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.

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.

As superfícies dissipativas são as ideais, por apresentarem uma resistividade entre 105 e 109 ohms/quadrado (ver quadro ao lado).
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.
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.
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.
Outra medida que pode ser tomada é o uso, por todo o pessoal com acesso à área onde existir controle de ESD, de calçados ESD, calcanheiras ou biqueiras, que em conjunto com os pisos dissipativos, minimizará a geração de cargas durante os deslocamentos.

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.

Uma forma de minimizar esse problema é a utilização de luvas ou 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.

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 (verificar a tabela da série triboelétrica).
Outra possibilidade consiste no uso de jalecos especialmente desenvolvidos para dissipação de cargas. Esses jalecos especiais possuem fibras condutoras entremeadas no tecido.

Elimine também materiais isolantes não essenciais de todas as áreas onde os componentes sensíveis são expostos ou manuseados. A separação mínima deve ser de 30 centímetros. Substitua estes materiais por equivalentes antiestéticos. Se não for possível, considere a possibilidade de instalar ionizadores de ar nos locais de trabalho.

Exemplos de isolantes não essenciais tipicamente encontrados em auditorias
Fita adesiva	Borrachas	Pastas

Equivalentes antiestáticos
Fita ESD-Safe	Borrachas ESD-Safe	Pastas ESD-Safe

Regra 2 - Transporte e Armazenamento

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

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.
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.

Manutenção em campo

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.).

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.
   
   
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 486.
   
   
3. 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.

Créditos:Positivo Informática