¿El daño por electricidad estática sigue siendo un gran problema con la electrónica?
Todos hemos escuchado las advertencias para asegurarnos de que estamos conectados a tierra cuando trabajamos en nuestros dispositivos electrónicos, pero ¿los avances en la tecnología han reducido el problema del daño por electricidad estática o sigue siendo tan frecuente como antes? La publicación de preguntas y respuestas de SuperUser de hoy tiene una respuesta integral a la pregunta de un lector curioso.
La sesión de Preguntas y Respuestas de hoy nos llega por cortesía de SuperUser, una subdivisión de Stack Exchange, un grupo de sitios web de preguntas y respuestas impulsado por la comunidad..
Foto cortesía de Jared Tarbell (Flickr)..
La pregunta
El lector superusuario Ricku quiere saber si el daño por electricidad estática sigue siendo un gran problema con la electrónica ahora:
He escuchado que la electricidad estática fue un gran problema hace un par de décadas. ¿Sigue siendo un gran problema ahora? Creo que es raro que una persona "fríe" un componente de computadora ahora.
¿El daño por electricidad estática sigue siendo un gran problema con la electrónica ahora??
La respuesta
Argonauts, el contribuyente de SuperUser, tiene la respuesta para nosotros:
En la industria, se le conoce como descarga electroestática (ESD) y es mucho más problemático ahora que nunca; aunque se ha mitigado un poco por la reciente adopción generalizada de políticas y procedimientos que ayudan a disminuir la probabilidad de daños de ESD a los productos. En cualquier caso, su impacto en la industria electrónica es mayor que en muchas otras industrias completas..
También es un gran tema de estudio y muy complejo, por lo que solo abordaré algunos puntos. Si está interesado, hay numerosas fuentes, materiales y sitios web gratuitos dedicados al tema. Muchas personas dedican sus carreras a esta área. Los productos dañados por ESD tienen un impacto muy real y muy grande en todas las compañías involucradas en electrónica, ya sea como fabricante, diseñador o "consumidor", y como muchas de las cosas que se tratan en una industria, sus costos se transfieren a nosotros.
De la Asociación ESD:
A medida que los dispositivos y el tamaño de sus características se vuelven cada vez más pequeños, se vuelven más susceptibles a ser dañados por la ESD, lo que tiene sentido después de un poco de pensamiento. La resistencia mecánica de los materiales utilizados para construir componentes electrónicos generalmente disminuye a medida que disminuye su tamaño, al igual que la capacidad del material para resistir los cambios rápidos de temperatura, generalmente referidos como masa térmica (al igual que en los objetos a escala macro). Alrededor de 2003, los tamaños de las características más pequeñas estaban en el rango de 180 nm y ahora nos estamos acercando rápidamente a 10 nm..
Un evento de ESD que hace 20 años hubiera sido inofensivo podría potencialmente destruir la electrónica moderna. En los transistores, el material de la puerta es a menudo la víctima, pero otros elementos portadores de corriente también pueden ser vaporizados o fundidos. La soldadura en los pines de un IC (un montaje en superficie equivalente a un Juego de Rejilla de Bola es mucho más común en estos días) en una PCB puede fundirse, y el silicio en sí mismo tiene algunas características críticas (especialmente su valor dieléctrico) que pueden cambiarse a alta temperatura . En conjunto, puede cambiar el circuito de un semiconductor a un conductor siempre, que generalmente termina con una chispa y un mal olor cuando se enciende el chip..
Los tamaños de funciones más pequeños son casi totalmente positivos desde la mayoría de las perspectivas de métricas; cosas como las velocidades de funcionamiento / reloj que pueden soportarse, el consumo de energía, la generación de calor estrechamente acoplada, etc., pero la sensibilidad al daño por lo que de otra manera se consideraría cantidades triviales de energía también aumenta considerablemente a medida que el tamaño de la característica disminuye.
La protección contra descargas electrostáticas (ESD) está incorporada en muchos dispositivos electrónicos en la actualidad, pero si tiene 500 mil millones de transistores en un circuito integrado, no es un problema manejable determinar qué camino tomará una descarga estática con una certeza del 100 por ciento..
El cuerpo humano a veces se modela (Modelo del cuerpo humano; HBM) con 100 a 250 picofaradios de capacidad. En ese modelo, el voltaje puede llegar a ser tan alto (dependiendo de la fuente) como de 25 kV (aunque algunos afirman que solo llegan a 3 kV). Usando los números más grandes, la persona tendría una "carga" de energía de aproximadamente 150 milijulios. Una persona completamente "cargada" normalmente no sería consciente de ello y se descarga en una fracción de segundo a través de la primera ruta a tierra disponible, frecuentemente un dispositivo electrónico.
Tenga en cuenta que estos números asumen que la persona no está usando ropa capaz de llevar un cargo adicional, que normalmente es el caso. Existen diferentes modelos para calcular el riesgo de ESD y los niveles de energía, y se confunde bastante rápidamente ya que, en algunos casos, parecen contradecirse entre sí. Aquí hay un enlace a una excelente discusión de muchos de los estándares y modelos..
Independientemente del método específico utilizado para calcularlo, no lo es, y ciertamente no suena como mucha energía, pero es más que suficiente para destruir un transistor moderno. Para el contexto, un joule de energía es equivalente (según Wikipedia) a la energía requerida para levantar un tomate de tamaño mediano (100 gramos) un metro verticalmente desde la superficie de la Tierra.
Esto cae en el lado del "peor escenario" de un evento ESD solo para humanos, donde el humano lleva una carga y la descarga en un dispositivo susceptible. Un voltaje que es alto desde una cantidad de carga relativamente baja ocurre cuando la persona está muy mal conectada a tierra. Un factor clave en qué y cuánto se daña no es en realidad la carga o el voltaje, sino la corriente, que en este contexto se puede considerar como cuán baja es la resistencia de la ruta del dispositivo electrónico a la tierra..
Las personas que trabajan con aparatos electrónicos generalmente están conectadas a tierra con muñequeras y / o correas a tierra en sus pies. No son "cortos" para la puesta a tierra; la resistencia está dimensionada para evitar que los trabajadores sirvan como pararrayos (se electrocuten fácilmente). Las muñequeras suelen estar en el rango de 1 M Ohm, pero eso todavía permite la descarga rápida de cualquier energía acumulada. Los elementos capacitivos y aislados, junto con cualquier otro material que genere o almacene cargas, están aislados de las áreas de trabajo, como el poliestireno, el plástico de burbujas y los vasos de plástico..
Hay literalmente un sinnúmero de otros materiales y situaciones que pueden resultar en daños por ESD (tanto por diferencias de carga relativas positivas como negativas) en un dispositivo donde el cuerpo humano no lleva la carga "internamente", sino que simplemente facilita su movimiento. Un ejemplo a nivel de caricatura sería usar un suéter de lana y calcetines mientras camina por una alfombra, luego levanta o toca un objeto metálico. Eso crea una cantidad significativamente mayor de energía que la que el cuerpo podría almacenar..
Un último punto sobre la poca energía que se necesita para dañar la electrónica moderna. Un transistor de 10 nm (no es común todavía, pero lo estará en los próximos dos años) tiene un grosor de compuerta de menos de 6 nm, que se está acercando a lo que llaman una monocapa (una sola capa de átomos).
Es un tema muy complicado, y la cantidad de daño que un evento ESD puede causar a un dispositivo es difícil de predecir debido a la gran cantidad de variables, incluida la velocidad de descarga (cuánta resistencia hay entre la carga y el suelo) , el número de caminos a un terreno a través del dispositivo, la humedad y las temperaturas ambientales, y muchos más. Todas estas variables se pueden conectar a varias ecuaciones que pueden modelar el impacto, pero aún no son muy precisas para predecir el daño real, pero son mejores para encuadrar el posible daño de un evento.
En muchos casos, y esto es muy específico de la industria (piense en el sector médico o aeroespacial), un evento de falla catastrófica inducida por ESD es un resultado mucho mejor que un evento de ESD que pasa a través de la fabricación y las pruebas sin ser detectado. Los eventos de ESD no detectados pueden crear un defecto muy pequeño, o quizás empeorar ligeramente un defecto latente preexistente y no detectado, que en ambos casos puede empeorar con el tiempo debido a eventos de ESD menores adicionales o simplemente a un uso regular.
En última instancia, dan como resultado un fallo catastrófico y prematuro del dispositivo en un marco de tiempo acortado artificialmente que no se puede predecir mediante modelos de confiabilidad (que son la base de los programas de mantenimiento y reemplazo). Debido a este peligro, y es fácil pensar en situaciones terribles (por ejemplo, el microprocesador de un marcapasos o los instrumentos de control de vuelo), encontrar formas de probar y modelar defectos latentes inducidos por la ESD es un área importante de investigación en este momento..
Para un consumidor que no trabaja o no sabe mucho sobre la fabricación de productos electrónicos, puede que no parezca un problema. En el momento en que la mayoría de los productos electrónicos están empaquetados para la venta, existen numerosas medidas de seguridad que evitarían la mayoría de los daños por ESD. Los componentes sensibles son físicamente inaccesibles y existen rutas más convenientes a tierra (es decir, un chasis de computadora está conectado a tierra, descargar ESD casi no dañará la CPU dentro de la caja, sino que llevará la ruta de resistencia más baja a un tierra a través de la fuente de alimentación y la fuente de alimentación del tomacorriente de pared). Alternativamente, no son posibles caminos de corriente razonables; muchos teléfonos móviles tienen exteriores no conductores y solo tienen un camino de tierra cuando se cargan.
Para que conste, tengo que pasar por el entrenamiento de ESD cada tres meses, así que podría seguir. Pero creo que esto debería ser suficiente para responder a su pregunta. Creo que todo en esta respuesta es preciso, pero recomiendo encarecidamente leerlo directamente para conocer mejor el fenómeno si no he destruido tu curiosidad para siempre..
Una cosa que las personas consideran contraintuitiva es que las bolsas en las que se ven con frecuencia los productos electrónicos almacenados y enviados (bolsas antiestáticas) también son conductivas. Antiestático significa que el material no cobrará ningún cargo significativo por interactuar con otros materiales. Pero en el mundo de ESD, es igualmente importante (en la medida de lo posible) que todo tenga la misma referencia de voltaje de tierra..
Las superficies de trabajo (esteras ESD), las bolsas ESD y otros materiales se mantienen atados a una tierra común, ya sea simplemente por no tener un material aislado entre ellos, o más explícitamente al cablear caminos de baja resistencia a una tierra entre todos los bancos de trabajo; Los conectores para las muñequeras de los trabajadores, el piso y algunos equipos. Hay problemas de seguridad aquí. Si trabaja con explosivos y dispositivos electrónicos de alta, su banda de muñeca podría estar atada directamente a un suelo en lugar de a una resistencia de 1 M Ohm. Si trabajas con un voltaje muy alto, no te conectarás a tierra..
Aquí hay una cotización sobre los costos de ESD de Cisco, que incluso podrían ser un poco conservadores, ya que el daño colateral de las fallas de campo para Cisco generalmente no resulta en la pérdida de vida, lo que puede aumentar ese 100x referido por órdenes de magnitud :
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