O que são Dispositivos Sensíveis a Descargas Eletrostáticas (ESSDs)

Dispositivos Sensíveis a Descargas Eletrostáticas (ESSDs)

Os avanços na tecnologia eletrônica trouxeram inúmeras inovações, como processadores mais rápidos, memórias de maior densidade e displays mais eficientes. Essas melhorias são, em grande parte, resultado da redução do tamanho físico das junções de semicondutores, o que permite a criação de componentes de maior densidade em circuitos integrados de um determinado tamanho.

No entanto, um problema significativo associado ao manuseio de dispositivos semicondutores é que as junções menores são suscetíveis a danos causados por tensões eletrostáticas. Um exemplo comum de eletricidade estática que o leitor pode ter encontrado é o choque elétrico recebido ao sair de um carro.

Os materiais sintéticos usados em roupas, bem como no interior do veículo, são capazes de produzir grandes quantidades de carga estática, que só é liberada quando o motorista ou passageiro pisa no chão.

Efeito Triboelétrico

Quando dois materiais não condutores diferentes são esfregados, o atrito transfere carga elétrica de um material para o outro. Isso eleva o potencial elétrico entre os materiais e é conhecido como efeito triboelétrico. O acúmulo de carga e a subsequente atração de materiais podem ser observados quando o filme aderente é separado de seu rolo.

A polaridade e a força das cargas elétricas dependem principalmente dos materiais, do acabamento da superfície, da temperatura ambiente e da umidade. A série triboelétrica classifica diferentes materiais de acordo com a facilidade com que criam eletricidade estática quando esfregados com outro material. A série é organizada em uma escala triboelétrica de materiais cada vez mais positivos e cada vez mais negativos.

Materiais que cedem elétrons e se tornam positivos quando carregados (aparecendo, portanto, como positivos na escala triboelétrica) incluem vidro, ar e pele humana seca. Materiais que atraem elétrons tornam-se carregados negativamente (aparecendo como negativos na escala triboelétrica) incluem:

• poliéster
• poliestireno
• polietileno
• poli(cloreto de vinila) (PVC).

Certos materiais que não atraem ou cedem elétrons facilmente quando em contato ou esfregados com outros materiais são neutros na escala triboelétrica; exemplos incluem papelão, algodão e aço.

As maiores quantidades de carga estática resultantes do atrito entre materiais (ou da separação, no caso do filme aderente) ocorrem nas extremidades da escala triboelétrica. Por exemplo, PVC esfregado contra vidro ou poliéster esfregado contra pele humana seca produzem um acúmulo de carga.

Uma ocorrência comum ao trabalhar em uma atmosfera seca é que as pessoas descarregam rapidamente a corrente (às vezes produzindo uma faísca) ao tocar em objetos metálicos. Isso ocorre porque elas têm a pele relativamente seca (que pode se tornar altamente positiva em carga) e é acentuado quando as roupas que usam são feitas de material sintético (como poliéster), que adquirirá uma carga negativa.

O efeito é muito menos pronunciado em uma atmosfera úmida, onde a carga dispersa pode ‘vazar’ inofensivamente para a atmosfera. (Note que a pele úmida tende a dissipar a carga mais facilmente.) Pessoas que acumulam cargas estáticas devido à pele seca são aconselhadas a usar roupas de algodão, pois o algodão é neutro na escala triboelétrica.

Ambiente de Trabalho

O problema para a indústria eletrônica é que altas tensões podem ser acumuladas em pessoas e materiais e, em seguida, descarregadas em equipamentos. Essa descarga pode enfraquecer e/ou danificar componentes eletrônicos. Valores representativos de tensões eletrostáticas geradas em algumas situações de trabalho típicas são mostrados na Tabela 20.1. (Observe a diferença significativa na tensão gerada em diferentes valores de umidade relativa.)

A suscetibilidade à tensão estática varia para diferentes tipos de dispositivos ou componentes semicondutores. Por exemplo, tensões de descarga estática tão baixas quanto 20 V a 100 V podem afetar dispositivos complexos, como microprocessadores. Componentes únicos, como retificadores controlados por silício, não são afetados até que níveis entre 4 kV e 15 kV sejam atingidos.

Dispositivos sensíveis a descargas eletrostáticas (incluindo placas de circuito impresso, módulos de circuito e dispositivos plug-in) são invariavelmente marcados com avisos. Estes são geralmente impressos com texto preto em fundos amarelos, conforme mostrado na Fig. abaixo.

Precauções especiais devem ser tomadas ao manusear ou remover ESSDs. Essas precauções incluem o uso do seguinte:

• pulseiras/calcanheiras
• pisos e bancadas dissipadores de estática
• tomadas de aterramento
• equipamentos de teste aterrados
• equipamentos de solda de baixa voltagem e estações de solda antiestáticas (ferros de solda de baixa voltagem com pontas aterradas)
• ferramentas antiestáticas de inserção e remoção para circuitos integrados
• evitar fontes de alta voltagem próximas (por exemplo, unidades de luz fluorescente)
• embalagens antiestáticas (dispositivos sensíveis à estática e placas de circuito impresso devem ser armazenados em suas embalagens antiestáticas até o momento em que forem necessários para uso)
• materiais de proteção.

Procedimento: Manuseio com Pulseira Antiestática e Transporte por Embalagens Antiestáticas

---

1. Manuseio com Pulseira Antiestática

O que é?

A pulseira antiestática é um dispositivo de proteção individual projetado para evitar o acúmulo de cargas eletrostáticas no corpo humano. É geralmente composta por uma faixa condutiva ajustável, conectada através de um cabo com um resistor embutido (geralmente 1 Megaohm), ligado a um ponto de aterramento adequado.

Por que utilizar?

• O corpo humano pode facilmente acumular cargas eletrostáticas, especialmente em ambientes secos.
• Ao tocar componentes eletrônicos sensíveis, tais como MOSFETs ou circuitos VLSI, as cargas acumuladas podem gerar danos irreversíveis.
• A pulseira antiestática permite a dissipação gradual e segura dessa carga para a terra.

Procedimento Correto:

• Ajuste a pulseira confortavelmente ao redor do pulso, garantindo bom contato com a pele.
• Conecte o cabo da pulseira ao ponto de aterramento adequado antes de manusear o componente.
• Verifique periodicamente se a pulseira está conectada corretamente e se há integridade do resistor embutido.
• Evite tocar diretamente os pinos dos componentes eletrônicos sempre que possível.

---

2. Transporte por Embalagens Antiestáticas

O que são?

As embalagens antiestáticas são recipientes especiais, geralmente feitas de materiais condutores ou dissipativos, projetadas para proteger os componentes eletrônicos contra descargas eletrostáticas durante o armazenamento e transporte.

Existem dois tipos principais:

• Embalagem dissipativa (sacos antiestáticos rosados ou transparentes):
  • Dissipam lentamente cargas acumuladas, evitando descargas bruscas.
• Embalagem condutiva (caixas ou sacos metálicos escuros):
  • Fornecem blindagem completa contra campos eletrostáticos.

Por que utilizar?

• Evita que componentes eletrônicos acumulem ou sofram descargas eletrostáticas no trajeto.
• Protege contra danos permanentes, garantindo maior vida útil e confiabilidade.

Procedimento Correto:

• Sempre armazene componentes sensíveis dentro dessas embalagens específicas.
• Ao retirar o componente, conecte-se primeiro à pulseira antiestática ou à estação de trabalho aterrada.
• Não abra embalagens antiestáticas até que esteja totalmente preparado para instalar ou usar o componente.
• Nunca transporte componentes eletrônicos sensíveis soltos, sem embalagem protetora.

---

Recomendações Gerais para segurança contra ESD:

• Manuseie componentes sempre por suas extremidades (bordas) evitando contato direto com os terminais.
• Utilize superfícies antiestáticas ou tapetes aterrados para manuseio.
• Mantenha o ambiente com umidade controlada (idealmente entre 40% e 60%) para minimizar a geração de cargas eletrostáticas.

Esses procedimentos, combinados, garantem a proteção adequada dos dispositivos semicondutores contra danos por ESD, aumentando sua durabilidade e evitando falhas prematuras.

Existem três classes principais de materiais usados para proteger dispositivos sensíveis à estática. São eles:

• materiais condutores, por exemplo, folhas de metal
• materiais dissipadores de estática (uma forma mais barata de material condutor)
• materiais antiestáticos, por exemplo, papelão e algodão.

Destes, os materiais condutores oferecem a maior proteção, enquanto os materiais antiestáticos oferecem a menor proteção. O ambiente de trabalho desempenha um papel importante no manuseio seguro de ESSDs; é necessária vigilância extra quando a umidade relativa é baixa, por exemplo, em oficinas com ar condicionado. (Leitura adicional sobre o assunto de EMI e ESSD pode ser encontrada em um livro relacionado da série, Aircraft Digital and Electronic Computer Systems.)

Tabela – Valores representativos de tensões eletrostáticas geradas em situações de trabalho típicas

Situação	20% umidade relativa	80% umidade relativa
Caminhando sobre um carpete de lã/nylon	35 kV	1.5 kV
Deslizando uma caixa de plástico sobre um carpete	18 kV	1.2 kV
Removendo peças de um saco de poliestireno	15 kV	1 kV
Caminhando sobre piso de vinil	11 kV	350 V
Removendo embalagem termoencolhível	10 kV	250 V
Trabalhando em uma bancada usando macacão	8 kV	150 V

Ponto chave de manutenção

O efeito da menor umidade nos componentes ESSD em ambientes de trabalho típicos será o de criar tensões mais altas e representar mais ameaça aos componentes.

DISPOSITIVOS MAIS SENSÍVEIS A DANOS POR ELETROSTÁTICA

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor):

O MOSFET é um tipo específico de transistor muito utilizado em circuitos eletrônicos modernos. Sua estrutura básica inclui três terminais principais:

• Gate (Porta)
• Drain (Dreno)
• Source (Fonte)

Entre o Gate e o substrato semicondutor existe uma camada extremamente fina de óxido isolante (geralmente dióxido de silício). A tensão aplicada ao Gate controla a passagem de corrente elétrica entre Drain e Source.

Por que é sensível à ESD:
O MOSFET possui uma camada isolante de óxido de silício extremamente fina (na ordem de nanômetros). Uma pequena descarga eletrostática pode facilmente romper essa fina camada isolante, destruindo permanentemente o transistor.

---

Circuitos VLSI (Very Large Scale Integration):

VLSI é uma tecnologia de fabricação que permite colocar milhares ou até milhões de transistores em um único circuito integrado (chip). Esses chips incluem processadores, memórias, microcontroladores e outros circuitos integrados complexos.

• VLSI NMOS: É uma tecnologia baseada em transistores MOS que utilizam predominantemente semicondutores do tipo N (NMOS).
• VLSI PMOS: Utiliza semicondutores do tipo P (PMOS).

As tecnologias NMOS e PMOS, embora hoje frequentemente combinadas na tecnologia CMOS (Complementary MOS), originalmente eram usadas separadamente, cada uma com suas vantagens e limitações específicas.

NMOS:

• Mais rápido que PMOS.
• Consome mais energia que CMOS.
• Bastante utilizado nos primórdios dos circuitos integrados VLSI.

PMOS:

• Menos veloz que NMOS.
• Maior resistência à interferência elétrica comparado ao NMOS.
• Foi amplamente utilizado antes do advento do CMOS.

---

Por que são vulneráveis à ESD?

A característica mais importante que torna MOSFETs e circuitos VLSI (NMOS e PMOS) extremamente sensíveis à descarga eletrostática é justamente essa camada muito fina e frágil de óxido isolante, necessária para o controle da corrente elétrica. Pequenas descargas podem facilmente atravessar e romper essa camada, levando à falha do componente.

Por isso, eles exigem cuidados especiais, como uso de pulseiras antiestáticas, superfícies aterradas, embalagens especiais e procedimentos específicos de manuseio para evitar danos permanentes por ESD.

Glossário

Descarga Eletrostática (ESD – Electrostatic Discharge): Transferência repentina de eletricidade estática entre dois objetos com diferentes potenciais elétricos. Pode causar danos irreversíveis a componentes eletrônicos sensíveis.

Dispositivos Eletrostaticamente Sensíveis (ESDS – Electrostatic Sensitive Devices): Componentes eletrônicos que podem ser danificados por descargas eletrostáticas. Incluem semicondutores, microprocessadores, e outros circuitos integrados.

Eletricidade Estática: Acúmulo de carga elétrica na superfície de um objeto, geralmente causado por atrito ou contato entre materiais diferentes.

Efeito Triboelétrico: Fenômeno de geração de eletricidade estática através do atrito entre dois materiais diferentes, resultando na transferência de elétrons e na criação de cargas elétricas opostas nos materiais.

Série Triboelétrica: Uma classificação de materiais que indica sua tendência a ganhar ou perder elétrons (e, consequentemente, a se carregar positiva ou negativamente) quando atritados com outros materiais. Ajuda a prever a polaridade e a magnitude da carga estática gerada.

FET (Field Effect Transistor – Transistor de Efeito de Campo): Tipo de transistor que controla o fluxo de corrente através de um campo elétrico. Componentes baseados em FET, como CMOS e MOSFETs, são particularmente sensíveis a ESD.

CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor): Tecnologia de fabricação de circuitos integrados que utiliza transistores MOSFET complementares (tipo N e tipo P). É amplamente utilizada em microprocessadores e memórias, mas é altamente sensível a ESD.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor): Um tipo específico de transistor de efeito de campo, fundamental em eletrônica digital e analógica. Sua estrutura o torna muito vulnerável a danos por ESD, mesmo com baixas tensões.

VLSI (Very Large Scale Integration – Integração em Escala Muito Grande): Processo de criação de circuitos integrados que contêm milhões de transistores em um único chip. Circuitos VLSI são complexos e, muitas vezes, incluem componentes sensíveis a ESD.

PMO: Refere-se a dispositivos ou tecnologias que utilizam transistores de efeito de campo de óxido metálico de canal P (P-channel Metal-Oxide-Semiconductor).

Umidade Relativa: A quantidade de vapor de água presente no ar em relação à quantidade máxima que o ar pode reter a uma dada temperatura. Ambientes com baixa umidade relativa tendem a favorecer a acumulação de cargas eletrostáticas, aumentando o risco de ESD.

Pulseira Antiestática: Dispositivo condutor usado no pulso do operador e conectado a um ponto de aterramento. Permite a dissipação segura de cargas eletrostáticas do corpo do operador, prevenindo danos a componentes sensíveis.

Megaohm (MΩ): Unidade de medida de resistência elétrica. As pulseiras antiestáticas geralmente contêm um resistor de 1 MΩ para limitar a corrente e garantir a segurança do usuário.

Aterramento (Ground): Conexão elétrica a um ponto de referência de potencial zero (terra). Essencial para dissipar cargas eletrostáticas de forma segura e proteger equipamentos.

Embalagens Antiestáticas: Sacolas ou recipientes feitos de materiais que protegem os componentes eletrônicos da eletricidade estática. Podem ser metálicas (blindagem) ou dissipadoras de estática (como as de cor rosa).

Materiais Condutores: Materiais que permitem o fluxo fácil de corrente elétrica. Oferecem a maior proteção contra ESD, como folhas de metal.

Materiais Dissipadores de Estática: Materiais que permitem que as cargas eletrostáticas se dissipe lentamente e de forma controlada, evitando descargas rápidas e prejudiciais. São uma forma mais econômica de material condutor.

Materiais Antiestáticos: Materiais que inibem a geração de cargas eletrostáticas por atrito. Oferecem a menor proteção contra ESD em comparação com os condutores e dissipadores, exemplos incluem papelão e algodão.

Pisos e Bancadas Dissipadores de Estática: Superfícies projetadas para dissipar cargas eletrostáticas, criando uma área de trabalho segura para o manuseio de ESSDs.

Equipamentos de Teste Aterrados: Ferramentas e instrumentos de medição que são eletricamente conectados ao aterramento para evitar a transferência de cargas estáticas para os componentes testados.

Solda de Baixa Voltagem e Estações de Solda Antiestáticas: Equipamentos de solda projetados para minimizar o risco de ESD, geralmente com pontas aterradas, para proteger componentes sensíveis durante o processo de soldagem.

Ferramentas Antiestáticas de Inserção e Remoção: Ferramentas especializadas, como pinças e extratores, feitas de materiais dissipadores de estática para manusear circuitos integrados sem gerar ou transferir cargas estáticas.

Umidade Baixa: Condição ambiental que favorece a acumulação de altas tensões eletrostáticas, aumentando o risco de danos a componentes ESSD. Exige vigilância extra em oficinas com ar condicionado.

ACARS (Aircraft Communications Addressing and Reporting System): Sistema de comunicação digital usado em aeronaves para transmitir dados entre a aeronave e as estações terrestres. (Mencionado nas perguntas de múltipla escolha, mas não diretamente relacionado a ESD no contexto principal).

Ligação Secundária (Secondary Bonding): Prática de aterramento em aeronaves para manter todas as partes da estrutura no mesmo potencial elétrico, ajudando a descarregar eletricidade estática e proteger contra raios. (Mencionado nas perguntas de múltipla escolha).

EMI (Electromagnetic Interference – Interferência Eletromagnética): Ruído ou perturbação que afeta o desempenho de um circuito elétrico devido à radiação eletromagnética. (Mencionado no contexto de redução de EMI com fios de alumínio e leitura adicional).

Static Wicks (Descargas Estáticas): Dispositivos instalados em aeronaves para descarregar eletricidade estática acumulada na fuselagem para a atmosfera, prevenindo interferências em sistemas de comunicação e navegação. (Mencionado nas perguntas de múltipla escolha).