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¿Sigue siendo un gran problema con la electrónica el daño por electricidad estática?


Todos nosotros hemos escuchado las advertencias para asegurarnos de que estamos bien conectados a tierra cuando trabajamos en nuestros dispositivos electrónicos, pero hemos disminuido los avances en tecnología el problema del daño por electricidad estática o sigue siendo tan frecuente como antes? La publicación de preguntas y respuestas SuperUser de hoy tiene una respuesta exhaustiva 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, una agrupación de sitios de preguntas y respuestas.

Foto cortesía de Jared Tarbell (Flickr).

The Question

SuperUser reader Ricku quiere saber si el daño por electricidad estática sigue siendo un gran problema con la electrónica ahora:

He oído que la electricidad estática era un gran problema. hace decadas. ¿Sigue siendo un gran problema ahora? Creo que es raro que una persona "fríe" un componente de la computadora ahora.

¿El daño de la electricidad estática sigue siendo un gran problema con la electrónica ahora?

La respuesta

SuperUser contribuidor Argonauts tiene la respuesta para nosotros:

En la industria, se lo conoce como descarga electroestática (ESD) y ahora es un problema mucho mayor que nunca; aunque ha sido mitigada en cierta medida por la adopción ampliamente reciente de políticas y procedimientos que ayudan a reducir la probabilidad de daños ESD a los productos. De todos modos, su impacto en la industria de la electrónica es más grande que muchas otras industrias.

También es un gran tema de estudio y muy complejo, así que solo tocaré algunos puntos. Si está interesado, existen 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 empresas involucradas en la electrónica, ya sea como fabricante, diseñador o "consumidor", y como muchas cosas que se abordan 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 dañarse con ESD, lo que tiene sentido después de pensarlo un poco. La resistencia mecánica de los materiales utilizados para fabricar componentes electrónicos generalmente disminuye a medida que disminuye su tamaño, al igual que la capacidad del material para resistir los rápidos cambios de temperatura, generalmente denominados masa térmica (como en los objetos de escala macro). Alrededor de 2003, los tamaños más pequeños de las funciones se encontraban en el rango de 180 nm y ahora nos acercamos rápidamente a 10 nm.

Un evento de ESD que hace 20 años habría sido inofensivo podría destruir la electrónica moderna. En los transistores, el material de la compuerta 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 (una montura de superficie equivalente a una matriz de rejilla esférica son mucho más comunes en la actualidad) en una PCB puede derretirse, y el silicio tiene algunas características críticas (especialmente su valor dieléctrico) que pueden cambiarse a altas temperaturas. . Tomado en conjunto, puede cambiar el circuito de un semiconductor a un conductor constante, que generalmente termina con una chispa y un mal olor cuando se enciende el chip.

Los tamaños de característica más pequeños son casi totalmente positivos desde la mayoría de las perspectivas de métricas ; cosas como velocidades de operación / reloj que pueden ser soportadas, consumo de energía, generación de calor fuertemente acoplado, etc., pero la sensibilidad al daño de lo que de otro modo se considerarían cantidades triviales de energía también aumenta enormemente a medida que el tamaño de la característica disminuye.

La protección ESD está incorporada en muchos dispositivos electrónicos hoy en día, 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 de cuerpo humano; HBM) que tiene de 100 a 250 picofaradios de capacitancia. En ese modelo, la tensión puede llegar a ser tan alta (dependiendo de la fuente) como 25 kV (aunque algunos afirman que solo alcanzan los 3 kV). Usando los números más grandes, la persona tendría una "carga" de energía de aproximadamente 150 milijulios. Una persona completamente "cargada" normalmente no se daría cuenta y se descarga en una fracción de segundo a través de la primera ruta de tierra disponible, con frecuencia un dispositivo electrónico.

Tenga en cuenta que estos números suponen que la persona no está usando ropa capaz de llevar una carga adicional, que normalmente es el caso. Existen diferentes modelos para calcular el riesgo de ESD y los niveles de energía, y se vuelve bastante confuso muy rápidamente ya que parecen contradecirse entre sí en algunos casos. 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 parece mucha energía, pero es más que suficiente para destruir un transistor moderno. Por contexto, un joule de energía es equivalente (según Wikipedia) a la energía requerida para levantar un tomate de tamaño mediano (100 gramos) a un metro verticalmente de la superficie de la Tierra.

Esto cae en el "peor escenario" lado de un evento ESD solo para humanos, donde el ser humano carga una carga y la descarga en un dispositivo susceptible. Un voltaje tan alto desde una cantidad relativamente baja de carga ocurre cuando la persona está muy mal conectada a tierra. Un factor clave en qué y cuánto se daña no es realmente la carga o el voltaje, sino la corriente, que en este contexto puede considerarse como la baja resistencia del camino del dispositivo electrónico a un suelo.

Personas trabajar con productos electrónicos generalmente se conecta a tierra con muñequeras y / o correas de conexión a tierra en sus pies. No son "cortos" para la conexión a tierra; la resistencia está dimensionada para evitar que los trabajadores sirvan como pararrayos (se electrocutan fácilmente). Las muñequeras generalmente están en el rango de 1M Ohm, pero eso aún permite la descarga rápida de cualquier energía acumulada. Los elementos capacitivos y aislados junto con cualquier otro material de generación o almacenamiento de carga están aislados de las áreas de trabajo, como poliestireno, plástico de burbujas y vasos de plástico.

Existen literalmente innumerables materiales y situaciones que pueden provocar daños por ESD (de ambos diferencias de carga relativas positivas y negativas) a un dispositivo donde el cuerpo humano en sí mismo no lleva la carga "internamente", sino que simplemente facilita su movimiento. Un ejemplo de nivel de historieta sería usar un suéter de lana y calcetines mientras camina sobre una alfombra, y luego levantar o tocar un objeto de metal. Eso crea una cantidad de energía significativamente más alta que la que el propio cuerpo podría almacenar.

Un último punto sobre la poca energía que se necesita para dañar la electrónica moderna. Un transistor de 10 nm (aún no es común, pero lo será en los próximos años) tiene un espesor de puerta inferior a 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). , la cantidad de caminos a un piso a través del dispositivo, la humedad y la temperatura ambiente, y muchos más. Todas estas variables pueden ser conectadas a varias ecuaciones que pueden modelar el impacto, pero no son terriblemente precisas para predecir el daño real, pero son mejores para enmarcar el posible daño de un evento.

En muchos casos, y esto es muy específico de la industria (piense en medicina o en el sector aeroespacial), un evento de falla catastrófica inducida por ESD es un resultado mucho mejor que un evento de ESD que pasa desapercibido durante la fabricación y las pruebas. Los eventos de ESD no detectados pueden crear un defecto muy leve o quizás empeorar ligeramente un defecto latente preexistente e indetectable, que en ambos casos puede empeorar con el tiempo debido a eventos ESD menores o simplemente al uso regular.

En última instancia resultan en una falla catastrófica y prematura del dispositivo en un marco de tiempo reducido artificialmente que no puede predecirse en los modelos de confiabilidad (que son la base para los programas de mantenimiento y reemplazo). Debido a este peligro, y es fácil pensar en situaciones terribles (como el microprocesador de un marcapasos o los instrumentos de control de vuelo, por ejemplo), encontrar nuevas formas de probar y modelar defectos latentes inducidos por 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 ser un problema. En el momento en que la mayoría de los componentes electrónicos se empacan para su venta, existen numerosas medidas de seguridad que evitarían la mayoría de los daños por ESD. Los componentes sensibles son físicamente inaccesibles y hay caminos más convenientes para llegar a tierra (es decir, un chasis de computadora conectado a tierra, descargando ESD en él seguramente no dañará la CPU dentro de la carcasa, sino que tomará la ruta de resistencia más baja a tierra a través de la fuente de alimentación y de la toma de corriente de la pared). Alternativamente, no son posibles rutas de transporte 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, para poder seguir adelante. Pero creo que esto debería ser suficiente para responder a tu pregunta. Creo que todo en esta respuesta es preciso, pero recomendaría leerlo directamente para familiarizarme mejor con el fenómeno si no he destruido su curiosidad para siempre.

Una cosa que la gente encuentra contraintuitiva es que las bolsas con las que con frecuencia ve electrónicos almacenados y enviados (bolsas antiestáticas) también son conductoras. Antiestático significa que el material no recogerá ninguna carga significativa al interactuar con otros materiales. Pero en el mundo ESD, es igualmente importante (en la medida de lo posible) que todo tenga la misma referencia de tensión de tierra.

Las superficies de trabajo (tapetes ESD), las bolsas ESD y otros materiales se mantienen generalmente atados a un común terreno, ya sea simplemente no teniendo un material aislado entre ellos, o más explícitamente mediante el cableado de caminos de baja resistencia a un terreno 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 productos electrónicos de alta potencia, la correa de su muñeca podría estar atada directamente a un suelo en lugar de a una resistencia de 1M Ohm. Si trabajas con un voltaje muy alto, no te conectarías a tierra.

Aquí hay una cita sobre los costos de ESD de Cisco, que incluso podría ser un poco conservador, ya que los daños colaterales por fallas de campo para Cisco generalmente no dar como resultado la pérdida de la vida, que puede elevar ese 100x referido por órdenes de magnitud:


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