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Todos hemos escuchado las advertencias para asegurarnos de que estamos debidamente conectados a tierra cuando trabajamos con nuestros dispositivos electrónicos, pero ¿los avances en la tecnología han disminuido el problema del daño por electricidad estática o sigue siendo tan frecuente como antes? La publicación de preguntas y respuestas del superusuario de hoy tiene una respuesta completa 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 de superusuario Ricku quiere saber si el daño por electricidad estática sigue siendo un gran problema con la electrónica ahora:

Escuché que la electricidad estática era 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 la computadora ahora.

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

La respuesta

El colaborador de superusuario Argonauts tiene la respuesta para nosotros:

En la industria, se conoce como descarga electrostática (ESD) y es un problema mucho mayor ahora que nunca; aunque se ha mitigado un poco por la adopción generalizada bastante reciente de políticas y procedimientos que ayudan a reducir la probabilidad de daños por ESD en los productos. Independientemente, su impacto en la industria electrónica es mayor que el de muchas otras industrias completas.

También es un tema de estudio enorme y muy complejo, por lo 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 tratan en una industria, sus costos se transfieren a nos.

De la Asociación ESD:

A medida que los dispositivos y el tamaño de sus funciones se vuelven cada vez más pequeños, se vuelven más susceptibles a ser dañados por ESD, lo que tiene sentido después de pensar un poco. 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 cambios rápidos de temperatura, generalmente denominados masa térmica (al igual que en los objetos a escala macro). Alrededor de 2003, los tamaños de características más pequeños estaban en el rango de 180 nm y ahora nos estamos acercando rápidamente a los 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 vaporizarse o fundirse. La soldadura en los pines de un IC (un equivalente de montaje en superficie como un Ball Grid Array es mucho más común en estos días) en una PCB se puede derretir, y el silicio en sí tiene algunas características críticas (especialmente su valor dieléctrico) que se pueden cambiar con altas temperaturas. . Tomado en conjunto, puede cambiar el circuito de un semiconductor a uno siempre conductor, que generalmente termina con una chispa y un mal olor cuando se enciende el chip.

Los tamaños de características más pequeños son casi completamente positivos desde la mayoría de las perspectivas de las métricas; cosas como velocidades de reloj / funcionamiento que se pueden admitir, consumo de energía, generación de calor estrechamente acoplada, etc., pero la sensibilidad al daño de lo que de otro modo se consideraría cantidades triviales de energía también aumenta en gran medida a medida que disminuye el tamaño de la función.

La protección ESD está integrada 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 un 100 por ciento de certeza.

El cuerpo humano a veces se modela (Modelo de cuerpo humano; HBM) con 100 a 250 picofaradios de capacitancia. En ese modelo, el voltaje puede llegar a ser tan alto (dependiendo de la fuente) como 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 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 asumen que la persona no está usando ropa que pueda cargar con un cargo adicional, que es normalmente 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 suena como mucha energía, pero es más que suficiente para destruir un transistor moderno. Para el contexto, un julio 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 lado del «peor escenario» de un evento de ESD solo para humanos, donde el humano lleva una carga y la descarga en un dispositivo susceptible. Un voltaje tan alto de 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 tierra.

Las personas que trabajan con aparatos electrónicos suelen estar conectadas a tierra con muñequeras y / o correas de conexión a tierra en los pies. No son «pantalones cortos» para la conexión a tierra; la resistencia está dimensionada para evitar que los trabajadores sirvan como pararrayos (electrocutarse fácilmente). Las muñequeras suelen estar en el rango de 1 M Ohm, pero eso aún permite la descarga rápida de cualquier energía acumulada. Los elementos capacitivos y aislados, junto con cualquier otro material que genere o almacene cargas, se aíslan de las áreas de trabajo, como poliestireno, plástico de burbujas y vasos de plástico.

Hay literalmente innumerables otros materiales y situaciones que pueden resultar en daños por ESD (tanto por diferencias de carga relativas positivas como negativas) a un dispositivo donde el cuerpo humano en sí mismo no lleva la carga “internamente”, sino que simplemente facilita su movimiento. Un ejemplo a nivel de dibujos animados sería usar un suéter de lana y calcetines mientras camina sobre una alfombra, luego levanta o toca un objeto de metal. Eso crea una cantidad de energía significativamente mayor de 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 común, pero lo será en los próximos años) tiene un grosor de puerta de menos de 6 nm, que se acerca 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 hacia el suelo a través del dispositivo, la humedad y la temperatura ambiente, 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 enmarcar el posible daño de un evento.

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

En última instancia, resultan en una falla catastrófica y prematura del dispositivo en un marco de tiempo acortado artificialmente que no puede predecirse mediante 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 (el microprocesador de un marcapasos o los instrumentos de control de vuelo, por ejemplo), encontrar 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 un problema. Para cuando 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 hay rutas más convenientes a tierra disponibles (es decir, un chasis de computadora está conectado a tierra, la descarga de ESD en él casi seguramente no dañará la CPU dentro de la carcasa, sino que tomará la ruta de resistencia más baja a una tierra a través de la fuente de alimentación y la fuente de alimentación de la toma de pared). Alternativamente, no son posibles rutas de transporte de corriente razonables; muchos teléfonos móviles tienen exteriores no conductores y solo tienen una ruta a tierra cuando se cargan.

Para que conste, tengo que pasar por la capacitación en EDS cada tres meses, para poder seguir adelante. Pero creo que esto debería ser suficiente para responder a su pregunta. Creo que todo en esta respuesta es exacto, pero le recomendaría encarecidamente que lo lea directamente para familiarizarse mejor con el fenómeno si no he destruido su curiosidad para siempre.

Una cosa que la gente encuentra contraria a la intuición es que las bolsas en las que usted ve con frecuencia los dispositivos electrónicos almacenados y enviados (bolsas antiestáticas) también son conductoras. Antiestático significa que el material no cobrará ninguna carga significativa al interactuar con otros materiales. Pero en el mundo ESD, es igualmente importante (en la mejor medida posible) que todo tenga la misma referencia de voltaje de tierra.

Las superficies de trabajo (tapetes ESD), las bolsas ESD y otros materiales se mantienen típicamente atados a una tierra común, ya sea simplemente por no tener un material aislado entre ellos, o más explícitamente conectando 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. Aquí hay problemas de seguridad. Si trabaja cerca de explosivos y dispositivos electrónicos, su muñequera puede estar atada directamente a una tierra en lugar de una resistencia de 1M Ohm. Si trabaja con un voltaje muy alto, no se conectará a tierra en absoluto.

Aquí hay una cotización sobre los costos de ESD de Cisco, que incluso podría ser un poco conservadora, ya que los daños colaterales de las fallas de campo para Cisco generalmente no resultan en la pérdida de vidas, lo que puede aumentar ese 100 veces al que se hace referencia en órdenes de magnitud. :

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