En la industria se conoce como descarga electrostática (ESD) y ahora es mucho más un problema que nunca, aunque se mitiga un poco por la adopción generalizada bastante reciente de políticas y procedimientos que ayudan a reducir la probabilidad de que el producto dañe la ESD.
En cualquier caso, su impacto en la industria electrónica es mayor que muchas industrias enteras. También es un gran tema de estudio y muy complejo, por lo que solo mencionaré algunos puntos. Si está interesado, hay numerosas fuentes gratuitas, materiales y sitios web 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 la industria, sus costos nos son transferidos.
Por la Asociación ESD:
“La era de la electrónica trajo consigo nuevos problemas asociados con la electricidad estática y la descarga electrostática. Y, a medida que los dispositivos electrónicos se volvieron más rápidos y pequeños, su sensibilidad a ESD aumentó. Hoy, ESD impacta la productividad y la confiabilidad del producto en prácticamente todos los aspectos del entorno electrónico actual. Los expertos de la industria han estimado las pérdidas promedio de producto debido a estática en un rango [hasta] 33%. Otros estiman que el costo real de los daños por ESD para la industria electrónica es de miles de millones de dólares anuales ”.
A medida que los dispositivos y sus tamaños de funciones (en términos generales, el tamaño de componente más pequeño producible por una tecnología dada) se reducen continuamente, se vuelven más susceptibles a ser dañados por ESD, lo que tiene sentido después de un poco de reflexión. La resistencia mecánica de los materiales utilizados para construir productos electrónicos en general disminuye a medida que disminuye su tamaño, al igual que la capacidad de los materiales para resistir el cambio rápido de temperatura, generalmente conocido como 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; 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 compuerta es con frecuencia la víctima, pero otros elementos que transportan corriente se pueden vaporizar o fundir, soldar en los pasadores de un CI (técnicamente, el montaje en superficie equivalente como una matriz de rejilla de bola (BGA) es mucho más común en estos días). El PCB se puede derretir, y el silicio en sí tiene algunas características críticas (especialmente su valor dieléctrico) que se pueden cambiar por el calor; tomado 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 completamente positivos desde la mayoría de las perspectivas métricas: cosas como velocidades de funcionamiento / reloj que pueden admitirse, consumo de energía, (y estrechamente acoplado) generación de calor, etc., pero la sensibilidad al daño de lo que de otra manera se consideraría cantidades triviales de energía también aumenta a medida que disminuye el tamaño de la característica.
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 100% de certeza.
El cuerpo humano a veces se modela (el 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 (algunos afirman solo tan alto como 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 a tierra disponible, con frecuencia un dispositivo electrónico. Tenga en cuenta que estos números suponen 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 vuelve bastante confuso extremadamente rápido ya que en algunos casos parecen contradecirse. No puedo encontrar ninguna fuente que sea más definitiva que otra, así que me limitaré a esta excelente discusión de muchos de los estándares y modelos.
Independientemente del método específico utilizado para calcularlo, no es y ciertamente no suena como mucha energía, pero es más que suficiente para destruir un transistor moderno. Para el contexto, 1 joule de energía es equivalente, según Wikipedia, a la energía requerida para levantar un tomate de tamaño mediano (100 g) a 1 metro verticalmente de la superficie de la Tierra.
Esto está en el 'peor' caso de un evento ESD solo humano, donde el humano lleva la carga y la descarga en un dispositivo susceptible. Un voltaje tan alto por una cantidad relativamente baja de carga ocurre cuando la persona está extremadamente 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 pensar en cuán baja es la resistencia de la ruta del dispositivo electrónico a tierra.
Las personas que trabajan alrededor de la electrónica suelen estar siempre conectadas a tierra, con muñequeras y / o correas de conexión a tierra en los pies. Estos no son 'cortos' a tierra: la resistencia es del tamaño para evitar que los trabajadores sean pararrayos (se electrocutan fácilmente), las muñequeras generalmente están en el rango de 1 Mohm, pero eso aún permite la descarga de cualquier energía acumulada rápidamente. Los elementos capacitivos y aislantes, 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.
Hay literalmente innumerables otros materiales y situaciones que pueden provocar daños por ESD (desde diferencias de carga relativa positivas y negativas) a un dispositivo donde el cuerpo humano no lleva la carga 'internamente', solo facilita su movimiento: una caricatura ejemplo de nivel sería usar un suéter de lana y calcetines mientras camina por una alfombra y luego toca un objeto de metal, lo que 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 tamaño de característica de transistor de 10 nm (aún no es común, pero lo será en los próximos años) tiene un grosor de puerta inferior a 6 nm, que se está acercando a lo que ellos llaman una 'monocapa', una sola capa de átomos.
Es un área muy complicada, y la cantidad de daño que un evento de ESD puede causar a un dispositivo es difícil de predecir debido a la gran cantidad de variables, incluida la velocidad de descarga (cuánta resistencia entre la carga y el suelo), el número de caminos a tierra a través del dispositivo, humedad y temperatura ambiente, y muchos más. Todas estas variables se pueden conectar a varias ecuaciones que modelan los impactos, pero aún no son terriblemente precisas para predecir el daño real, pero son mejores para enmarcar el daño 'posible' de un evento.
En muchos casos, y esto es muy específico de la industria (por ejemplo, médica o aeroespacial), una falla catastrófica que induce un evento de ESD es un resultado mucho mejor que un evento de ESD que pasa desapercibido a través de la fabricación y las pruebas, pero en su lugar crea un defecto muy leve, o quizás empeora levemente un defecto latente no detectado preexistente, que en ambos escenarios puede empeorar con el tiempo debido a eventos ESD 'menores' adicionales o simplemente al uso regular, lo que finalmente resulta en una falla catastrófica y prematura del dispositivo (también conocida como mortalidad infantil) en un marco de tiempo artificialmente más corto no predicho por los modelos de confiabilidad (que son la base de los programas de mantenimiento / reemplazo). Debido a este peligro, y es fácil pensar en situaciones terribles: un microprocesador de marcapasos,
Ahora, de un consumidor que no trabaja o no sabe mucho sobre la fabricación de productos electrónicos, puede parecer que no es un problema: para cuando la mayoría de los productos electrónicos se empaquetan para la venta, existen numerosas medidas de seguridad que evitarían la mayoría de los daños por ESD: los componentes son físicamente inaccesibles y hay caminos más 'convenientes' a tierra disponibles (por ejemplo, el chasis de una computadora está atado a tierra; descargar ESD en él seguramente no dañará la CPU dentro de la carcasa, sino que tomará el camino de baja resistencia a tierra a través de la fuente de alimentación y la alimentación de la pared) o, alternativamente, no son posibles rutas de transporte de corriente razonables: muchos teléfonos celulares tienen exteriores no conductores y solo tienen una ruta a tierra cuando se cargan.
Para el registro, tengo que tomar entrenamiento de ESD cada tres meses, para poder continuar. Pero creo que esto debería ser suficiente para responder a su pregunta. Creo que todo en esto es exacto, pero le recomiendo leerlo directamente para conocer mejor el fenómeno si no he destruido su curiosidad para siempre.
Una cosa que la gente encuentra contradictoria es que las bolsas en las que con frecuencia se ven los productos electrónicos almacenados y enviados, bolsas antiestáticas, también son conductoras. Antiestático significa que el material no acumulará ninguna carga significativa al interactuar con otros materiales, pero en el mundo ESD es igualmente importante que, en la medida de lo posible, todo tenga la misma referencia de voltaje 'tierra', por lo que las superficies de trabajo (esteras ESD ), las bolsas ESD y otros materiales generalmente se mantienen atados a una tierra común (ya sea simplemente por no tener un material aislante entre ellos) o más explícitamente conectando caminos de baja resistencia a tierra entre todos los bancos de trabajo, los conectores para la muñeca de los trabajadores bandas, el piso y algunos equipos. Aquí hay problemas de seguridad: si trabaja cerca de explosivos y componentes electrónicos, su pulsera podría estar atada directamente al suelo en lugar de con una resistencia de 1 Mohm. Si trabaja con un voltaje muy alto, no se conectaría a tierra.
Otra cita sobre los costos de ESD de Cisco, que podría ser incluso un poco conservadora, ya que el daño colateral por fallas de campo para Cisco generalmente no resulta en la pérdida de vidas, lo que puede aumentar ese 100x al que se hace referencia por órdenes de magnitud:
Es sorprendente cuando observa el costo asociado con los componentes dañados por ESD. Los costos relacionados con la falla dependen de cuándo se descubrió el daño. Se estima que si se encuentra el daño:
- Durante el montaje, el costo es 1 veces el costo de montaje y mano de obra.
- Durante la prueba, el costo es 10 veces el costo de ensamblaje y mano de obra.
- En el sitio del cliente, el costo es 100 veces el costo de ensamblaje y mano de obra