Premissas iniciais

Antes de discorrer sobre o tema ao qual me propus, gostaria de contar com a compreensão dos meus colegas profissionais da área de eletrônica pela falta de uso de termos técnicos e expressões comumente usadas no mundo da eletrônica. Entendam que os meus leitores são de várias áreas (RH, vendas, CQ, comercial, etc.,) e segmentos (Saúde, Automotivo, Bebidas, Administradores, etc.). Por causa disso, levem em consideração a minha tentativa de levar algo um tanto quanto complexo, ao conhecimento de todos.

Tendo dedicado a maior parte de minha vida profissional em empresas do segmento eletroeletrônico, lidei com os mais variados problemas inerentes aos processos de manufatura desse setor. Essa minha vivência profissional fez com que eu tomasse a abordagem da ESD de forma “automática”, então a minha equipe sempre foi doutrinada a manter uma preocupação com aqueles pontos-chaves de grande potencial de ocorrência desse fenômeno, bem como a manter um contínuo controle e monitoramento dos mesmos. Essas preocupações eram transferidas para os checklists de auditorias de processo e transformados em perguntas: Como está a estação de trabalho “X” em termos de ESD? As bancadas estão todas aterradas? Os operadores estão usando luvas ante estáticas? Os processos estão em conformidade com a norma às normas ANSI/ESD S20.20*?

* A norma ANSI/ESD S20.20, é uma norma que foi elaborada para ajudar as organizações com o projeto, desenvolvimento, implementação e manutenção de programas para controlarem as descargas eletrostáticas.

Certo. Vamos parar de “embromação”, como dizia o meu avô, e vamos ao que interessa!

Definição de Descarga Eletrostática – ESD

Quem nunca teve um produto ou equipamento eletrônico que subitamente parou de funcionar, como uma TV por exemplo? E após a análise do técnico de reparo, conclui-se que um pequeno CI (componente sensível à ESD, CI são as iniciais de Circuito Integrado) estava “queimado”? Como ele pôde ter se queimado? Pois é, esses é um dos possíveis efeitos do ESD. Concluímos então que os componentes sensíveis à ESD podem se danificar quando submetido a uma sobrecarga de tensão ou ter a sua vida útil reduzida, devido a forma errada de manuseio durante o processo de manufatura no que tange ao fenômeno ESD.

Exemplo de CI danificado (queimado) por ESD.

A eletricidade estática ou ESD, do inglês Electrostatic Discharge, é um fenômeno físico que não se vê, mas se sente, pois causa perda de produção, de tempo, de matéria-prima, podendo ainda criar incêndios, choque em operadores, contaminações com fuligem ou pó e causar graves danos aos componentes eletrônicos sensíveis (vide exemplo acima), requerendo altos custos de manutenção e/ou reparos em serviços de campo.

O objetivo deste texto é mostrar a importância que deve ser dada sobre problemas ocasionados por ESD; Alertar e orientar as empresas do segmento eletroeletrônico sobre a importância do controle, descrever os mecanismos, as influências e as sensibilidades de alguns componentes quando submetidos a essas descargas, bem como sugerir alguns procedimentos e meios de proteção.

Portanto, a eletricidade estática é a eletrificação de materiais através do contato físico e outros meios (esclarecerei mais à frente). Uma descarga eletrostática, ou ESD, ocorre quando há uma transferência de cargas elétricas entre corpos que possuem diferentes potenciais eletrostáticos. Essa descarga também pode ocorrer quando os corpos estão muito próximos ou quando estão em contato direto.

Usualmente o fenômeno é visto na natureza em forma de raios ou quando estamos potencialmente carregados, essa eletricidade estática é descarregada quando tocamos em algum objeto metálico, como a maçaneta de uma porta. Outro exemplo, é quando aproximamos o nosso braço à tela de televisores e os pelos ficam atraídos, isto é, ficam “arrepiados”.

O raio é uma descarga eletrostática de grande intensidade que quebra a rigidez dielétrica do ar, ocorrendo um grande fluxo de energia entre regiões eletricamente carregadas, e pode dar-se tanto no interior de uma nuvem (intra-nuvem), como entre nuvens (inter-nuvens) ou entre uma nuvem e a terra (nuvem-solo).

Componentes eletrônicos são muito sensíveis às descargas elétricas. Um chip CMOS*, por exemplo, pode ser afetado com uma descarga eletrostática de 250 volts. Uma pessoa caminhando num carpete, dependendo da taxa de umidade do ar, pode acumular mais de 1.500 volts.

* O chip denominado CMOS é um CI (Circuito Integrado) composto por um relógio eletrônico e uma memória RAM de 64 bytes, onde estão armazenadas as informações relativas à configuração do hardware do microcomputador.

Como surge a ESD?

A descarga eletrostática pode ser gerada essencialmente por 3 (três) meios:

1) ATRITO

É gerada pela fricção entre duas superfícies (triboeletrificação). É o que ocorre quando penteamos nosso cabelo e, logo em seguida, aproximamos o pente de pequenos pedaços de papel. Você irá observar que os pequenos pedaços de papel serão atraídos pelo pente. Nessa ação (pentear o cabelo), houve o atrito entre o pente e o seu cabelo, levando a propiciar a ocorrência de uma transferência de elétrons entre os dois corpos, o que deixou o pente eletricamente carregado.

2) CONTATO

A eletrização por contato, diferentemente da eletrização por atrito, necessita de pelo menos um dos corpos carregado eletricamente.

Para entender o funcionamento do processo da eletrização por contato, considere um condutor carregado positivamente e outro condutor neutro. Aproxima-se o condutor positivo do condutor neutro até que ocorra o contato entre eles. Quando isso acontece, haverá uma transferência de elétrons do corpo neutro para o corpo carregado positivamente. Essa transferência irá ocorrer de maneira bem rápida até que ambos os condutores fiquem com o mesmo potencial elétrico, isto é, a mesma quantidade de carga elétrica.

3) INDUÇÃO

Na eletrização por atrito e por contato, há obrigatoriamente a necessidade do contato físico entre os corpos. Na eletrização por indução isso já não é necessário e é por isso que esse processo recebe esse nome.

Considere três condutores, um carregado eletricamente e ou outros dois neutros e encostados um no outro. Aproxima-se o condutor carregado dos condutores neutros. O condutor carregado será o indutor e os condutores neutros, os induzidos. Durante essa aproximação, observa-se uma separação de cargas nos condutores neutros. Como o indutor é positivo, o induzido mais próximo do indutor ficará negativo e o induzido mais afastado ficará positivo. Agora com o indutor ainda próximo, separam-se os dois condutores que estão juntos. E por fim, retira-se o indutor das proximidades dos outros dois corpos. Teremos como resultado os dois condutores que inicialmente eram neutros, agora carregados com cargas de sinais a opostos. Note que em momento algum houve o contato entre o condutor carregado e os condutores inicialmente neutros.

Um exemplo de uma consequência da eletrização por indução são os raios. Quando temos uma nuvem carregada eletricamente durante uma tempestade, ela irá induzir na superfície cargas de sinais opostos criando assim um campo elétrico entre a nuvem e a superfície. Se esse campo elétrico for muito intenso teremos uma descarga elétrica violenta que nós conhecemos como raio.

A Tabela Triboelétrica

Também é possível a descarga eletrostática pela separação de materiais de diferentes capacitâncias*.

Podemos definir *capacitância ou capacidade elétrica, como a propriedade que determinados componentes possuem de armazenar cargas elétricas em si quando submetido a uma determinada tensão e corrente elétrica.

A quantidade de carga acumulada por geração triboelétrica* é afetada, principalmente, pela área de contato, velocidade da separação e umidade relativa. A série triboelétrica, mostrada na tabela abaixo, é utilizada para determinação da tendência de um material em acumular cargas positivas ou negativas.

*Geração triboelétrica refere-se ao estado em que ficou o material após o atrito, isto é, quão positivamente ou negativamente ele ficou carregado. A tabela triboelétrica é exibida na imagem logo abaixo.

O nível de umidade relativa do ar no ambiente de trabalho também interfere nas tensões eletrostáticas. Ambientes com baixos níveis de umidade produzem maiores tensões que ambientes com altos níveis, já que menores cargas são conduzidas na umidade do ar e nos materiais em ambientes com alta umidade.

Veja alguns exemplos:

Quando sentimos um choque de eletricidade estática, estamos experimentando uma descarga de no mínimo 3.000 volts. Enquanto é possível sentir uma descarga de 3.000 volts, cargas menores estarão abaixo da sensibilidade humana, mas que poderão danificar seriamente dispositivos semicondutores.

Com o avança da tecnologia, componentes eletrônicos tendem a se tornar cada vez menores. Com o tamanho reduzido dos componentes, o espaço entre isoladores e circuitos internos é microscópico, o que aumenta a sensibilidade ao ESD. A necessidade de proteção ao ESD aumenta com o avanço da tecnologia.

Efeitos da ESD

Os efeitos da ESD sobre componentes eletrônicos são invariavelmente destrutivos. Após uma descarga eletrostática, o componente pode apresentar falha total, degradação de desempenho, redução da expectativa de vida ou operação instável.

A imagem abaixo mostra um trecho do interior de um microchip, ampliado por microscópio, danificado após o simples toque do usuário.

O prejuízo de ESD para componentes eletrônicos podem tomar a forma de falhas passivas ou falhas catastróficas.

· Falha passiva – a descarga não é potencialmente alta para danificar o equipamento, mas suficiente para causar falhas no sistema, panes, travamentos, falta de desempenho.

· Falha catastrófica direcional – quando o componente é danificado no momento da descarga e a falha é identificada no teste.

· Falha catastrófica oculta – quando a falha não chega a danificar o componente no momento da descarga, continuando a funcionar por um tempo. Geralmente a falha total ocorre quando o produto ou equipamento já está em uso pelo cliente.

Controle da ESD

A maneira básica de proteção contra ESD é obtido através da combinação de métodos de prevenção do acúmulo de cargas e mecanismos de remoção de cargas existentes. Para minimizar os problemas com eletricidade estática, podemos citar 4 regras básicas de proteção:

1. Estações de trabalho (local de trabalho, bancada, ambiente e prevenção pessoal);

2. Transporte e armazenamento;

3. Ensaios periódicos;

4. Fornecedores.

Regra 1 – Estações de trabalho e ambiente

A primeira regra é manter as estações de trabalho protegidas, onde os somente os componentes sensíveis podem ser manuseados nesta área.

Para tal proteção, podem ser utilizados dispositivos como pulseiras e calcanheiras dissipativas, ionizadores, superfícies dissipativas, como mantas, tapetes ou pisos com tratamento dissipativo e controle da umidade relativa do ar.

Os pisos dissipativos são eficientes no sentido de minimizarem a geração de cargas estáticas, através do deslocamento pela sala de pessoas ou carrinhos de transporte de materiais.

Os ionizadores são equipamentos que lançam íons negativos e positivos no ambiente, de forma a neutralizar as cargas acumuladas nos objetos sob sua área de proteção, podendo ser de pequeno volume de vazão para uso em bancadas ou de grande volume, este adequado para salas limpas.

Importância do Aterramento

Levando em consideração que cargas elétricas não podem ser destruídas ou eliminadas, devemos ter em mente que a única forma de controle será o seu desvio para o terra, que constitui um depósito infinito de cargas.

Todo o processo de ESD necessitará de um bom sistema de aterramento, onde estarão conectados todos os dispositivos de proteção, como mantas, tapetes e piso dissipativo, pulseiras e calcanheiras, equipamentos eletrônicos, estações de solda etc.

A qualidade do sistema de terra e sua eficiência são fundamentais para a implementação de qualquer programa de controle de ESD realmente funcional.

Controlando a área de trabalho

Nas bancadas de trabalho existem diversos itens que devem ser verificados quando da implementação de um controle ESD.

O primeiro item é a superfície da mesa. A preocupação deve ser com a sua capacidade de acumular cargas assim como sua capacidade de drenas cargas dos objetos colocados sobre sua superfície. O acúmulo de cargas deve ser o mínimo e sua capacidade de drenar cargas deve ser eficiente e segura.

Os materiais usados para controle de ESD normalmente são classificados como condutivos, dissipativos e antiestáticos.

As superfícies dissipativas são as ideais, por apresentarem uma resistividade entre 105 e 109 ohms/quadrado (ver quadro abaixo).

Materiais condutivos não devem ser utilizados porque podem danificar os componentes eletrônicos por formação e correntes muito altas devido às descargas muito rápidas e os antiestáticos porque a descarga é lenta.

Existem divergências quanto ao uso dessas classificações e o termo genérico antiestático tem sido usado cada vez mais frequentemente. O uso da expressão pulseira antiestática, por exemplo, para se referir à pulseira com propriedade dissipativa.

Um segundo item que deve ser verificado são as caixas de armazenagem colocadas junto às mesas. Normalmente, as caixas são confeccionadas em material plástico devido a sua facilidade de fabricação e baixo custo. As mesmas considerações feitas em relação à superfície da mesa devem ser aplicadas às caixas. Novamente as dissipativas devem ser as preferidas.

Todos os materiais e ferramentas utilizadas na área de trabalho devem ser analisados em relação à geração de ESD. Por exemplo, o cabo de uma chave de fenda em plástico não condutivo poderá atingir um nível de 1700 volts.

Escovas para limpeza são artigos que deverão ser escolhidos com muito cuidado, visto que sua utilização implica em forte geração de cargas. Escolha as especialmente preparadas para minimizar o risco de ESD. Normalmente, as melhores utilizam pelos de animais. Aqui deve-se tomar cuidado com o IBAMA...rs.

Controlando as cargas do corpo humano

A pele de um técnico ou operador deve ser sempre aterrada, mas em conformidade com os requisitos de proteção pessoal.

A solução mais eficiente para esse problema é a utilização de pulseiras especiais de aterramento adequadas para a classe de sensibilidade à ESD do componente a ser manipulado. Essas pulseiras conectam a pele com o terra através de um resistor de 1 Mohm, garantindo que o escoamento das cargas acumuladas não atinja correntes excessivas e, ao mesmo tempo, evitando os riscos de choques elétricos.

Outra medida que pode ser tomada é o uso, por todo o pessoal com acesso à área onde existir controle de ESD, de calcanheiras ou biqueiras, que em conjunto com os pisos dissipativos, minimizará a geração de cargas durante os deslocamentos (vide figura abaixo).

Outro aspecto que deve ser observado diz respeito às técnicas de manuseio de componentes e placas eletrônicas, onde o técnico deve estar sempre consciente do fato que cargas estáticas sempre estarão presentes e evite tocar diretamente terminais e componentes (Vide procedimento abaixo).

Uma forma de minimizar esse problema é a utilização de luvas ou dedeiras dissipativas.

Na falta de equipamento adequado, é importante descarregar a eletricidade estática do corpo antes de manusear componentes sensíveis. Tocar uma janela metálica não pintada, por exemplo, com as duas mãos. Essa descarga também pode ser feita tocando a fonte de alimentação ou a carcaça metálica interna do computador (vide imagem abaixo). É recomendável repetir a descarga a cada 10 ou 15 minutos.

Roupas também são elementos que devem ser considerados cuidadosamente na implementação de um programa de controle de ESD.

Tecidos sintéticos acumulam cargas que não podem ser facilmente descarregadas. Devem ser dadas preferências às roupas de algodão, que é relativamente neutro na geração de cargas eletostáticas.

Outra possibilidade consiste no uso de jalecos especialmente desenvolvidos para dissipação de cargas. Esses jalecos especiais possuem fibras condutoras entremeadas no tecido.

Manutenção em campo

Além da preparação em bancada, levamos em consideração trabalhos móveis, onde o técnico tem que se deslocar até o ambiente do cliente para a realização de uma manutenção em campo.

Para tais ocasiões, sugere-se a utilização de kits portáteis para serviço em campo, que geralmente constam de manta dissipativa com ponto de aterramento e pulseira (lembrando que a manta deve estar aterrada para funcionar adequadamente), além das ferramentas adequadas (ferramentas e pincéis antiestáticos etc.).

Regra 2 – Transporte e armazenamento

A segunda regra é transportar e armazenar todos os componentes e placas sensíveis em recipientes de blindagem da descarga eletrostática.

Existem no mercado diversos produtos voltados para esse controle, como embalagens antiestáticas, caixas condutivas, protetores de bordas, espumas antiestáticas etc. Veja alguns exemplos abaixo.

Regra 3 – Ensaios periódicos

Um aspecto importante no ambiente de trabalho diz respeito às condições dos equipamentos de controle antiestático. De nada adianta utilizar uma pulseira dissipativa se não tivermos certeza de que ela está funcionando corretamente.

Na terceira regra, devem-se testar todos os produtos para controle de ESD, certificando-se de que todos estejam em perfeito funcionamento.

Para controlar a eficiência do material usado, existem monitores que indicam se os equipamentos de proteção devem ser substituídos ou enviados para manutenção. Equipamentos como medidor de pulseira e calcanheira, kits de teste de superfície (megôhmetro), sensor de campo eletrostático, sensor para ionizador etc.

Regra 4 – Fornecedores

A quarta regra é, basicamente, garantir e certificar que todos os fornecedores de componentes e serviços seguem as três primeiras regras sugeridas e se possível realizar auditorias periódicas.

De nada adianta garantir um controle rigoroso de ESD no ambiente fabril ou de serviços e nos demais ambientes onde os componentes serão manipulados não haja controle contra ESD.

Conclusão

Estabelecer um programa de controle de ESD efetivo não é um objetivo simples, embora a maioria das medidas necessárias o seja.

O principal elemento em qualquer programa de controle será o técnico ou operador. É importante ter em mente que um técnico treinado, mesmo sem nenhum equipamento de proteção, será mais eficiente do que um técnico sem treino, mesmo que todos os dispositivos de proteção possíveis estejam disponíveis.

Todas as pessoas envolvidas devem ser treinadas e atualizadas nos procedimentos periodicamente.

Com a utilização de equipamentos de controle ESD, normalmente ocorre uma falsa sensação de segurança e relaxamento em relação a atividades simples como, por exemplo, evitar utilizar copos plásticos, folhas de papel e embalagens desnecessárias na área de trabalho.

Para iniciar um processo de controle de ESD, sugiro verificar os seguintes itens:

1.Examinar suas instalações e procedimentos

Verificar entre os processos e equipamentos aqueles com maior chance de provocar o aparecimento de problemas de ESD. Por exemplo, a limpeza de placas utilizando escovas com cerdas sintéticas podem provocar sérios danos aos componentes eletrônicos sensíveis.

2. Identificar quais componentes e placas sensíveis a ESD são utilizados

Lembrar que quanto menores e mais rápidos os componentes semicondutores forem, mais sensíveis a ESD eles são. Um processador Intel Core 2 Duo é mais sensível que um antigo 486.

3. Obter o apoio de todos

A implantação de um processo de controle de ESD só será efetivada se for apoiada em todas as áreas envolvidas e em todos os níveis. Isso significa que o apoio deverá vir desde o CEO da empresa até o pessoal da limpeza.

4. Documentar as medidas e procedimentos

Criar documentos detalhando todos os processos e procedimentos e deixá-los em local de fácil acesso para consulta imediata. Criar sinalizações simples e diretas nas áreas onde ocorrem manipulações de componentes e placas sensíveis.

5. Treinar todo o pessoal

De nada adianta um processo bem estruturado se os técnicos e operadores não souberem como proceder ou como utilizar os equipamentos de controle ESD.

6. Rever, analisar e melhorar os procedimentos

Nenhum processo é definitivo. Com o tempo, novas medidas devem ser tomadas a fim de que se adaptem novos componentes ou equipamentos. Lembrar que normalmente, toda melhoria de processo vem das pessoas que o conhecem e utilizam.

Fontes de consulta:

Comunnectiva. https://comunnectiva.weebly.com/index.html

BRITO, Lúcio Costa; CALIL, Saide Jorge. A influência das descargas eletrostáticas na qualidade da manutenção de equipamentos eletromédicos. Unicamp. Disponível em http://www.scribd.com/doc/2386746/A-Influencia-das-Descargas-Eletrostaticas-na-Qualidade-daManutencao. Acessado em 11/01/2010.

CUNHA, Roberto. Descargas Eletrostáticas: diminua os riscos de falhas em seus equipamentos. Revista Saber Eletrônica On-Line. 2008. Disponível em http://www.sabereletronica.com.br/secoes/leitura/764. Acessado em 11/01/2010.

VASCONCELOS, Laércio. Descargas eletrostáticas danificam o computador. Laércio Vasconcelos Computação, 2003. Disponível em http://www.laercio.com.br/artigos/hardware/hard-056/hard-056.htm. Acessado em 11/01/2010.

Eletricidade Estática: causa, efeito e solução. Estatec Ind. e Com. Ltda. Disponível em http://www.estatecbrasil.com.br/sobre-estatica.asp. Acessado em 11/01/2010.

Conceitos básicos de descarga eletrostática (ESD). Vest Clean. Disponível em http://www.vestclean.com.br/pag%208.htm. Acessado em 11/01/2010

Espero que as horas dedicadas na elaboração deste texto traga algum benefício e, de alguma forma, contribua para o crescimento profissional daqueles que o almejam.

Um grande abraço e que Deus abençoe a todos!

Francinei Rodrigues, em 28 de Março de 2018