A eletricidade estática é um ruído que toda a gente já sentiu. Ainda assim, poucos saberiam dizer porque destrói semicondutores, ou que forma tem realmente a corrente de descarga.
Este artigo revê os fundamentos da descarga eletrostática (ESD) e da sobretensão, explica a forma de onda da corrente de descarga a partir do circuito equivalente do modelo de máquina (MM) e chega à escolha dos dispositivos de proteção. No MM a indutância do caminho de descarga é determinante e produz uma oscilação amortecida, o que faz dele um bom veículo para perceber, a partir do circuito, porque a forma de onda oscila.
- De onde vem a eletricidade estática
- Não há um único modelo de descarga: HBM e MM
- O modelo de máquina (MM): uma descarga metálica como circuito equivalente
- A forma de onda da descarga: oscilação amortecida e amortecimento
- Porque destrói os semicondutores
- Como escolher dispositivos de proteção contra ESD e sobretensões
- Onde colocar a proteção e como raciocinar
- Controlo de ESD na produção
- Resumo
- Artigos relacionados
De onde vem a eletricidade estática
A eletricidade estática é gerada por atrito entre isolantes (eletrização triboelétrica). Pavimentos de plástico, alcatifas, roupa de fibra sintética: os isolantes do dia a dia carregam-se com facilidade. E não é só o corpo humano: os objetos metálicos também se carregam, incluindo equipamentos de produção, gabaritos e ferramentas.
O que determina a quantidade de carga acumulada é a humidade. O ar seco é um excelente isolante; com humidade elevada o próprio ar isola menos e a carga acumulada escoa-se sozinha. É por isso que há tanta estática nos meses secos de inverno.
Quando um objeto carregado toca num terminal de um equipamento, a carga armazenada descarrega-se de uma vez. Essa energia chega e sobra para destruir um dispositivo semicondutor.
Não há um único modelo de descarga: HBM e MM
O circuito equivalente de uma descarga eletrostática depende daquilo que se descarrega. Há dois modelos de referência.
- Modelo do corpo humano (HBM: Human Body Model): descarga a partir da ponta do dedo de uma pessoa carregada. A norma (ANSI/ESDA/JEDEC JS-001) fixa C = 100 pF e R = 1,5 kΩ. Como a resistência é grande, a forma de onda é um decaimento exponencial sem oscilação.
- Modelo de máquina (MM: Machine Model): descarga a partir de um objeto metálico carregado (equipamento, gabarito). C = 200 pF, R ≈ 0 Ω. Numa descarga metal-metal quase não há resistência, pelo que a indutância do caminho de descarga entra em ressonância e a forma de onda passa a ser uma oscilação amortecida.
Neste artigo trabalhamos com o MM, onde o efeito da indutância — a oscilação amortecida — se vê com clareza no circuito equivalente.
O modelo de máquina (MM): uma descarga metálica como circuito equivalente
O modelo de máquina representa um objeto metálico carregado por um circuito C–R–L. A carga armazenada no metal (C) descarrega-se de uma só vez através da resistência (R) e da indutância (L) do caminho de descarga.
O que significa cada elemento (modelo de máquina, MM):
- C (capacidade equivalente): representa a carga armazenada no objeto metálico. O valor do MM é 200 pF.
- R (resistência de descarga): numa descarga metal-metal quase não há resistência de caminho. O valor do MM é 0 Ω (uns poucos ohms na prática). Sendo pequena, a corrente é grande e a resposta torna-se oscilatória.
- L (indutância equivalente): a indutância da cablagem do caminho de descarga, da ordem de 0,5 µH. Como R é quase nula, esta L ressoa com C e produz a oscilação amortecida — a essência do MM.
- Interruptor: representa o instante em que o objeto metálico toca no terminal e a descarga começa.
A forma de onda da corrente de descarga é a resposta desta malha série C–R–L.
A título de contexto, o MM foi originalmente concebido por fabricantes japoneses de semicondutores como o pior caso do modelo do corpo humano. Com resistência quase nula e, por isso, corrente muito maior, é mais destrutivo do que o HBM à mesma tensão de carga — daí que as tensões de ensaio do MM se fixem em algumas centenas de volts, abaixo dos quilovolts do HBM. O MM já não faz parte dos ensaios obrigatórios de qualificação de circuitos integrados (a JESD22-A115 passou a inativa em 2016; os obrigatórios atuais são HBM e CDM), pelo que o tratamos aqui como um modelo clássico para perceber a física da forma de onda.
A forma de onda da descarga: oscilação amortecida e amortecimento
A forma de onda do MM é a resposta do circuito RLC série formado por C, R e L. O seu aspeto divide-se em dois casos, consoante R seja menor ou maior do que a resistência crítica 2√(L/C).
Com C = 200 pF e L = 0,5 µH, a resistência crítica vale 2√(L/C) = 2√(0,5 µH / 200 pF) = 100 Ω.
- R abaixo da resistência crítica (o R ≈ 0 próprio do MM): a ressonância L–C dá uma oscilação amortecida. A frequência de ressonância é
1/(2π√(LC)) ≈ 16 MHz. - R acima da resistência crítica: a oscilação desaparece e a resposta passa a ser um decaimento exponencial sem oscilação.
O que torna o MM temível é a resistência ser quase nula. A impedância do caminho de descarga é fixada sobretudo pela impedância de surto √(L/C) = √(0,5 µH / 200 pF) ≈ 50 Ω, pelo que mesmo com uma tensão de carga de 200 V a corrente de pico chega a 200 V / 50 Ω ≈ 4 A. À mesma tensão circula uma corrente muito superior à do HBM (R = 1,5 kΩ), e circula em nanossegundos.
Porque destrói os semicondutores
A porta de entrada de um CMOS é um elétrodo fortemente isolado cujo dielétrico é um óxido de apenas alguns a algumas dezenas de nanómetros. Quando a grande corrente de ESD atravessa essa película, o aquecimento de Joule localizado perfura o isolamento num ponto.
A capacidade destrutiva do MM vem da grandeza da corrente de pico e da rapidez da sua subida. Sem praticamente resistência, a carga armazenada é libertada de uma vez. Em energia, E = ½ × C × V²: com C = 200 pF e V = 200 V, E = ½ × 200×10⁻¹² × (200)² = 4 µJ. Parece pouco, mas é entregue em dezenas de nanossegundos e acompanhada de vários amperes de pico: fatal para um dielétrico fino.
Há ainda um problema acrescido em equipamentos cujo terminal de entrada vai a um conector. Enquanto o conector não está ligado, a entrada CMOS mantém-se fortemente isolada e carrega-se com facilidade, e a descarga acontece no instante da ligação.
Como escolher dispositivos de proteção contra ESD e sobretensões
A medida básica contra ESD e sobretensões é limitar a tensão com um dispositivo de proteção. Estes são os tipos principais.
Díodo TVS (Transient Voltage Suppressor)
É um tipo de díodo Zener. Normalmente não conduz, mas assim que a tensão ultrapassa a sua tensão de limitação passa a baixa impedância e absorve o excesso. A resposta é extremamente rápida — da ordem dos picossegundos — pelo que lida com surtos tão abruptos como os de ESD.
- Unidirecional: para surtos num só sentido, à semelhança de um díodo retificador
- Bidirecional: também lida com corrente alternada e surtos inversos. Muito usado na proteção de linhas de sinal
Varístor (ZNR / MOV)
Dispositivo cuja impedância cai bruscamente quando a tensão sobe (resistência dependente da tensão). A característica é simétrica, pelo que funciona nos dois sentidos. Responde um pouco mais devagar do que um TVS, mas absorve mais energia, o que o torna adequado à proteção de linhas de alimentação.
GDT (tubo de descarga de gás)
Absorve o surto através de uma descarga em arco no gás encerrado. A tensão de limitação é relativamente alta (dezenas de volts e acima) e suporta surtos de grande corrente, como os de descarga atmosférica. Usa-se em linhas telefónicas, sistemas de antena e afins.
Onde colocar a proteção e como raciocinar
Coloque o dispositivo de proteção o mais perto possível do terminal de entrada. A ideia é limitar o surto antes de ele entrar na placa.
Além disso, para tirar o máximo partido é preciso minimizar a indutância do caminho de ligação. Se a pista do dispositivo até à massa for longa, a queda L × di/dt anula aquilo que o dispositivo está a fazer. Numa descarga de subida rápida — grande di/dt, como a do MM — esta indutância de pista pesa especialmente.
A proteção escalonada também resulta. Um GDT à entrada do conector para grandes correntes, mais um TVS dentro da placa para limitação rápida e precisa, cobre tanto os surtos grandes como os pequenos.
Controlo de ESD na produção
Para além da proteção do produto acabado, também importa o controlo de ESD durante o fabrico e a montagem. Como o modelo de máquina mostra, uma descarga a partir de equipamento ou gabarito carregado produz uma corrente de pico muito elevada. O terminal de entrada de um CMOS permanece fortemente isolado até ser cablado, e basta pouca carga para o destruir.
Medidas básicas na fábrica:
- Cobrir a bancada com um tapete condutor e ligá-lo à terra através de uma resistência elevada (da ordem de 1 MΩ)
- Os operadores usarem pulseira metálica, ligada à terra do mesmo modo
- Usar pavimento condutor e calçado condutor (na ordem de 0,1 a 100 MΩ, já que uma resistência demasiado baixa representa risco de eletrocussão)
- Empregar ionizadores para ionizar o ar e deixar a carga dissipar-se naturalmente
- Guardar e transportar os componentes em sacos condutores (sacos ESD)
Liga-se à terra através de uma resistência elevada porque ligar de repente um objeto já carregado deixaria passar uma corrente grande e destruiria o dispositivo. O objetivo é escoar a carga devagar.
Resumo
- A eletricidade estática nasce do atrito, e carregam-se tanto as pessoas como os objetos metálicos (equipamentos, gabaritos). Abunda na estação seca de inverno
- O circuito equivalente da ESD depende da fonte: uma pessoa é HBM (100 pF / 1,5 kΩ, decaimento exponencial); um objeto metálico é MM (200 pF / 0 Ω, oscilação amortecida)
- Como no MM R ≈ 0, a indutância do caminho ressoa com C e surge uma oscilação amortecida. Acima da resistência crítica 2√(L/C) passa a decaimento exponencial
- Com resistência quase nula, o MM atinge correntes de pico de vários amperes mesmo com algumas centenas de volts: o suficiente para destruir um dielétrico CMOS fino
- Coloque a proteção (TVS, varístor, GDT) junto ao conector, com o caminho até à massa o mais curto possível
- Também no chão de fábrica são indispensáveis pavimento condutor, pulseiras antiestáticas e ionizadores
Comment