I pericoli delle scariche elettrostatiche per i dispositivi elettronici

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10/gen/2009 20.22.05 Virgilio E. Conti Contatta l'autore

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EDIZIONE PRELIMINARE

I pericoli delle scariche elettrostatiche per i dispositivi elettronici

Scopo dell’articolo è quello di divulgare un argomento che, a causa della enorme espansione dell’elettronica di consumo e dei computer, non è più confinato in aree specialistiche. La materia è trattata con un linguaggio particolarmente orientato a chi, pur non disponendo di una specifica cultura in elettrofisica, vuole conoscere alcune criticità dei dispositivi elettronici che fanno sempre più parte del nostro quotidiano.

La grafica allegata è tratta da lezioni di Nuove tecnologie aeronautiche tenute dallo scrivente presso il Centro Addestramento della Divisione di Ingegneria e Manutenzione di Alitalia.

 

ESD: le scariche elettrostatiche 

Una scarica elettrostatica (in inglese ESD, ElectroStatic Discharge) è un improvviso scorrere di corrente elettrica attraverso un materiale normalmente isolante. Una grande differenza di potenziale attraverso l'isolante genera un forte campo elettrico che converte gli atomi del materiale in ioni generando la forte corrente elettrica.

L'esempio più conosciuto di ESD è il fulmine. In questo caso l'isolante che cede (e diventa conduttore) è l'aria, la differenza di potenziale tra la nuvola e il suolo può essere di miliardi di Volt, e la corrente che ne deriva riscalda l'aria causando un rilascio di energia con effetto esplosivo.

L'ESD può anche essere causata dalla cosiddetta elettricità statica che si accumula facilmente con bassa umidità ambientale, quando piccole scintille scorrono tra materiali isolanti come l'aria o per strofinìo di abiti sintetici (triboelettricità).

L'ESD è un problema importante in elettronica, perché i circuiti integrati sono costruiti con materiali isolanti come il silicio che possono danneggiarsi se sottoposti ad alte tensioni e perché le loro geometrie sono sempre più ridotte. I costruttori e gli utilizzatori di circuiti integrati devono prendere opportune precauzioni per evitare o arginare questo problema. Queste precauzioni includono l'uso di materiali appropriati (antistatici), di bracciali al polso e speciali strisce conduttive alle scarpe per prevenire l'accumulo di elettricità statica sul corpo umano, l'adozione sul luogo di lavoro di materiali antistatici per scaricare a terra le cariche eventualmente accumulate, e sistemi per il controllo dell'umidità ambientale perché il vapore acqueo contenuto nell'aria elimina l'elettricità statica.

                     

L' evoluzione tecnologica
I problemi ESD si sono affacciati prepotentemente nel settore elettronico tra gli anni ‘60 e ‘70 e sono divenuti sempre più critici in funzione delle sempre più ridotte dimensioni dei microcircuiti; inizialmente le aree interessate erano quelle militari, aeronautiche e quelle coivolte nella produzione e test degli elaboratori. Successivamente, con la presenza di apparati elettronici in quasi tutte le aree industriali e non, gli impatti negativi si sono dilatati fino a coinvolgere anche settori di largo consumo richiedendo particolari precauzioni sia nelle fasi di progettazione e movimentazione che in quelle di assemblaggio, manutenzione o semplice manipolazione.


Prevenire i danni da ESD

Spesso subiamo l’effetto delle scariche elettrostatiche nelle giornate secche e specialmente se indossiamo indumenti di fibre sintetiche che riescono, per sfregamento, a caricare il nostro corpo di elettricità statica.
Questa elettricità accumulata si scarica poi facilmente quando tocchiamo un qualsiasi altro oggetto che è caricato, casualmente, in maniera diversa. Si determine così una scarica elettrostatica che avvertiamo sotto forma di breve ma fastidiosa scossa elettrica. Le tensioni in gioco nelle scariche elettrostatiche di questo tipo raggiungono facilmente le migliaia di Volt.
Dette scariche elettrostatiche, fastidiose per l’uomo, possono però rivelarsi devastanti per certe apparecchiature elettroniche di nuova generazione.

Chi deve ritenersi interessato a questi effetti? Sicuramente anche coloro che per hobby o per lavoro utilizzano apparecchi elettronici come PC, stampanti, telefoni, lettori di file audio e video, ecc.
A volte un’apparecchiatura elettronica presenta inspiegabili comportamenti e non se ne capiscono le ragioni; il problema in qualche caso si risolve con lo spegnimento e successiva accensione (reset).

Alcuni di questi comportamenti possono essere imputati ai danni provocati dall'elettricità statica; è difficile dire quanti e quali ma un disturbo ESD può essere conseguente ad uno smontaggio/manipolazione dell’apparecchio ovvero alla sostituzione di una sua parte con una nuova ma già compromessa da ESD e determinarne disfunzioni transitorie o durevoli.

Nella figura sottostante si può osservare l’ingrandimento di un componente elettronico vistosamente danneggiato da una scarica elettrostatica.     

Danneggiamento (nell’angolo inferiore destro) di un chip provocato da scarica elettrostatica (ESD)


I danni provocati a chip, memorie ed altri microcomponenti da disturbi ESD sono visibili o riconoscibili solo con analisi specifiche e impiegando tecniche molto accurate come il microscopio a scansione elettronica.

L’individuazione del danno è perciò molto complessa e nel caso richiede la sostituzione del componente (hard failure).

Talvolta il danno che si verifica non è definitivo; il componente potrebbe continuare a funzionare ma un’alterazione c'è e questa potrebbe corrompere le caratteristiche funzionali del dispositivo (soft failure).
Per esempio esso potrebbe non essere più in grado di funzionare al di sopra oppure al di sotto di una certa temperatura. Ciò potrebbe dare origine ad un difetto intermittente e difficilissimo da individuare.

Questo tipo di deterioramento, noto anche come "guasto latente",

è il più insidioso perché non consente di valutare se, come e quando esso si trasformerà in un vero e proprio guasto.

Si calcola che i danni causati ogni anno da ESD ai dispositivi elettronici siano dell'ordine di svariati miliardi di dollari. Purtroppo non c'è modo di sapere se il difetto del PC, telecomando o altro sia causato dall'ESD.

Possiamo però fare qualcosa per tentare di prevenire il problema.

Puntualizziamo prima quattro aspetti:

1. Chi non manipola componenti elettronici, schede, hard disk, o simili dispositivi può in genere fare ben poco per prevenire il problema ma neanche ne causa la rottura.

2. Chi invece, per hobby o per mestiere, manipola parti che utilizzano circuiti a semiconduttore (chip, circuiti integrati, schede, ecc.) è invece un potenziale danneggiatore di componenti.

3. Dal momento che si apre un apparato elettronico e se ne ispeziona il suo interno, anche se esso è scollegato dalla rete elettrica, si corre il rischio di danneggiarlo con ESD.

4. Che cosa può avvenire:

l'apparato è in uno stato di carica elettrica sconosciuta e spesso diversa tra le varie parti dei suoi circuiti e tra le stesse ed il corpo dell’operatore o dei suoi strumenti (puntali, giraviti, ecc); nel momento in cui avviene il contatto fisico o, talvolta, la semplice prossimità (ESD da induzione elettrica) tra operatore/strumenti e apparato, può determinarsi una scarica elettrostatica, impercettibile per l’operatore ma devastante per qualche parte elettronica più vulnerabile.

Se la corrente di scarica supera una determinata soglia critica, non quantificabile e diversa a seconda della tipologia del dispositivo, si verifica un danno del tipo hard o soft failure (guasto permanente o intermittente).
 

Cosa fare per prevenire danni da ESD:

Imballare sempre schede e componenti negli appositi sacchetti antistatici (realizzati in materiale conduttivo) che sono identificati con il simbolo di figura o simili

Utilizzare sacchetti, tappetini, scarpe, indumenti antistatici ed altri accessori durante il trasporto e la manipolazione di componenti sensibili (detti ESDS cioè ESD Sensitives)
Un rimedio "casalingo" potrebbe essere quello di avvolgere schede e componenti in fogli di carta stagnola. Il problema di questa soluzione è che la stagnola è totalmente conduttiva e potrebbe scaricare eventuali batterie o condensatori ancora carichi (come nel caso di una scheda appena estratta dal computer) verso elementi sensibili della scheda stessa. Tale soluzione può andar bene per componenti quali i controller di dischi, schede seriali, parallele o video. Si consideri che molte mother boards hanno una batteria al Nickel Cadmio che se avvolta nella stagnola può incendiarsi!

 

Manipolando una scheda che non è riposta in un sacchetto, è bene pinzarla con le dita in una zona di massa come ad esempio la staffetta di ancoraggio; in ogni caso non toccare assolutamente i contatti a pettine.
Il sacchetto serve proprio a portare e mantenere tutta la scheda allo stesso potenziale elettrico e nel momento in cui si tocca il sacchetto il corpo umano e la scheda all'interno dello stesso raggiungono gradualmente lo stesso potenziale elettrico. I sacchetti antistatici sono infatti conduttivi e resistivi, cioè oppongono un certo ostacolo al passaggio di corrente; quanto basta per rallentarne il flusso e non danneggiare i circuiti.

 

Prima di inserire una scheda o un modulo di memoria nel computer,

è bene scollegare il PC stesso e le altre periferiche dalla rete elettrica e dalla presa telefonica

Ogni apparecchio collegato al computer che sia collegato alla rete elettrica, pone infatti il sistema in una condizione instabile che può danneggiare i componenti che vengono inseriti o rimossi dal PC.

 

Adagiare la scheda, ancora all'interno del sacchetto, per qualche secondo sullo chassis in metallo e tenervi appoggiata anche la mano. Durante operazioni del genere la cosa migliore sarebbe quella di usare l’apposito braccialetto che collega il polso dell’operatore ad una presa di massa attraverso un cavetto conduttivo munito di resistenza elettrica; come alternativa si potrebbe utilizzare uno spezzone di un paio di metri di filo di rame, avvolgendone un capo, spellato, al polso e collegando, tramite un resistore da 1 MegaOhm, l’altro capo, spellato,  allo chassis in metallo del computer.
Lo scopo è sempre quello di mantenere il componente da installare, il corpo dell’operatore e il PC allo stesso potenziale elettrico.


 

Cosa non fare per evitare danni da ESD:

Non riporre i dispositivi elettronici a vista o all'interno di sacchetti di normale plastica.

Non armeggiare all'interno di un apparato elettronico spento ma non scollegato dalla rete elettrica.

Non infilare o sfilare connettori di periferiche come monitor, stampante ed altri senza spegnere il computer e la stampante e/o senza scollegare la presa dalla rete elettrica.

 

Per la presentazione grafica cliccare sull’apposito link

 

Fonti

Virgilio Conti

Articolo pubblicato su Elettrificazione (Milano, ‘87)

  Le scariche elettrostatiche nei dispositivi elettronici di Virgilio Conti

Pubblicazione edita da Alitalia

  ESD - Le scariche elettrostatiche e i dispositivi MOS di Virgilio Conti

National Fire Protection Association

wikipedia

esditaly.com

mariottim.interfree.it/

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Virgilio Conti

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