Eletricidade Estática: a Descarga que Mata o Chip sem Deixar Marca — Eletrônica do Zero #37

Existe um defeito de bancada que não deixa marca, não tem cheiro de queimado e não aparece em foto nenhuma: a eletricidade estática. A descarga que mata um chip moderno costuma ser pequena demais para você sentir — e a peça pode morrer na hora ou ficar funcionando meio quebrada por semanas. Este capítulo mostra como a carga se forma, por que ela destrói um componente que aguenta 5 V sem reclamar e o que, com número e norma na mão, realmente protege a sua bancada.

No capítulo anterior vimos os chips sem pino visível — QFN, BGA e CSP. São justamente esses os mais sensíveis ao que vamos estudar agora: quanto menor a estrutura interna, menos energia é preciso para rompê-la.

De onde vem a carga: contato, separação e a conta q = CV

Na Parte 1 vimos que eletricidade é elétron fora do lugar. Carga estática é exatamente isso, parada: um desequilíbrio de elétrons na superfície de um material.

O mecanismo dominante é o carregamento triboelétrico — o nome vem do grego tribo, “esfregar”. Segundo a Parte 1 do material oficial da EOS/ESD Association (© 2020), não é preciso esfregar nada: basta contato e separação. Dois materiais se tocam, elétrons passam de um para o outro e, ao se separarem, um fica positivo e o outro negativo. Andar pela oficina, tirar a placa do saco plástico e levantar da cadeira são, os três, contato e separação.

Quanto de carga aparece depende da área de contato, da velocidade da separação, da química dos materiais e — decisivo aqui no Brasil — da umidade relativa do ar. A conta é q = C × V: como o corpo humano tem capacitância pequena, pouca carga já significa muitos volts.

Três definições da norma organizam o resto do capítulo (valores do glossário ESD ADV1.0, citados na mesma publicação):

• Isolante: resistência de superfície ou de volume maior ou igual a 1,0 × 10¹¹ Ω. Guarda carga e não solta — aterrar não adianta.
• Condutivo: menor que 1,0 × 10⁴ Ω. Espalha a carga na hora e entrega tudo de uma vez quando encosta em outro potencial.
• Dissipativo: entre 1,0 × 10⁴ e 1,0 × 10¹¹ Ω. Deixa a carga escoar, mas devagar. É por isso que tapete, pulseira e embalagem de bancada são dissipativos, não condutores.

Por que você não sente o que destrói o chip

A tabela abaixo é a Tabela 1 da publicação da ESD Association — e as mesmas linhas aparecem, com os mesmos valores, na Tabela IV do MIL-HDBK-263B, o manual de controle de ESD do Departamento de Defesa americano de 1994. As duas colunas de tensão são do documento; as duas últimas colunas calculamos aqui, aplicando as fórmulas do modelo de corpo humano (100 pF, pico de 0,67 A por kV) aos mesmos volts:

* Energia = ½CV² para C = 100 pF; pico de corrente pela taxa de 0,67 A/kV da forma de onda padronizada. Cálculo nosso, a partir dos volts publicados.

Repare no que a tabela diz de verdade. Num dia úmido, a pessoa sentada na bancada carrega 100 V — e 100 V não produzem faísca, nem estalo, nem formigamento: o ar rompe por volta de 3 kV por milímetro, então uma descarga dessa ordem só acontece no próprio contato, silenciosa e invisível. Só que o mesmo documento da ESDA afirma que muitos componentes são danificados abaixo de 100 volts — e que cabeças de gravação de disco rígido falham abaixo de 10 V.

Num dia seco, a mesma pessoa na mesma cadeira chega a 6.000 V, o que em energia é 3.600 vezes o evento de 100 V (a energia sobe com o quadrado da tensão: 60² = 3.600). Entre esses dois extremos existe uma faixa larga de descargas que ninguém percebe e que já é destrutiva. Essa é a resposta para a pergunta que todo técnico já fez: “mas eu nunca vi faísca nenhuma”. Exatamente — o evento que mata o chip é justamente o que passa despercebido.

A umidade é a sua aliada mais barata — veja a queda de 35.000 V para 1.500 V na mesma linha. Mas atenção: ela reduz, não elimina. A norma de bancada da NASA, a NASA-STD-8739.6B (aprovada em 4 de fevereiro de 2021), exige umidade relativa entre 30% e 70% na área protegida, subindo para 40% a 70% quando se manuseia o material mais sensível. Oficina com ar-condicionado no inverno seco é o pior cenário possível.

Os três jeitos de a eletricidade estática matar um componente

A ESDA separa o estrago em três mecanismos, e eles pedem defesas diferentes:

1. Descarga para o dispositivo (HBM, human body model). O clássico: você está carregado e encosta o dedo no pino. O modelo que representa isso é um capacitor de 100 pF descarregando por um resistor de 1.500 Ω; a onda sobe em 2 a 10 nanossegundos, tem pico de 0,67 A por kV e decai em cerca de 200 ns. O modelo é do século XIX, criado para estudar explosões de gás em minas, e só depois virou o método 3015 da MIL-STD-883.

2. Descarga a partir do dispositivo (CDM, charged device model). A própria peça se carrega — deslizando num tubo, vibrando na embalagem — e descarrega ao encostar em algo aterrado. O evento é muito mais rápido, abaixo de um nanossegundo, com pico de dezenas de ampères: é o que rompe óxido de porta. Na bancada, acontece quando você tira a placa do saco e a apoia direto numa bandeja metálica aterrada.

3. Indução por campo. Todo objeto carregado tem um campo ao redor. Uma placa colocada nesse campo e aterrada sofre uma descarga do tipo CDM — e, ao sair do campo e ser aterrada de novo, sofre outra, de polaridade oposta. Ninguém encostou em nada: foi o copo plástico ou a sacola em cima da bancada.

Vale desfazer uma confusão comum: o ensaio IEC 61000-4-2, que muita gente chama de “teste de ESD”, é ensaio de sistema — aparelho montado, com carcaça. A ESDA é explícita: forma de onda e severidade não são comparáveis às do ensaio de componente. Aparelho aprovado no IEC não tem placa imune enquanto ela está aberta na sua bancada.

Morte na hora e morte devagar: a falha latente

O dano tem duas formas. A falha catastrófica é a boa notícia dentro da má: a peça derreteu metalização, rompeu junção ou furou o óxido e simplesmente não funciona. Você troca e acabou.

A outra é a falha latente, definida no glossário da ESDA como “um mau funcionamento que ocorre após um período de operação normal”, possivelmente atribuível a uma descarga anterior. A peça sai da bancada testando bem e volta três semanas depois — o cenário que mais destrói a reputação de uma oficina, porque parece serviço malfeito e é invisível a qualquer teste que você tenha.

Honestidade técnica: a própria ESDA registra, no mesmo verbete, que “o conceito de falha latente é controverso e não é totalmente aceito por toda a comunidade técnica”. Repassamos assim mesmo — não como sentença, mas como risco documentado e impossível de provar caso a caso depois da peça montada.

Quanto o chip aguenta: as classes do JS-001

Quando o datasheet diz “ESD: 2 kV HBM”, ele está informando a classe medida pelo ensaio ANSI/ESDA/JEDEC JS-001. As faixas oficiais, reproduzidas na Parte 5 da publicação da ESDA (© 2024):

No modelo CDM (ensaio JS-002) a escala é outra: de C0A (< 125 V) até C3 (≥ 1.000 V). E os programas das normas ANSI/ESD S20.20 e IEC 61340-5-1 são dimensionados, por padrão, para proteger itens sensíveis a 100 V em HBM e 200 V em CDM.

Agora a armadilha que quase ninguém conta, escrita no manual militar: o modelo de 100 pF / 1.500 Ω não é o pior caso. O MIL-HDBK-263B registra que a capacitância humana varia tipicamente de 50 a 250 pF (cerca de 80% das pessoas testadas ficaram em 100 pF ou menos) e dá o exemplo numérico: uma peça que falha a 400 V no modelo de 100 pF falharia com pouco menos de 300 V se o modelo usasse 250 pF. Traduzindo: a classe do datasheet serve para comparar peças, não para prometer até onde você pode encostar o dedo.

O que realmente protege na bancada

São cinco princípios, e nenhum resolve sozinho: reduzir a geração de carga, manter tudo no mesmo potencial, escoar e neutralizar o que sobrou, proteger a peça em trânsito e verificar se tudo isso continua funcionando. Os números abaixo são os das normas citadas — dá para conferir a sua bancada com eles e um multímetro.

A pulseira. É o meio principal de aterrar pessoas sentadas. Tem um resistor de 1 MΩ, pelo menos ¼ W, moldado no cabo. A NASA aperta o valor: a resistência da pulseira deve ficar entre 800 kΩ e 1,2 MΩ medida entre o ponto de conexão e a pele, e o terminal de terra precisa marcar menos de 1 Ω até o ponto comum de aterramento.

Vale entender por que o resistor está lá, porque isso muda a forma de pensar. Aquela pessoa a 6.000 V, descarregando pelo caminho natural de 1.500 Ω, entrega 4 ampères de pico em cerca de 150 nanossegundos. A mesma pessoa aterrada por 1 MΩ escoa a 6 miliampères, com constante de tempo de 100 microssegundos — cerca de 667 vezes menos corrente, espalhada por um tempo 667 vezes maior (contas nossas, a partir dos valores das normas). A pulseira não é um fio-terra: é um freio. Ela impede que a carga vá embora de uma vez.

O tapete e o aterramento. A superfície de trabalho dissipativa deve medir entre 1,0 × 10⁶ e 1,0 × 10⁹ Ω até o terra. Tudo — tapete, pulseira, ferro de solda, suporte — vai para um ponto comum de aterramento, e esse ponto vai para o terra de proteção da instalação (o fio verde da tomada), nunca para um terra improvisado à parte. A norma ANSI/ESD S6.1 explica o motivo: com o ferro de solda num terra e a placa em outro, existe diferença de potencial entre os dois — e é ela que atravessa a placa. O conceito de retorno de corrente está na Parte 16 da série.

Piso e calçado. Quando o aterramento é pelo chão, o conjunto pessoa + calçado + piso precisa medir menos de 1,0 × 10⁹ Ω e, num teste de caminhada padronizado, o corpo tem de ficar abaixo de 100 V. Os dois limites valem juntos: não adianta o piso passar na resistência se a pessoa continua acumulando milhares de volts ao andar.

Ionizador. Aterrar isolante não funciona: não há caminho para a carga escoar. Para o plástico da caixa, o rolo de fita e a carcaça do aparelho, a solução é o ionizador, que lança íons dos dois sinais no ar e neutraliza a superfície. A NASA o exige como método preferencial sempre que um isolante essencial estiver a menos de 30 cm (12 polegadas) da peça exposta.

Verificação. Pulseira falha de vários jeitos — cabo partido, resistor aberto, faixa ressecada sem contato com a pele — e por isso deve ser testada diariamente ou monitorada de forma contínua; a NASA exige verificação funcional a cada uso. Uma pulseira com o cabo rompido dá exatamente a mesma sensação de segurança que uma boa.

A parte que ninguém conta

1. Pulseira e tensão de rede não combinam. Esta é de segurança pessoal e está escrita na publicação da ESDA em uma frase seca: o resistor da pulseira tem tensão de trabalho de 250 V e, se o operador for ficar exposto a circuitos de 250 V ou mais, a pulseira não deve ser usada. Pense na bancada brasileira: fonte chaveada aberta, placa de TV ligada, primário com a rede presente. A pulseira amarra você ao terra — exatamente o que você não quer com 220 V vivos ao alcance da mão. A rotina correta separa os dois momentos: medir energizado sem pulseira (de preferência com transformador isolador) e usar a pulseira com a placa desligada, na hora de manusear, dessoldar e trocar peça. A fronteira entre lado quente e lado frio está na Parte 28.

2. Saco rosa não é saco blindado. São coisas diferentes. O plástico rosa (ou preto dissipativo) é baixa geração de carga: não carrega ao atritar com a placa e serve dentro da área protegida. O saco prateado metalizado tem blindagem de descarga — atenua o campo externo e impede que uma descarga atravesse até a peça. A norma de embalagem ANSI/ESD S541 define blindagem por resistência de superfície menor ou igual a 1 × 10³ Ω e a exige para tudo que sai da área protegida. Para guardar na gaveta, o rosa serve; para mandar pelo correio, só o metalizado.

3. Aquela tabela de 35.000 V vem com um aviso que ninguém copia. Ela circula em meio mundo de site brasileiro sempre sem a nota de rodapé. No MIL-HDBK-263B a advertência está logo abaixo da tabela: “deve-se ter cautela ao tentar correlacionar os valores acima, ou tensões medidas reais, com o potencial de danificar itens sensíveis”. A ESDA diz o mesmo com outras palavras, ao lembrar que a correlação entre a tensão de qualificação e a tensão medida em campo é fraca. Conferimos os dois documentos: os volts são os mesmos, e o aviso está nos dois. Use a tabela para entender a ordem de grandeza e o efeito da umidade — não para concluir que abaixo de tal valor está seguro.

A rotina que cabe numa oficina de verdade

Você não precisa de uma sala limpa. Precisa de consistência. Esta é a versão enxuta, na ordem em que os passos acontecem:

1. Defina um canto como área protegida: tapete dissipativo, ponto comum de aterramento ligado ao terra da tomada, e a regra de que peça exposta só sai do saco ali.
2. Aterre-se antes de abrir o saco, não depois — a carga vem com você.
3. Teste a pulseira antes de usar. Sem testador, meça com o multímetro entre a faixa e o pino do cabo: espere de 800 kΩ a 1,2 MΩ. Infinito é cabo rompido; quase zero é resistor em curto. Nos dois casos, troque.
4. Tire os isolantes de perto — copo plástico, sacola, isopor, fita. O que não sair, neutralize com ionizador.
5. Segure a placa pelas bordas, nunca pelos conectores e pinos.
6. Nunca use pulseira com a placa energizada na rede.
7. Guarde em saco metalizado tudo que sair da bancada, e olhe a umidade: abaixo de 30% o risco sobe muito.

Perguntas frequentes

Encostar na carcaça metálica antes de mexer resolve? Ajuda, mas equaliza você com o gabinete só naquele instante — dois segundos depois, ao se mexer na cadeira, a carga volta. A pulseira mantém a condição, e é esse o ponto.

Meu MOSFET queimou sozinho na gaveta. É possível? Sim, é dos casos mais clássicos. O MOSFET tem porta isolada — uma camada finíssima de óxido que é, eletricamente, um capacitor. Sem caminho para a carga escoar, a tensão induzida pode furar esse óxido. Por isso peça de reposição fica no saco antiestático até a hora de soldar.

Estática pode danificar uma placa montada, dentro do aparelho? Pode, mas é bem mais difícil: carcaça, aterramento e os componentes de proteção da entrada trabalham a seu favor — é o assunto da Parte 27. O perigo grande é a placa nua, fora do aparelho: exatamente a situação de bancada.

Luva de látex ou de algodão protege? Não, e pode piorar. A ESDA é direta: quem está aterrado não deve usar luva ou dedeira isolante — se usar, o material tem de ser dissipativo ou condutivo. Luva comum isola a mão do caminho de terra e ainda gera carga por atrito.

Um umidificador substitui a pulseira? Não. Reduz muito a geração (compare as duas colunas da tabela), mas a norma da NASA coloca a faixa de 30% a 70% junto com o aterramento, não no lugar dele. Umidade é atenuação; aterramento é caminho.

Dá para saber se uma peça morreu por ESD? Na oficina, praticamente não — a assinatura de falha só aparece em microscopia de laboratório. O que resta é a estatística: se os “defeitos que voltaram” se concentram nos meses secos, a sua bancada está falando com você.

Conclusão

Três ideias ficam deste capítulo. O que mata não é a faísca que você sente, é a que você não sente — 6.000 V em cima de uma pessoa sentada é rotina em dia seco, e 100 V já bastam para estragar muito componente moderno. A classe do datasheet é régua de comparação, não licença para encostar o dedo: o próprio manual militar mostra que o modelo de 100 pF não é o pior caso. E a que resolve na prática: proteção é caminho controlado, não ausência de carga — a pulseira de 1 MΩ não impede a descarga, ela a transforma em 6 mA lentos no lugar de 4 ampères instantâneos.

No próximo capítulo saímos da carga e vamos para o outro inimigo silencioso da placa: umidade, oxidação e corrosão. O que realmente acontece quando um líquido entra no aparelho, por que a placa às vezes funciona por semanas antes de morrer, o que dá para salvar e qual é a ordem certa de limpeza — a diferença entre um reparo que dura e um que volta.