La scarica elettrostatica (ESD) è il rilascio improvviso di energia elettrica statica da un oggetto verso terra, tra due oggetti, o tra un oggetto e una persona. Una scarica può verificarsi ogni volta che esiste un diverso potenziale elettrostatico tra due corpi conduttivi. Prima di proseguire, però, vediamo rapidamente alcuni concetti fondamentali dell'elettricità statica.

Cos'è l'elettricità statica

Le nozioni di base spiegano solitamente che l'elettricità statica si genera a causa di uno squilibrio tra cariche positive e negative negli oggetti o nei materiali. Ciò è tipicamente causato dal contatto e dalla separazione (o movimento) di un materiale contro un altro, con conseguente trasferimento di cariche negative, ovvero elettroni, tra i materiali. Il materiale che perde elettroni si carica positivamente, mentre quello che li acquisisce si carica negativamente. Questo squilibrio genera un campo elettrico misurabile in grado di influenzare altri oggetti. 

Sebbene gli elettroni spostati possano accumularsi sulla superficie dell'oggetto ricevente, essi tendono a rimanere fermi finché non vengono rilasciati, ovvero scaricati. Abbiamo quindi una carica elettrica a riposo, ovvero, in altre parole, elettricità “statica”.

Questa formazione di carica elettrostatica è nota come carica triboelettrica. La carica elettrostatica viene misurata in coulomb. Il coulomb (C) è un'unità di carica elettrica del Sistema Internazionale di unità di misura (SI), pari alla quantità di elettricità erogata da una corrente di un ampere in un secondo. Più comunemente, tuttavia, la carica statica viene espressa come intensità del campo elettrico, ovvero tensione superficiale, del materiale misurato.

La carica triboelettrica può interessare, in una certa misura, quasi tutti i materiali, incluse le particelle di acqua e fuliggine nell'atmosfera, oltre al corpo umano. Sia tu che il tuo cane o gatto potete sperimentarla insieme semplicemente toccandovi dopo aver camminato su un tappeto in una giornata invernale secca.

Il problema dell'ESD

Come abbiamo detto, le cariche di elettricità statica possono accumularsi sulla superficie di un oggetto finché non si creano le condizioni per il loro rilascio, ovvero per una scarica improvvisa. L'ESD è il rapido trasferimento di carica elettrostatica da un oggetto a un altro. In sostanza, l'ESD si verifica quando un corpo carico diventa improvvisamente elettricamente neutro. L'entità di questa carica trasferita è influenzata dalle proprietà dei materiali che compongono gli oggetti, dall'area di contatto tra essi, dall'umidità relativa dell'aria e dalla velocità di separazione degli oggetti, oltre ad altri fattori.

La carica trasferita scorre tipicamente attraverso una scintilla tra i due oggetti conduttivi mentre si avvicinano l'uno all'altro. Questo effetto è noto da centinaia di anni e può causare gravi problemi se non controllato. Ad esempio, per secoli gli eserciti hanno utilizzato dispositivi e materiali, come i fiaschi per polvere da sparo in ottone, per evitare che l'ESD innescasse accidentalmente la polvere da sparo sul campo. 

Oltre alla produzione di munizioni ed esplosivi, la carica statica e l'ESD possono anche influire sulle attività nei settori farmaceutico, petrolchimico, tessile, della verniciatura, delle materie plastiche, della stampa e in molti altri ambiti. Lo sviluppo e la continua miniaturizzazione dei moderni dispositivi elettronici hanno inoltre amplificato gli effetti negativi dell'ESD a tutti i livelli della filiera elettronica. Questo può incidere negativamente sulla resa produttiva, sui costi, sulla qualità, sull'affidabilità e, in definitiva, sulla redditività. 

Effetto dell'ESD sull'elettronica

L'ESD può danneggiare molti componenti elettronici diversi, facendo sì che non soddisfino più le specifiche pubblicate o causando addirittura il guasto completo del dispositivo. I componenti sensibili possono variare da semplici diodi a costosi circuiti integrati (IC). Le tensioni ESD possono variare da pochi volt a chilovolt, ma anche scariche di 100V o inferiori possono causare problemi. Basti pensare che semplicemente raccogliendo un sacchetto di plastica da un banco di lavoro si possono generare da 1.200 a 20.000 volt, per rendersi conto della gravità del problema.

Nei dispositivi IC, il flusso di corrente ESD può creare fori nei chip e causare danni ai contatti e alle interfacce, oltre a bruciature. I danni causati dall'ESD possono inoltre aumentare la generazione di calore negli IC e causare danni termici ai componenti vicini sulla scheda.

L'accumulo di carica statica su un dispositivo comporta anche la generazione di un campo elettrostatico e di linee di forza attorno ad esso. Altri dispositivi conduttivi che si avvicinano a questo campo possono essere polarizzati per induzione. Se un altro dispositivo sensibile all'ESD entra nel campo mentre è collegato a terra, può verificarsi un trasferimento di carica.

I danni da ESD ai componenti sensibili sono tipicamente causati dalla scarica da un materiale o da una persona verso un dispositivo sensibile, dalla scarica da un dispositivo sensibile, oppure da cariche indotte dal campo. Il verificarsi o meno del danno dipende dalla capacità del dispositivo sensibile di sopportare la tensione coinvolta o dalla sua capacità di dissipare l'energia della scarica. Alcune delle attuali soluzioni di prevenzione e mitigazione dell'ESD sono trattate in un articolo separato.

Tipi di danni ai componenti causati dall'ESD

I tipi di danni ai componenti che possono essere causati da un evento ESD includono:

• Guasti parametrici – quando un evento ESD altera uno o più dei parametri di prestazione dichiarati del componente interessato, senza però renderlo non funzionante.
• Guasto catastrofico – si verifica quando un evento ESD danneggia completamente il componente sensibile, rendendolo non funzionante.
• Danno latente – danno al componente causato dall'ESD non rilevabile tramite misurazione o ispezione visiva, ma che può eventualmente causare il degrado e il guasto del dispositivo a causa dello stress operativo sul componente e della riduzione della durata di vita utile.

Ulteriori informazioni

I nostri amici di CircuitBread offrono molte informazioni utili sull'utilizzo dei componenti elettronici, inclusi la messa a terra e la protezione dei circuiti. Puoi consultare i loro contenuti all'indirizzo www.circuitbread.com. Ti consigliamo inoltre di leggere cosa dice CircuitBread in merito: What is Electrostatic Discharge?

Puoi inoltre approfondire ulteriormente le tue conoscenze sull'ESD con il nostro articolo “How to Prevent Electrostatic Discharge”, disponibile su questo sito web. 

Riepilogo

Praticamente tutti i materiali, così come l'essere umano, possono accumulare una carica statica potenzialmente in grado di danneggiare gli oggetti quando viene rilasciata improvvisamente. L'entità di questa carica è determinata dalla composizione dei materiali, dalla velocità del loro contatto e separazione, dall'umidità dell'aria e da altri fattori. 

L'ESD può danneggiare i dispositivi, inclusi i componenti elettronici. Questo danno può verificarsi in qualsiasi punto della filiera produttiva, dalla produzione ai test, alla movimentazione, alla spedizione, fino all'inserimento in un altro sistema o servizio sul campo. Questo danno può risultare costoso, non solo in termini dei componenti danneggiati in sé, ma anche per la riparazione e la rilavorazione della scheda di cui fanno parte. La sensibilità all'ESD può variare notevolmente a seconda del tipo di componente. Le procedure e i sistemi di prevenzione e mitigazione dell'ESD sono utili e vengono trattati in un altro articolo su questo sito web.