Mesmo antigamente com um rádio relógio ou um simples despertador, já era possível ver os primeiros passos dessa ciência que cada vez faz mais parte do nosso mundo. Vem comigo vamos olhar um pouco sobre a evolução da tecnologia e a importância da eletrônica.

O que é eletrônica?

Eletrônica é uma ciência que estuda a manipulação de sinais elétricos, normalmente de baixa corrente e tensão, através de componentes que permitem executar funções deste modo. Divisões como eletrônica analógica, digital, de potência são comuns e permitem um maior aprofundamento nos estudos, para o estudante de engenharias das áreas de Elétrica, Controle e Automação, Telecomunicações, Mecatrônica entre outras. 

Abaixo você pode ver uma representação de dois sinais: um analógico e outro digital em um mesmo intervalo de tempo. 

Enquanto um sinal analógico pode assumir infinitos valores em determinado intervalo um sinal digital pode assumir somente dois valores, 0 e 1. E essa é a “chave” que permitiu o avanço da eletrônica, trabalhando com dispositivos que chaveiam entre esses dois níveis, e a condensação deles permitiu a criação de processadores, memórias, sensores entre outros. 

Dispositivos eletrônicos

Muitos dispositivos foram concebidos seguindo muitos dos princípios da eletrônica analógica somente, ou a combinação deles com a Engenharia Química e de Materiais, pois sempre é importante a colaboração de diferentes áreas. O fato é que a criação de tais dispositivos permitiu que estes fossem usados como a base para futuros desenvolvimentos. Por exemplo, uma calculadora é um dos primeiros computadores, e por consequência o projeto de grandes computadores, permitiu que cada vez novos dispositivos mais e mais avançados fossem desenvolvidos.

Uma perspectiva bastante interessante é a vista a partir do vídeo abaixo onde antigamente tinha-se sua estação de trabalho composta por muitos dispositivos. E com os avanços que a eletrônica em colaboração com a computação e novos softwares permitiram que várias coisas fossem condensadas em um único dispositivo, o computador.

Um novo dispositivo que muito se assemelha ao computador e vem tomando também o seu espaço em muitas das mesmas atividades é o smartphon. Que hoje já possui muito mais poder de processamento e armazenamento do que um computador há uma década. 

E ainda trás consigo outros benefícios como a fácil portabilidade, e agregando ainda outras funcionalidades como câmera para fotografia e filmagem, GPS, rádio e música, relógio (que também evoluiu de um modo interessante), todos agregados ao dispositivo que deu origem, o celular.

Mobilidade e eletrônica

Muito do desenvolvimento da eletrônica foi através de requisitos da indústria automotiva, onde tudo era feito do modo analógico e aos poucos houve uma transição, com implementação de controles e algoritmos. Mas o ambiente de aplicação era hostil, com temperaturas elevadas, umidade, vibração, e em alguns locais gases nocivos no ambiente.

Das dificuldades é que surgem as melhores invenções e aos poucos carburadores foram substituídos por injeção eletrônica, sensores foram adicionados para controle da queima do combustível e otimização dos ciclos. Limpadores de para-brisa com detecção de chuva. Sensores foram adicionados para o conforto do motorista ao manobrar e detectar obstáculos. Acionamento automático dos faróis quando escurecer. 

Quando observado um painel de um carro antigo como na foto abaixo, é possível notar, que tudo se baseava em ponteiros, alavancas, isso somente na parte visível e  estética do veículo.

Quando observamos um painel de um veículo moderno do mesmo fabricante é possível ver uma enorme diferença, onde os ponteiros dão lugar a telas, e alavancas a botões e manipulas. Em todo painel é possível notar uma otimização ao conforto do motorista, e isso é trazido pela eletrônica. 

Em constante evolução

Como mencionado anteriormente um dos dispositivos com uma evolução singular e muito interessante foi o relógio de pulso. Porém hoje esse dispositivo faz muito mais do que somente mostrar a hora, ter alguns alarmes e luz para visualização noturna. Hoje se tornaram parte do que chamamos de dispositivos vestíveis ou wearables do inglês.

Além das funções básicas eles carregam monitores de saúde, com medição de movimentos, batimentos cardíacos, oxigenação, contador de passos, bússola, GPS, entre muitas outras possibilidades. Por exemplo ser uma carteira digital, tudo isso dado a possibilidade de miniaturização da eletrônica e ampliação de cargas de baterias.

Algo que se foi aprimorando ao longo das versões de dispositivos foi a conectividade. Ou seja com tantos sensores disponíveis os dados gerados podem ser enviados para outros dispositivos a fim de compartilhamento, acompanhamento, e planejamento de atividades baseado em histórico. Portanto os dados podem ser enviados diretamente para internet por wi-fi ou rede móvel, mas também através de uma comunicação ponto a ponto com um smartphone com NFC ou Bluetooth. 

O que esperar do futuro?

Em cada espaço na qual a eletrônica tem aplicações, a tecnologia atual, está colaborando para o desenvolvimento da próxima, ainda mais avançada. Ao passo que em meios como esse é que ficção começa a se misturar com realidade. Dando vida para situações que só se vislumbra pelas telas do cinema.

Informações e dados são commodities muito importantes para definir o curso da humanidade. Portanto disponibilizar maneiras de gerar dados, e utilizar eles em benefício das pessoas, como analise de saúde muito mais frequentes do que nas visitas ao médico.  Podendo indicar a necessidade de avaliação médica apartir da análise do sono, pressão arterial ou frequencia cardíaca. Auxiliando na medição dos poluentes no ar, indicando necessidade de usar máscaras.

Um dos próximos passos mais aguardados para a computação e já demonstrado muito nos filmes é lidar com hologramas. Nos quais imagens saltam para fora das telas, e viram tridimensionais, podendo aplicar para pessoas, locais, objetos, análises gráficas como mostrado na figura abaixo. Bem como outras demais aplicações que a imaginação permitir.

Como tudo isso se tornou possível

Muitas das descobertas e desenvolvimentos que permitiram todo esse avanço e que possibilita novas aplicações passaram por muitas pesquisas em laboratório. Alguns dos componentes que em certo momento eram somente teorias, foram viabilizados. Assim estes são transistor, capacitor, memória, processador, sensores (MEMs), atuadores, baterias, entre muitos outros.

Este é um artigo introdutório sobre a evolução da tecnologia e importancia da eletrônica. Outros artigos na sequência falarão a respeito da evolução individual de cada um dos itens mencionados. Assim como dos desafios para novos avanços da eletrônica em colaboração com outras engenharias, e também no processo produtivo dos equipamentos que usam eletrônica.

Um campo também a ser explorado nos próximos artigos será a spintrônica, que é a mais recente evolução da eletrônica, onde os conceitos de física quântica se misturam com desenvolvimento e evolução de eletrônica e cada vez mais aproximando as teorias da engenharia, permitindo a execução dos mesmos avanços.

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Causando inclusive paradas de fábricas de automóveis sendo essa uma das indústrias mais afetadas pela falta dos mesmos.. 

O que é semicondutor?

Semicondutor é a matéria prima base de toda a eletrônica atual, até mesmo no mais simples dos circuitos. Esses elementos possuem uma característica especial, e são manipuláveis para que executem determinadas funções nos circuitos. Tal qual agir como chaves, e amplificar sinais, permitir a passagem de sinais em somente um sentido entre várias outras funções.

O material semicondutor mais comum utilizado majoritariamente para fabricação dos tais componentes é o silício, pois é o segundo elemento mais abundante na crosta terrestre. Normalmente encontrado na forma de silicato SiO4 ou sílica SiO2, ele é o principal constituinte do cimento, vidro, cerâmicas e silicones.

O silício não é o melhor dos materiais para ser utilizado como semicondutor, há também o Germânio, porém a alta disponibilidade do primeiro faz com que o custo desse seja menor, e portanto é o mais explorado para suas aplicações em eletrônica.

Um processo chamado dopagem é feito com o silício na sua forma original que permite que ele opere do modo esperado como um semicondutor. Que pela morfologia da palavra fica entre um condutor (baixa resistência elétrica) e um isolante (alta resistência elétrica), ou seja, essa característica dá ao engenheiro o controle com o que acontecerá com o circuito dependendo das circunstâncias do projeto, hora agindo como condutor ora como isolante.

Dispositivos baseados em semicondutores

Quando se menciona o termo semicondutor, por experiências passadas ou aulas de disciplinas como Física III para alunos de outras áreas da engenharia, o Transistor é o primeiro componente que se lembra. Entretanto há muito mais que somente este. 

Processadores são totalmente dependentes dos transistores, há uma subdivisão interessante com processadores com funções específicas e itens genéricos com multipropósitos, mas todos eles sendo feitos de milhares de transistores e outros componentes.

Uma série de outros componentes são baseados em semicondutores como os diodos, reguladores lineares, triacs, comparadores, contadores, controladores. Alguns destes são chips que são classificados como ASICs, sigla em inglês para Circuito Integrado de Aplicação Específica.

Processo produtivo

Passo a passo dos processo para fabricação dos chips:

1. Um líquido fotorresistente é aplicado sobre o disco de silício;
2. O disco gira para haver uma distribuição uniforme do líquido;
3. Uma Luz UV é projetada para formar o desenho dos circuitos de acordo com o projeto;
4. Os pontos atingidos pela luz tornam-se solúveis e esse processo é chamado de litografia (semelhança com o processo de cópia de desenhos utilizando uma referência sobreposta);
5. A parte de material solúvel é removida e também o material fotorresistente;
6. Esse disco agora é chamado de Wafer (devido às várias camadas) e é aplicado uma camada de proteção para evitar curto circuitos;
7. E chip então é bombardeado por íons de cobre, e estes vão criar as conexões elétricas
8. O cobre em excesso é removido e o processo é reiniciado com a próxima camada do Wafer;
9. Os chips deste disco são então cortados para serem encapsulados;
10. A ligação entre os terminais do componente e o wafer é feito um uma fina linha de ouro ou material ótimo condutor, e o processo se assemelha a uma costura;

Um infográfico produzido pelo portal Tecmundo pode ser visualizado neste link e traz de maneira ilustrada o processo mencionado acima.

Na imagem abaixo é possível visualizar um wafer que foi transformado a partir de um disco de silício. A imagem é de um laboratório onde está sendo produzido um espécime para testes e validações.

MANUFATURA Automatizada

Uma produção em larga escala de um semicondutor normalmente é feita com máquinas automatizadas, onde todo o processo é milimetricamente controlado, e as variáveis de processo totalmente controladas por uma variedade de sensores de posicionamento e atuadores automáticos. Um exemplo de uma estação como essa é vista na figura abaixo, onde o fabricante é uma das empresas que fazem esse tipo de equipamento.

Uma automatização desse processo pode ser visualizada no vídeo abaixo com créditos da Intel, onde o processo desde a preparação de um lingote de silício, o corte em discos e a montagem final do chip é demonstrada. 

Demanda de mercado 

O Coronavirus causou uma alteração sem precedentes nos meios a como trabalhamos e nos comunicamos, prevendo uma diminuição da demanda de automóveis pois os deslocamentos seriam evitados a indústria automotiva enviou ofícios para os fabricantes de circuitos integrados com redução de volume anual comprado.

Por outro lado, a fabricação de outros eletrônicos e itens para casa cresceu, com mais pessoas ficando em casa e fazendo dela seu escritório, escola, etc.  Então a indústria de chips converteu a demanda e seus equipamentos para produção de tais semicondutores de outras indústrias. Abaixo é possível observar o tamanho e número de linhas de fabricação de celulares em uma fábrica da China.

Com a demanda aumentada de indústrias de linha branca e marrom, o gargalo não é o silício, mas a capacidade de produção de chips. Pois com perspectiva de retorno da demanda de automóveis acima do estimado anteriormente as empresas não conseguem atender a nova demanda das industrias automotivas. 

Fábricas da Fiat, Honda, Nissan, Volkswagen e Toyota foram afetadas, mas não é descartado que outros fabricantes tenham o mesmo problema. Bem como outras indústrias considerando que o aumento global da demanda por chips vem causando problemas também.

Ainda mais puxado pelo fato de que chips usados nos veículos possuem especificações diferentes para altas temperaturas principalmente. Uma mudança no processo produtivo dos fabricantes pode levar de 3 a 6 meses sendo que a normalidade só deve ser alcançada em 2022. 

Linha automotiva

Como mencionado no artigo sobre evolução tecnológica os carros possuem atualmente uma demanda por semicondutores muito elevada para citar alguns exemplos de locais onde se usam chips nos veículos podemos usar a imagem abaixo como referência. De um painel de um veículo com uma grande tela multimídia, que também é o GPS do veículo. 

Painéis apesar de possuírem ponteiros são movidos por pequenos motores e estes requerem um controle com um circuito integrado. Vidros elétricos, direção elétrica, câmbio automático, sistema de partida em rampa, controle de estabilidade, sensor de chuva, sensor acendimento automático de faróis, frenagem automática, ABS, sensores de estacionamento, câmeras de estacionamento, controle de temperatura interna, alarme.

Sem contar com o controle do funcionamento do motor com a injeção eletrônica, controle de emissão de poluentes, e em alguns casos sistemas de eletrificação de carros híbridos. 

A lista parece não ter fim com itens de cada um que precisa de um microchip. E o veículo hoje opera com uma rede de dispositivos exigindo ainda comunicação entre módulos. Segundo informações do fabricante, o Volkswagen Taos possui cerca de 300 microchips atualmente, onde há alguns anos esse número estava na média de 15.

A composição da eletrônica de um veículo representava aproximadamente 15% do custo total nos anos 2000, hoje representa até 40% e a demanda crescente por novas tecnologias, sendo diferencial para o consumidor que busca inovação ao trocar de carro, essa demanda tende a crescer para até 50% num futuro próximo.

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Sabe-se que nem tudo dura para sempre, eventualmente um dispositivo destes estraga e precisa ser substituído. Porém, o que fazer com o item que está sendo substituído e virou agora um lixo eletrônico? Acompanhe este artigo para um panorama atual.

Há diferentes modos de operar dispositivos eletrônicos descartados, seja simplesmente dando um novo destino, pois o mesmo encontra-se funcional e com defeitos estéticos, consertar a parte defeituosa e destinar a um novo usuário, ou ainda quando não há possibilidade de conserto a destinação para reciclagem. 

Entretanto nem sempre isso ocorre, muitas vezes a destinação não é apropriada, como muitos outros tipos de lixo. Quando descartado juntamente com lixos orgânicos, cuja destinação são aterros sanitários na maioria dos casos. E mais lamentavelmente há o descarte dos mesmos em rios, matas entre outros locais inapropriados para descarte. Portanto o modo como estamos lidando com isso não é nada sustentável.

Volume de lixo eletrônico

O volume total cresceu 12,38% nos últimos cinco anos – abaixo da média mundial –, de 1,907 milhão de toneladas em 2016 para 2,143 milhões em 2019. Em termos de coleta e reutilização, o dado oficial mais recente é de 2012, de 140 toneladas. Utilizando dados disponíveis nos meios de divulgação o volume reciclado versus o volume de lixo descartado foi de 0,007%. O que coloca o Brasil em uma posição negativa quando observado percentualmente.

Observando em uma perspectiva global em 2019 o volume de lixo eletrônico gerado foi de 53.6 milhões de toneladas. Sendo que apenas 17.4% deste volume foram catalogados e reciclados de maneira adequada. Comparando números absolutos o volume de lixos eletrônicos reciclados desde 2014 vem aumentando a um passo de 1.8 milhões toneladas ao ano.

Entretanto o volume de dejetos gerados vem aumentando 9.2 milhões de toneladas. (ONU E-waste Monitor, 2020). Portanto esse descompasso mostra o porquê essa prática é insustentável. 

Qual o destino correto para equipamentos eletrônicos?

Dado que os lixo eletrônicos ou e-lixo (do mesmo acrônimo em inglês e-waste), possuem uma composição complexa. Possuindo desde diferentes tipos de materiais até mesmo a materiais com contaminantes, metais pesados e materiais explosivos se expostos ao fogo como baterias. Locais de descartes apropriados precisam ser utilizados, para posterior seleção e destinação adequada.

Espaços devem possuir mecanismos que permitem a retirada apenas por pessoas autorizadas e capacitadas a operar os itens descartados. Motivo esse da instituição da Lei nº 12.305/10, conhecida também como Política Nacional de Resíduos Sólidos, que é muito mais abrangente do que só para e-lixos.

Entretanto, quando observada a situação do Brasil quanto a disponibilização dos coletores, apenas 13% dos municípios têm a disponibilização dos 5570 municípios e apenas 740 contam com os mesmos.

A lei acima mencionada é parte da solução dos problemas, pois ela exige que os fabricantes dos equipamentos tenham política de retorno dos mesmos, disponibilizando locais de coleta ou recolhimento dos e-lixos. 

Considerando que o fabricante dos dispositivos normalmente não dispõe de toda uma estrutura necessária para reciclar o produto que ela produz, pois sua estrutura é feita para produzir não reoperar. Então com o intuito de cumprir com suas obrigações a empresa contrata empresas especializadas em fazer a logística reversa e reciclagem. Que por sua vez possuem postos de coletas especializados, e distribuem em locais de fácil acesso.

Estes coletores recebem o nome de PEV – Pontos de Entrega Voluntária, no qual a pessoa abdica dos itens ao depositar os mesmos. Operadoras de celular mantém em suas lojas locais para recebimento de celulares, baterias e tablets, algumas também aceitam outros itens, mas estes devem ser entregues juntos a uma declaração de posse.

Economia circular

Uma prática muito importante dado a escassez de recursos naturais, muitos elementos químicos necessários para contínua fabricação de equipamentos elétricos e eletrônicos são escassos na natureza. Devido a isso seu preço vem crescendo cada vez mais, pois há custos elevados para mineração dos mesmos na natureza também.

Portanto fechar o ciclo de produção com a reutilização de materiais de produtos reoperados, fazendo com que vários elementos voltem para produtos novos. Reduz impactos ambientais duas vezes, por não causar a poluição e por evitar novas explorações.

Segundo publicação da ONU o Brasil, deixa de aproveitar os benefícios de reutilizar os materiais que poderiam ser reoperados, e portanto deixar de ganhar em média US$2.2 bilhões por ano, pois acima de tudo o e-lixo se bem aproveitado pode ter muitos tesouros escondidos, basta que saibamos aproveitar, fazer coletas mais responsáveis e contribuir com a natureza, incentivos a pesquisa para esse ramo no Brasil deveriam ser mais abrangentes, dado o tamanho da riqueza que se esconde nessa montanha de lixo eletrônico.

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