Descarga electrostática

La descarga electrostática (ESD, Electrostatic discharge) es un flujo repentino y momentáneo de corriente eléctrica entre dos objetos cargados eléctricamente causado por contacto, un cortocircuito eléctrico o una ruptura dieléctrica. Una acumulación de electricidad estática puede ser causada por tribocarga o por inducción electrostática. La ESD ocurre cuando los objetos con cargas diferentes se acercan o cuando el dieléctrico entre ellos se rompe, a menudo creando una chispa visible.

La ESD puede crear chispas eléctricas espectaculares (los relámpagos, con el sonido del trueno que lo acompaña, es un evento de ESD a gran escala), pero también formas menos dramáticas que pueden no verse ni escucharse, pero aún así ser lo suficientemente grandes como para causar daños a dispositivos electrónicos sensibles.. Las chispas eléctricas requieren una intensidad de campo superior a aproximadamente 40 kV/cm en el aire, como ocurre especialmente en la caída de rayos. Otras formas de ESD incluyen la descarga de corona de electrodos afilados y la descarga de cepillo de electrodos romos.

ESD puede causar efectos nocivos de importancia en la industria, incluidas explosiones de gas, vapor de combustible y polvo de carbón, así como fallas en componentes electrónicos de estado sólido, como circuitos integrados. Estos pueden sufrir daños permanentes cuando se someten a altos voltajes. Por lo tanto, los fabricantes de productos electrónicos establecen áreas de protección electrostática libres de estática, utilizando medidas para evitar la carga, como evitar materiales de alta carga y medidas para eliminar la estática, como conectar a tierra a los trabajadores humanos, proporcionar dispositivos antiestáticos y controlar la humedad.

Los simuladores de ESD se pueden utilizar para probar dispositivos electrónicos, por ejemplo, con un modelo de cuerpo humano o un modelo de dispositivo cargado.

Causas

Una de las causas de los eventos ESD es la electricidad estática. La electricidad estática a menudo se genera a través de la tribocarga, la separación de cargas eléctricas que ocurre cuando dos materiales se ponen en contacto y luego se separan. Los ejemplos de tribocarga incluyen caminar sobre una alfombra, frotar un peine de plástico contra el cabello seco, frotar un globo contra un suéter, ascender desde un asiento de tela para automóvil o quitar algunos tipos de envases de plástico. En todos estos casos, la ruptura del contacto entre dos materiales da como resultado una tribocarga, creando así una diferencia de potencial eléctrico que puede conducir a un evento de ESD.

Otra causa de daño por ESD es a través de la inducción electrostática. Esto ocurre cuando un objeto con carga eléctrica se coloca cerca de un objeto conductor aislado del suelo. La presencia del objeto cargado crea un campo electrostático que hace que las cargas eléctricas en la superficie del otro objeto se redistribuyan. Aunque la carga electrostática neta del objeto no ha cambiado, ahora tiene regiones de exceso de cargas positivas y negativas. Puede ocurrir un evento de ESD cuando el objeto entra en contacto con una ruta conductora. Por ejemplo, las regiones cargadas en las superficies de vasos o bolsas de espuma de poliestireno pueden inducir potencial en los componentes sensibles a ESD cercanos a través de la inducción electrostática y puede ocurrir un evento de ESD si el componente se toca con una herramienta metálica.

La ESD también puede ser causada por partículas cargadas de energía que inciden sobre un objeto. Esto provoca un aumento de la carga superficial y profunda. Este es un peligro conocido para la mayoría de las naves espaciales.

Tipos

La forma más espectacular de ESD es la chispa, que ocurre cuando un campo eléctrico intenso crea un canal conductor ionizado en el aire. Esto puede causar molestias menores a las personas, daños severos a los equipos electrónicos e incendios y explosiones si el aire contiene gases o partículas combustibles.

Sin embargo, muchos eventos de ESD ocurren sin una chispa visible o audible. Es posible que una persona que lleve una carga eléctrica relativamente pequeña no sienta una descarga suficiente para dañar los componentes electrónicos sensibles. Algunos dispositivos pueden resultar dañados por descargas tan pequeñas como 30 V. Estas formas invisibles de ESD pueden causar fallas absolutas en el dispositivo o formas menos obvias de degradación que pueden afectar la confiabilidad y el rendimiento a largo plazo de los dispositivos electrónicos. La degradación en algunos dispositivos puede no ser evidente hasta bien entrada su vida útil.

Chispas

Se dispara una chispa cuando la intensidad del campo eléctrico supera aproximadamente 4–30 kV/cm, la intensidad del campo dieléctrico del aire. Esto puede causar un aumento muy rápido en la cantidad de electrones e iones libres en el aire, lo que hace que el aire se convierta temporalmente en un conductor eléctrico en un proceso llamado ruptura dieléctrica.

Quizás el ejemplo más conocido de una chispa natural es el relámpago. En este caso, el potencial eléctrico entre una nube y el suelo, o entre dos nubes, suele ser de cientos de millones de voltios. La corriente resultante que circula a través del canal de carrera provoca una enorme transferencia de energía. En una escala mucho más pequeña, se pueden formar chispas en el aire durante las descargas electrostáticas de objetos cargados que se cargan a tan solo 380 V (ley de Paschen).

La atmósfera terrestre se compone de un 21% de oxígeno (O ₂) y un 78 % de nitrógeno (N ₂). Durante una descarga electrostática, como un relámpago, las moléculas atmosféricas afectadas se sobrecargan eléctricamente. Las moléculas diatómicas de oxígeno se dividen y luego se recombinan para formar ozono (O ₃), que es inestable o reacciona con metales y materia orgánica. Si el estrés eléctrico es lo suficientemente alto, se pueden formar óxidos de nitrógeno (NOx). Ambos productos son tóxicos para los animales y los óxidos de nitrógeno son esenciales para la fijación de nitrógeno. El ozono ataca toda la materia orgánica por ozonólisis y se utiliza en la purificación del agua.

Las chispas son una fuente de ignición en ambientes combustibles que pueden provocar explosiones catastróficas en ambientes de combustible concentrado. La mayoría de las explosiones se remontan a una pequeña descarga electrostática, ya sea una fuga inesperada de combustible combustible que invade un dispositivo de chispas al aire libre conocido, o una chispa inesperada en un entorno rico en combustible conocido. El resultado es el mismo si está presente el oxígeno y se han combinado los tres criterios del triángulo del fuego.

Prevención de daños en electrónica

Muchos componentes electrónicos, especialmente circuitos integrados y microchips, pueden resultar dañados por ESD. Los componentes sensibles deben protegerse durante y después de la fabricación, durante el envío y el ensamblaje del dispositivo, y en el dispositivo terminado. La conexión a tierra es especialmente importante para un control efectivo de ESD. Debe definirse claramente y evaluarse periódicamente.

Protección durante la fabricación

En la fabricación, la prevención de ESD se basa en un Área protegida contra descargas electrostáticas (EPA). La EPA puede ser una pequeña estación de trabajo o una gran área de fabricación. El principio fundamental de un EPA es que no hay materiales de alta carga en las proximidades de los dispositivos electrónicos sensibles a ESD, todos los materiales conductores y disipativos están conectados a tierra, los trabajadores están conectados a tierra y se evita la acumulación de carga en los dispositivos electrónicos sensibles a ESD. Los estándares internacionales se utilizan para definir una EPA típica y se pueden encontrar, por ejemplo, en la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) o el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI).

La prevención de ESD dentro de una EPA puede incluir el uso de material de empaque seguro para ESD, el uso de filamentos conductores en las prendas que usan los trabajadores de ensamblaje, muñequeras y correas para los pies para evitar que se acumulen altos voltajes en los cuerpos de los trabajadores, tapetes antiestáticos o materiales conductivos para pisos para alejar las cargas eléctricas dañinas del área de trabajo y control de la humedad. Las condiciones de humedad impiden la generación de carga electrostática porque la fina capa de humedad que se acumula en la mayoría de las superficies sirve para disipar las cargas eléctricas.

Los ionizadores se utilizan especialmente cuando los materiales aislantes no se pueden conectar a tierra. Los sistemas de ionización ayudan a neutralizar regiones superficiales cargadas en materiales aislantes o dieléctricos. Los materiales aislantes propensos a la carga triboeléctrica de más de 2000 V deben mantenerse a una distancia mínima de 12 pulgadas de los dispositivos sensibles para evitar la carga accidental de dispositivos a través de la inducción de campo. En las aeronaves, los descargadores de estática se utilizan en los bordes posteriores de las alas y otras superficies.

Los fabricantes y usuarios de circuitos integrados deben tomar precauciones para evitar ESD. La prevención de ESD puede ser parte del propio dispositivo e incluir técnicas de diseño especiales para los pines de entrada y salida del dispositivo. Los componentes de protección externa también se pueden utilizar con el diseño del circuito.

Debido a la naturaleza dieléctrica de los componentes y ensamblajes electrónicos, la carga electrostática no se puede evitar por completo durante el manejo de los dispositivos. La mayoría de los ensamblajes y componentes electrónicos sensibles a ESD también son tan pequeños que la fabricación y el manejo se realizan con equipos automatizados. Por lo tanto, las actividades de prevención de ESD son importantes en aquellos procesos en los que los componentes entran en contacto directo con las superficies del equipo. Además, es importante evitar ESD cuando un componente sensible a descargas electrostáticas está conectado con otras partes conductoras del propio producto. Una manera eficiente de prevenir ESD es usar materiales que no sean demasiado conductores pero que eliminen lentamente las cargas estáticas. Estos materiales se denominan disipadores de estática y tienen valores de resistividad por debajo de 10ohmios-metros. Los materiales en la fabricación automatizada que tocarán áreas conductoras de componentes electrónicos sensibles a ESD deben estar hechos de material disipativo, y el material disipativo debe estar conectado a tierra. Estos materiales especiales pueden conducir la electricidad, pero lo hacen muy lentamente. Cualquier carga estática acumulada se disipa sin la descarga repentina que puede dañar la estructura interna de los circuitos de silicio.

Protección durante el tránsito

Los dispositivos sensibles deben protegerse durante el envío, la manipulación y el almacenamiento. La acumulación y descarga de estática se puede minimizar controlando la resistencia de la superficie y la resistividad del volumen de los materiales de empaque. El empaque también está diseñado para minimizar la carga friccional o triboeléctrica de los paquetes debido al roce durante el envío, y puede ser necesario incorporar blindaje electrostático o electromagnético en el material de empaque. Un ejemplo común es que los dispositivos semiconductores y los componentes de la computadora generalmente se envían en una bolsa antiestática hecha de un plástico parcialmente conductor, que actúa como una jaula de Faraday para proteger el contenido contra ESD.

Simulación y prueba de dispositivos electrónicos.

Para probar la susceptibilidad de los dispositivos electrónicos a ESD por contacto humano, a menudo se usa un simulador de ESD con un circuito de salida especial, llamado modelo de cuerpo humano (HBM). Este consiste en un capacitor en serie con una resistencia. El capacitor se carga a un alto voltaje específico desde una fuente externa y luego se descarga repentinamente a través de la resistencia en una terminal eléctrica del dispositivo bajo prueba. Uno de los modelos más utilizados se define en el estándar JEDEC 22-A114-B, que especifica un condensador de 100 picofaradios y una resistencia de 1500 ohmios. Otros estándares similares son MIL-STD-883 Método 3015 y ESD STM5.1 de la Asociación ESD. Para el cumplimiento de las normas de la Unión Europea para equipos de tecnología de la información, se utiliza la especificación de prueba IEC/EN 61000-4-2.Otra especificación a la que hace referencia el fabricante de equipos Schaffner exige C = 150 pF y R = 330 Ω, lo que proporciona resultados de alta fidelidad. Si bien la teoría está ahí en su mayor parte, muy pocas empresas miden la tasa real de supervivencia de ESD. Se proporcionan pautas y requisitos para geometrías de celdas de prueba, especificaciones del generador, niveles de prueba, tasa de descarga y forma de onda, tipos y puntos de descarga en el producto "víctima" y criterios funcionales para medir la capacidad de supervivencia del producto.

Se usa una prueba de modelo de dispositivo cargado (CDM) para definir la ESD que un dispositivo puede soportar cuando el dispositivo en sí tiene una carga electrostática y se descarga debido al contacto con el metal. Este tipo de descarga es el tipo más común de ESD en dispositivos electrónicos y causa la mayoría de los daños por ESD en su fabricación. La descarga del CDM depende principalmente de los parámetros parásitos de la descarga y depende en gran medida del tamaño y tipo del paquete de componentes. Uno de los modelos de prueba de simulación CDM más utilizados está definido por JEDEC.

Otros circuitos de prueba ESD estandarizados incluyen el modelo de máquina (MM) y el pulso de línea de transmisión (TLP).