Descarga electrostática

La descarga electrostática ( ESD , por sus siglas en inglés) es un flujo repentino y momentáneo de corriente eléctrica entre dos objetos con cargas diferentes cuando se acercan o cuando se rompe el dieléctrico entre ellos, creando a menudo una chispa visible asociada con la electricidad estática entre los objetos.

Las descargas electrostáticas (ESD) pueden generar chispas eléctricas espectaculares ( un rayo , acompañado de un trueno , es un ejemplo de una ESD a gran escala), pero también formas menos dramáticas, que pueden ser imperceptibles a la vista y al oído, pero lo suficientemente intensas como para dañar dispositivos electrónicos sensibles. Las chispas eléctricas requieren una intensidad de campo superior a aproximadamente 4 millones de V/m en el aire, como ocurre en los rayos. Otras formas similares de descarga eléctrica incluyen la descarga de corona en electrodos afilados, la descarga de cepillo en electrodos romos, etc.

Las descargas electrostáticas (ESD) pueden causar efectos perjudiciales de gran importancia en la industria, incluyendo explosiones de gas, vapor de combustible y polvo de carbón, así como fallas en componentes electrónicos de estado sólido , como los circuitos integrados . ^{[ 1 ]} Estos pueden sufrir daños permanentes al ser sometidos a altos voltajes. Por lo tanto, los fabricantes de productos electrónicos establecen áreas de protección electrostática libres de estática, utilizando medidas para prevenir la carga, como evitar materiales altamente cargados, y medidas para eliminar la estática, como conectar a tierra a los trabajadores, proporcionar dispositivos antiestáticos y controlar la humedad.

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

Una de las causas de las descargas electrostáticas (ESD) es la electricidad estática . Esta se genera a menudo por tribocarga , la separación de cargas eléctricas que ocurre cuando dos materiales entran en contacto y luego se separan. Algunos ejemplos de tribocarga son caminar sobre una alfombra, frotar un peine de plástico contra el cabello seco, frotar un globo contra un suéter, levantarse de un asiento de tela en un automóvil o retirar ciertos tipos de envases de plástico. En todos estos casos, la ruptura del contacto entre dos materiales produce tribocarga, creando así una diferencia de potencial eléctrico que puede provocar una descarga electrostática.

Otra causa de daños por ESD es la inducción electrostática . Esto ocurre cuando un objeto cargado eléctricamente se coloca cerca de un objeto conductor aislado de tierra. La presencia del objeto cargado crea un campo electrostático que provoca la redistribución de las cargas eléctricas en la superficie del otro objeto. Aunque la carga electrostática neta del objeto no haya cambiado, ahora presenta regiones con exceso de cargas positivas y negativas. Un evento ESD puede ocurrir cuando el objeto entra en contacto con una vía conductora. Por ejemplo, las regiones cargadas en las superficies de vasos o bolsas de poliestireno expandido pueden inducir potencial en componentes cercanos sensibles a ESD mediante inducción electrostática, y un evento ESD puede ocurrir si el componente se toca con una herramienta metálica.

La descarga electrostática (ESD) también puede ser causada por partículas cargadas de alta energía que impactan contra un objeto. Esto provoca una carga superficial y profunda creciente. Este es un peligro conocido para la mayoría de las naves espaciales . ^{[ 2 ]}

Los fenómenos de descarga electrostática (ESD) varían en complejidad y magnitud, siendo la chispa eléctrica el ejemplo más visible y llamativo. Esto ocurre cuando un campo eléctrico intenso ioniza el aire, creando un canal conductor que puede transmitir una corriente eléctrica. Si bien las personas pueden experimentarlo como una leve molestia, la ESD puede causar daños graves a los componentes electrónicos, lo que podría provocar fallos de funcionamiento. En entornos peligrosos donde hay gases inflamables o partículas de polvo, la ESD puede desencadenar incendios o explosiones.

Sin embargo, no todos los eventos de descarga electrostática (ESD) van acompañados de una chispa o ruido visible. Es posible que una persona tenga una carga que, aunque indetectable para los sentidos humanos, puede ser lo suficientemente potente como para dañar componentes electrónicos delicados. Algunos componentes pueden verse afectados por descargas tan débiles como 30  V, y este daño a veces no se hace evidente hasta después de un uso prolongado, lo que afecta la vida útil y el rendimiento de los dispositivos.

Los eventos de descarga de cables (CDE, por sus siglas en inglés) son descargas que ocurren al conectar cables eléctricos a un dispositivo.

Moscas

Se produce una chispa cuando la intensidad del campo eléctrico supera aproximadamente los 4–30 kV/cm ^{[ 3 ]} , que es la intensidad del campo dieléctrico del aire. Esto puede provocar un aumento muy rápido del número de electrones e iones libres en el aire, lo que hace que este se convierta repentinamente en un conductor eléctrico en un proceso denominado ruptura dieléctrica .

Quizás el ejemplo más conocido de una chispa natural sea el rayo . En este caso, el potencial eléctrico entre una nube y tierra, o entre dos nubes, suele ser de cientos de millones de voltios . La corriente resultante que circula por el canal de descarga provoca una enorme transferencia de energía . A una escala mucho menor, pueden formarse chispas en el aire durante descargas electrostáticas de objetos cargados con tan solo 380 V ( ley de Paschen ).

La atmósfera terrestre está compuesta por un 21 % de oxígeno (O₂ ₎ y un 78 % de nitrógeno (N₂ ₎ . Durante una descarga electrostática, como un rayo, las moléculas atmosféricas afectadas sufren una sobrecarga eléctrica. Las moléculas de oxígeno diatómico se disocian y luego se recombinan para formar ozono (O₃ ₎ , que es inestable o reacciona con metales y materia orgánica. Si la sobrecarga eléctrica es lo suficientemente alta, 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 mediante ozonólisis y se utiliza en la purificación del agua .

Las chispas son una fuente de ignición en ambientes combustibles que puede provocar explosiones catastróficas en entornos con alta concentración de combustible. La mayoría de las explosiones se originan por una pequeña descarga electrostática, ya sea una fuga inesperada de combustible que penetra en un dispositivo de chispas abierto conocido, o una chispa inesperada en un ambiente rico en combustible. El resultado es el mismo si hay oxígeno presente y se combinan los tres criterios del triángulo del fuego .

Muchos componentes electrónicos, especialmente los circuitos integrados y los microchips , pueden dañarse por descargas electrostáticas (ESD). ^{[ 1 ]} 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 eficaz de las ESD. Debe estar claramente definida y evaluarse periódicamente. ^{[ 4 ]}

Protección durante la fabricación

En la fabricación, la prevención de descargas electrostáticas (ESD) se basa en un Área Protegida contra Descargas Electrostáticas (EPA). El EPA puede ser una pequeña estación de trabajo o una gran área de fabricación. El principio fundamental de un EPA es que no haya materiales altamente cargados cerca de los equipos electrónicos sensibles a las ESD, que todos los materiales conductores y disipativos estén conectados a tierra, que los trabajadores estén conectados a tierra y que se evite la acumulación de carga en los equipos electrónicos sensibles a las ESD. Se utilizan normas internacionales para definir un EPA típico, que se pueden consultar, por ejemplo, en la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) o en el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI).

La prevención de descargas electrostáticas (ESD) en una planta de producción de electricidad estática (EPA) puede incluir el uso de materiales de embalaje seguros contra ESD, el uso de filamentos conductores en las prendas de vestir de los trabajadores de la línea de montaje, pulseras y tobilleras conductoras para evitar la acumulación de altos voltajes en el cuerpo de los trabajadores, alfombras antiestáticas o materiales de piso conductores para alejar las cargas eléctricas dañinas del área de trabajo, y el control de la humedad . Las condiciones húmedas previenen la generación de carga electrostática, ya que la fina capa de humedad que se acumula en la mayoría de las superficies disipa las cargas eléctricas.

Los ionizadores se utilizan especialmente cuando no es posible conectar a tierra los materiales aislantes. Los sistemas de ionización ayudan a neutralizar las zonas superficiales cargadas de materiales aislantes o dieléctricos . Los materiales aislantes propensos a la carga triboeléctrica superior a 2000  V deben mantenerse a una distancia mínima de 30 cm (12 pulgadas) de los dispositivos sensibles para evitar la carga accidental de estos por inducción electrostática. En las aeronaves, se utilizan descargadores electrostáticos en los bordes de salida de las alas y otras superficies.

Los fabricantes y usuarios de circuitos integrados deben tomar precauciones para evitar la descarga electrostática (ESD). La prevención de ESD puede integrarse en el propio dispositivo e incluir técnicas de diseño especiales para los pines de entrada y salida. También se pueden utilizar componentes de protección externos en 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 la manipulación de los dispositivos. La mayoría de los ensamblajes y componentes electrónicos sensibles a las descargas electrostáticas (ESD) son tan pequeños que su fabricación y manipulación se realizan con equipos automatizados. Por lo tanto, las medidas de prevención de ESD son importantes en aquellos procesos donde los componentes entran en contacto directo con las superficies de los equipos. Además, es fundamental prevenir las ESD cuando un componente sensible a las descargas electrostáticas está conectado con otras partes conductoras del propio producto. Una forma eficaz de prevenir las ESD es utilizar materiales que no sean demasiado conductores, pero que conduzcan lentamente las cargas estáticas. Estos materiales se denominan disipadores de estática y tienen valores de resistividad inferiores a ^10¹² ohm-metros. En la fabricación automatizada, los materiales que entren en contacto con áreas conductoras de componentes electrónicos sensibles a las ESD deben estar hechos de material disipador, y este material debe estar conectado a tierra. Estos materiales especiales son capaces de conducir 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 superficial y la resistividad volumétrica de los materiales de embalaje. El embalaje también se diseña para minimizar la carga por fricción o triboeléctrica de los paquetes debido al roce entre sí durante el envío, y puede ser necesario incorporar blindaje electrostático o electromagnético en el material de embalaje. ^{[ 5 ]} Un ejemplo común es que los dispositivos semiconductores y los componentes informáticos suelen enviarse en una bolsa antiestática hecha de un plástico parcialmente conductor, que actúa como una jaula de Faraday para proteger el contenido contra las descargas electrostáticas (ESD).

Para probar la susceptibilidad de los dispositivos electrónicos a la ESD por contacto humano, se suele utilizar un simulador de ESD con un circuito de salida especial, llamado modelo de cuerpo humano (HBM). Este consiste en un condensador en serie con una resistencia . El condensador se carga a un voltaje alto especificado desde una fuente externa y luego se descarga repentinamente a través de la resistencia hacia un terminal eléctrico 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 el MIL-STD-883 Método 3015 y el ESD STM5.1 de la ESD Association. Para cumplir con los estándares de la Unión Europea para equipos de tecnología de la información, se utiliza la especificación de prueba IEC/EN 61000-4-2 . ^{[ 6 ]} Otra especificación a la que hace referencia el fabricante de equipos Schaffner requiere C = 150  pF y R = 330  Ω, lo que proporciona resultados de alta fidelidad. Aunque la teoría está bien fundamentada, muy pocas empresas miden la tasa real de supervivencia ante descargas electrostáticas (ESD). Se proporcionan directrices y requisitos para la geometría de las celdas de prueba, las especificaciones del generador, los niveles de prueba, la tasa y la forma de onda de la descarga, los tipos y puntos de descarga en el producto "víctima" y los criterios funcionales para evaluar la resistencia del producto.

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

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

• El Consejo de Electrónica Automotriz , que define en algunas de sus normas los requisitos de calificación de pruebas ESD para componentes electrónicos utilizados en vehículos.
• Receptor inalámbrico dieléctrico
• Arco voltaico
• Pulso electromagnético
• Voltímetro electrostático
• ggNMOS
• Latchup , para las pruebas de calificación de dispositivos semiconductores , ESD y latchup se suelen considerar conjuntamente.
• chispa
• electricidad estática
• Máquina de Wimshurst