La descarga electrostática ( ESD ) es un flujo repentino y momentáneo de corriente eléctrica entre dos objetos con cargas diferentes cuando se acercan o cuando el dieléctrico entre ellos se rompe, creando a menudo una chispa visible asociada con la electricidad estática entre los objetos.
Las ESD pueden crear chispas eléctricas espectaculares ( los relámpagos , acompañados por el sonido de un trueno , son un ejemplo de un evento de ESD a gran escala), pero también formas menos dramáticas que pueden no verse ni oírse, 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 4 × 10 6 V/m en el aire, como ocurre especialmente con los rayos. Otras formas de ESD incluyen descarga en corona de electrodos afilados, descarga de cepillo de electrodos desafilados, etc.
Las ESD pueden provocar efectos nocivos de importancia en la industria, incluidas explosiones de gas, vapor de combustible y polvo de carbón, así como fallos de componentes electrónicos de estado sólido , como los circuitos integrados . 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 evitar la carga, como evitar materiales altamente cargados 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.
Una de las causas de los eventos de ESD es la electricidad estática . La electricidad estática a menudo se genera mediante tribocarga , la separación de cargas eléctricas que se produce cuando dos materiales se ponen en contacto y luego se separan. Ejemplos de carga tribo 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 carga tribo, creando así una diferencia de potencial eléctrico que puede provocar un evento de ESD.
Otra causa de daño por ESD es la inducción electrostática . Esto ocurre cuando un objeto cargado eléctricamente 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 poliestireno pueden inducir potencial en componentes sensibles a ESD cercanos mediante 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 una carga superficial y profunda cada vez mayor. Este es un peligro conocido para la mayoría de las naves espaciales . [1]
Los fenómenos de descarga electrostática (ESD) varían en complejidad y magnitud, siendo la chispa eléctrica el ejemplo más visible y dramático. Esto ocurre cuando un fuerte campo eléctrico ioniza el aire, creando un canal conductor que puede transmitir una corriente eléctrica. Las personas pueden experimentar esto como una pequeña sensación de incomodidad, pero la ESD puede causar daños graves a los componentes electrónicos, lo que podría provocar fallos y mal funcionamiento. En entornos peligrosos donde hay gases inflamables o partículas de polvo, la ESD puede provocar incendios o explosiones.
Sin embargo, no todos los eventos de ESD van acompañados de una chispa o un ruido visible. Es posible que una persona lleve una carga que, si bien es indetectable para los sentidos humanos, puede ser lo suficientemente potente como para dañar dispositivos electrónicos delicados. Algunos componentes pueden verse comprometidos por descargas tan débiles como de 30 V, y en ocasiones dichos daños no se hacen evidentes hasta que se ha producido un uso significativo, lo que afecta la vida útil y el rendimiento de los dispositivos. [ cita necesaria ]
Los eventos de descarga de cables (CDE) son descargas que ocurren al conectar cables eléctricos a un dispositivo.
Se dispara una chispa cuando la intensidad del campo eléctrico excede aproximadamente 4-30 kV/cm [2] , la intensidad del campo dieléctrico del aire. Esto puede provocar un aumento muy rápido en la cantidad de electrones e iones libres en el aire, lo que provoca temporalmente que el aire se convierta abruptamente en un conductor eléctrico en un proceso llamado ruptura dieléctrica .
Quizás el ejemplo más conocido de chispa natural sea el rayo . 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 menor, se pueden formar chispas en el aire durante las descargas electrostáticas de objetos cargados a tan sólo 380 V ( ley de Paschen ).
La atmósfera terrestre está compuesta por un 21% de oxígeno (O 2 ) y un 78% de nitrógeno (N 2 ). Durante una descarga electrostática, como por ejemplo un relámpago, las moléculas atmosféricas afectadas sufren una sobrecarga eléctrica. 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 la tensión 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 depuración del agua .
Las chispas son una fuente de ignición en entornos combustibles que pueden provocar explosiones catastróficas en entornos de combustible concentrado. La mayoría de las explosiones se remontan a una pequeña descarga electrostática, ya sea una fuga inesperada de combustible combustible que invadió un dispositivo conocido de generación de chispas al aire libre o una chispa inesperada en un entorno conocido rico en combustible. El resultado es el mismo si hay oxígeno presente y se han combinado los tres criterios del triángulo del fuego .
Muchos componentes electrónicos, especialmente los circuitos integrados y los 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 eficaz de ESD. Debe definirse claramente y evaluarse periódicamente. [3]
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 una EPA es que no hay materiales altamente cargados cerca de los dispositivos electrónicos sensibles a ESD, todos los materiales conductores y disipadores 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 embalaje apropiado seguro para ESD, el uso de filamentos conductores en las prendas usadas por los trabajadores de ensamblaje, muñequeras conductoras y correas para los pies para evitar que se acumulen altos voltajes en el cuerpo de los trabajadores, tapetes antiestáticos o materiales conductores para pisos para conducir cargas eléctricas dañinas lejos del área de trabajo y control de 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 pueden conectarse a tierra. Los sistemas de ionización ayudan a neutralizar regiones superficiales cargadas en materiales aislantes o dieléctricos . Los materiales aislantes propensos a cargas triboeléctricas de más de 2000 V deben mantenerse alejados al menos a 12 pulgadas de dispositivos sensibles para evitar la carga accidental de dispositivos mediante inducción de campo. En los aviones, los descargadores estáticos se utilizan en los bordes de salida 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 externos también se pueden utilizar con el diseño del circuito.
Debido a la naturaleza dieléctrica de los componentes y conjuntos electrónicos, la carga electrostática no se puede evitar por completo durante la manipulación de los dispositivos. La mayoría de los conjuntos y componentes electrónicos sensibles a ESD también son tan pequeños que su fabricación y manipulación 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 forma eficaz de prevenir las descargas electrostáticas es utilizar 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 inferiores a 10 12 ohmios. Los materiales en la fabricación automatizada que entrarán en contacto con áreas conductoras de dispositivos electrónicos sensibles a ESD deben estar hechos de material disipativo, y el material disipativo 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 .
Los dispositivos sensibles deben protegerse durante el envío, manipulación y 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 está diseñado para minimizar la carga triboeléctrica o por fricción 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. [4] Un ejemplo común es que los dispositivos semiconductores y componentes de computadoras 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.
Para probar la susceptibilidad de los dispositivos electrónicos a las ESD por contacto humano, a menudo se utiliza un simulador de ESD con un circuito de salida especial, llamado modelo del cuerpo humano (HBM). Este consta de un condensador en serie con una resistencia . El condensador se carga a un alto voltaje específico desde una fuente externa y luego se descarga repentinamente a través de la resistencia en un terminal eléctrico del dispositivo bajo prueba . Uno de los modelos más utilizados está definido en el estándar JEDEC 22-A114-B, que especifica un condensador de 100 picofaradios y una resistencia de 1.500 ohmios . Otros estándares similares son MIL-STD-883 Método 3015 y ESD STM5.1 de la Asociación ESD. 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. [5] 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 prácticamente ahí, muy pocas empresas miden la tasa real de supervivencia de ESD. Se brindan 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 utiliza 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 de CDM depende principalmente de parámetros parásitos de la descarga y depende en gran medida del tamaño y tipo de paquete de componentes. Uno de los modelos de prueba de simulación CDM más utilizados es el definido por el JEDEC .
Otros circuitos de prueba ESD estandarizados incluyen el modelo de máquina (MM) y el pulso de línea de transmisión (TLP).
Medios relacionados con la descarga electrostática en Wikimedia Commons