La descarga electrostática ( ESD ) es un flujo repentino y momentáneo de corriente eléctrica entre dos objetos con diferente carga 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.
La ESD puede crear chispas eléctricas espectaculares ( un ejemplo de un evento de ESD a gran escala son los relámpagos , con el sonido del trueno que los acompaña), pero también formas menos espectaculares que pueden no verse ni oírse, pero que aún así pueden 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 notablemente en los rayos. Otras formas de ESD incluyen la descarga de corona de electrodos afilados, la descarga de cepillo de electrodos romos, etc.
La ESD puede provocar efectos nocivos de importancia en la industria, incluyendo explosiones de gas, vapor de combustible y polvo de carbón, así como fallos en componentes electrónicos de estado sólido como circuitos integrados . [1] Estos pueden sufrir daños permanentes cuando se someten a altos voltajes. Por ello, los fabricantes de productos electrónicos establecen zonas de protección electrostática libres de estática, utilizando medidas para evitar la carga, como evitar materiales altamente cargantes y medidas para eliminar la estática como conectar a tierra a los trabajadores humanos, proporcionar dispositivos antiestáticos y controlar la humedad.
Los simuladores 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 ESD es la electricidad estática . La electricidad estática se genera a menudo a través de la tribocarga , la separación de cargas eléctricas que se produce cuando dos materiales se ponen 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, ascender de un asiento de coche de tela o retirar algunos tipos de embalajes de plástico. En todos estos casos, la ruptura del contacto entre dos materiales da lugar a la tribocarga, creando así una diferencia de potencial eléctrico que puede dar lugar a un evento 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. Un evento de ESD puede ocurrir 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 a través de la inducción electrostática y un evento de ESD puede ocurrir si el componente se toca con una herramienta metálica.
La ESD también puede ser causada por partículas cargadas energéticas que chocan contra un objeto. Esto provoca un aumento de la carga superficial y profunda. 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 dramático. Esto ocurre cuando un campo eléctrico fuerte ioniza el aire, creando un canal conductor que puede transmitir una corriente eléctrica. Las personas pueden experimentar esto como una pequeña sacudida de incomodidad, pero la ESD puede provocar daños graves en los componentes electrónicos, lo que puede provocar fallas 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 están acompañados de una chispa o ruido visible. Es posible que una persona lleve una carga que, aunque indetectable para los sentidos humanos, puede ser lo suficientemente potente como para dañar dispositivos electrónicos delicados. Algunos componentes pueden verse afectados por descargas tan débiles como 30 V, y a veces 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 requerida ]
Los eventos de descarga de cables (CDE) son descargas que ocurren al conectar cables eléctricos a un dispositivo.
Se produce una chispa cuando la intensidad del campo eléctrico supera aproximadamente los 4–30 kV/cm [3] (la intensidad del campo dieléctrico del aire). Esto puede provocar un aumento muy rápido de la cantidad de electrones e iones libres en el aire, lo que provoca que el aire se convierta de repente en un conductor eléctrico en un proceso denominado ruptura dieléctrica .
Quizás el ejemplo más conocido de una chispa natural es el rayo . En este caso, el potencial eléctrico entre una nube y el suelo, o entre dos nubes, es típicamente de cientos de millones de voltios . La corriente resultante que circula a través del canal de descarga provoca una enorme transferencia de energía . En una escala mucho menor, las chispas pueden formarse en el aire durante descargas electrostáticas de objetos cargados que tienen una carga de 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 la de un rayo, las moléculas atmosféricas afectadas sufren una sobrecarga eléctrica. Las moléculas de oxígeno diatómico se dividen y luego se recombinan para formar ozono (O3 ) , 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 del 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 entornos combustibles que pueden provocar explosiones catastróficas en entornos de combustible concentrado. La mayoría de las explosiones se pueden atribuir a una pequeña descarga electrostática, ya sea una fuga inesperada de combustible que invade un dispositivo de chispas al aire libre conocido o una chispa inesperada en un entorno 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. [1] Los componentes sensibles deben protegerse durante y después de la fabricación, durante el envío y el montaje 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. [4]
En la industria, la prevención de descargas electrostáticas se basa en un área protegida contra descargas electrostáticas (EPA, por sus siglas en inglés). La EPA puede ser una pequeña estación de trabajo o una gran área de fabricación. El principio fundamental de una EPA es que no haya materiales con alta carga cerca de los componentes electrónicos sensibles a las descargas electrostáticas, que todos los materiales conductores y disipadores estén conectados a tierra, que los trabajadores estén conectados a tierra y que se evite la acumulación de carga en los componentes electrónicos sensibles a las descargas electrostáticas. Se utilizan estándares internacionales para definir un EPA típico y se pueden encontrar, por ejemplo, en la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC, por sus siglas en inglés) o en el Instituto Nacional Estadounidense de Estándares (ANSI, por sus siglas en inglés).
La prevención de descargas electrostáticas en una EPA puede incluir el uso de material de embalaje adecuado que no genere descargas electrostáticas, el uso de filamentos conductores en las prendas que usan los trabajadores de montaje, muñequeras y correas para los pies conductoras para evitar que se acumulen altos voltajes en los cuerpos de los trabajadores, tapetes antiestáticos o materiales conductores para pisos que conduzcan las cargas eléctricas dañinas fuera del área de trabajo y el control de la humedad . Las condiciones húmedas evitan la generación de cargas electrostáticas 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 las regiones superficiales cargadas en materiales aislantes o dieléctricos . Los materiales aislantes propensos a cargas triboeléctricas de más de 2000 V deben mantenerse a una distancia de al menos 30 cm de los dispositivos sensibles para evitar la carga accidental de los dispositivos a través de la inducción de campo. En los aviones, se utilizan descargadores estáticos en los bordes de salida de las alas y otras superficies.
Los fabricantes y usuarios de circuitos integrados deben tomar precauciones para evitar la 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. También se pueden utilizar componentes de protección externos 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 la ESD también son tan pequeños que la fabricación y la manipulación se realizan con equipos automatizados. Por lo tanto, las actividades de prevención de la ESD son importantes en aquellos procesos en los que los componentes entran en contacto directo con las superficies de los equipos. Además, es importante prevenir la ESD cuando un componente sensible a la descarga electrostática está conectado con otras partes conductoras del propio producto. Una forma eficaz de prevenir la 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 10 12 ohmios-metros. Los materiales de fabricación automatizada que entrarán en contacto con áreas conductoras de dispositivos electrónicos sensibles a la ESD deben estar hechos de material disipador y el material disipador debe estar conectado a tierra. Estos materiales especiales pueden 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 necesitan protección durante el envío, la manipulación y el almacenamiento. La acumulación y descarga de electricidad estática se puede minimizar controlando la resistencia de la superficie y la resistividad del volumen de los materiales de embalaje. El embalaje también está diseñado para minimizar la carga friccional o triboeléctrica de los paquetes debido al roce entre sí durante el envío, y puede ser necesario incorporar protección electrostática o electromagnética 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 la ESD.
Para probar la susceptibilidad de los dispositivos electrónicos a la 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 consiste en un condensador en serie con una resistencia . El condensador se carga a un alto voltaje especificado 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 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 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 exige C = 150 pF y R = 330 Ω, lo que proporciona resultados de alta fidelidad. Si bien la teoría está en gran parte establecida, muy pocas empresas miden la tasa real de supervivencia ante descargas electroestáticas. Se proporcionan pautas y requisitos para las geometrías de las celdas de prueba, las especificaciones del generador, los niveles de prueba, la tasa y la forma de onda de descarga, los tipos y puntos de descarga en el producto "víctima" y los 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 puede soportar un dispositivo cuando el propio dispositivo 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 CDM depende principalmente de parámetros parásitos de la descarga y depende en gran medida del tamaño y el tipo de paquete de componentes. Uno de los modelos de prueba de simulación CDM más utilizados es 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 Descarga electrostática en Wikimedia Commons