Guinguette Marais Poitevin

El tutorial sobre la ESD incluye:
Conceptos básicos de la ESD Cómo afecta la ESD a los componentes electrónicos Protección contra la ESD Banco de trabajo de la ESD Alfombra de trabajo de la ESD Muñequera de la ESD Ropa de la ESD Almacenamiento de la ESD Proceso de la ESD con un presupuesto Diseño para combatir la ESD

La descarga electrostática o ESD es un hecho de la vida cotidiana y es de particular importancia en la industria electrónica en estos días.

Hace años, cuando se utilizaban válvulas termoiónicas / tubos de vacío, no era un problema, e incluso con la introducción de los transistores pocos lo consideraban un problema. Sin embargo, cuando se introdujeron los MOSFET, sus tasas de fallo aumentaron, se investigó el problema y se descubrió que la acumulación de estática era suficiente para provocar el fallo de la capa de óxido en el dispositivo.

Desde entonces, la concienciación sobre la ESD ha aumentado considerablemente porque se ha demostrado que tiene un efecto en muchos dispositivos. De hecho, hoy en día muchos fabricantes consideran que todos los componentes son sensibles a la estática, y no sólo los dispositivos MOS, que son los más propensos a sufrir daños.

Como resultado de la importancia concedida a la ESD, los fabricantes de equipos electrónicos gastan muchos miles de libras para garantizar que sus lugares de trabajo estén protegidos contra los efectos de la estática. Se aseguran de que los productos que fabrican no presenten altas tasas de fallos durante las pruebas de fabricación y sean capaces de demostrar una alta fiabilidad durante un largo periodo de tiempo.

¿Qué es la ESD?

La estática es simplemente la acumulación de carga entre dos superficies. Surge cuando las superficies se rozan y esto da lugar a un exceso de electrones en una superficie y una deficiencia en la otra.

Las superficies en las que se acumula la carga pueden considerarse como un condensador. La carga permanecerá en su lugar a menos que tenga un camino a través del cual pueda fluir. Como a menudo no hay un camino real a través del cual la carga pueda fluir, el voltaje resultante puede permanecer durante algún tiempo y esto da lugar al término «electricidad estática».

Sin embargo, cuando existe un camino de conducción, fluye una corriente y la carga se reduce. Hay una constante de tiempo asociada a la descarga. Una resistencia alta significará que una corriente menor fluirá durante más tiempo. Una resistencia baja dará lugar a una descarga mucho más rápida.

Obviamente, los niveles de tensión y corriente que se producen dependen de una gran variedad de factores. El tamaño de la persona, el nivel de actividad, el objeto contra el que se realiza la descarga y, por supuesto, la humedad del aire. Todos estos factores tienen un efecto pronunciado, por lo que es casi imposible predecir el tamaño exacto de las descargas que se producirán.

Sin embargo, uno de los principales factores que afectan a los voltajes que se producen es el tipo de material que se está frotando. Se ha comprobado que diferentes materiales dan diferentes voltajes. La tensión producida depende de la posición de los dos materiales en una serie conocida como serie triboeléctrica.

Serie triboeléctrica

Cuanto más separados estén en la serie, mayor será la tensión. El que esté más arriba en la serie recibirá una carga positiva, y el que esté más abajo una carga negativa. Mirando la lista de series tribo-eléctricas de abajo se puede ver que peinarse con un peine de plástico dará lugar a una carga positiva en el pelo, y el peine se cargará negativamente.

Hay muchas formas de acumular cargas. Incluso caminar por una alfombra puede dar lugar a voltajes muy grandes. Normalmente, esto puede dar lugar a potenciales de 10 kV. En los casos más graves, puede llegar a triplicar este valor. Incluso el acto de caminar por un suelo de vinilo puede generar potenciales de unos 5 kV. De hecho, cualquier forma de movimiento en el que las superficies se froten entre sí conducirá a la generación de electricidad estática. Alguien que trabaje en un banco utilizando componentes electrónicos podría generar fácilmente potenciales estáticos de 500 V o más.

Ejemplos prácticos de ESD

Uno de los ejemplos más visibles de generación de carga es cuando se camina por una habitación. Incluso este hecho cotidiano puede generar tensiones sorprendentemente altas. Los voltajes reales varían considerablemente dependiendo de una variedad de factores, pero se pueden dar estimaciones para ilustrar el alcance del problema.

Para ilustrar el alcance del problema, en la siguiente tabla se detallan varios casos:

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* Estas son cifras aproximadas y suponen una humedad relativa de hasta el 25%. A medida que la humedad aumenta, estos niveles descienden: con una humedad de alrededor del 75%, los niveles estáticos pueden caer en un factor muy aproximado de 25 o más. Todas estas cifras son muy aproximadas, ya que dependen en gran medida de las condiciones particulares, pero dan una guía del orden de magnitud de los niveles de ESD que cabe esperar.

Aunque los resultantes de la ESD parecen muy elevados, suelen pasar desapercibidos. La descarga electrostática más pequeña que se puede sentir es de alrededor de 5kV, e incluso entonces esta magnitud de descarga sólo se puede sentir en ocasiones. La razón es que, aunque los picos de corriente resultantes pueden ser muy altos, sólo duran muy poco tiempo y el cuerpo no los detecta porque la carga que hay detrás es relativamente pequeña. Las tensiones de esta magnitud procedentes de equipos electrónicos o eléctricos en los que puede haber más corriente y durante mucho más tiempo tendrán un efecto mucho mayor y pueden ser muy peligrosas.

Transferencia estática

Hay varias formas en las que las cargas estáticas pueden transferirse a los dispositivos semiconductores, lo que provoca daños por ESD. La más obvia es cuando son tocados por un elemento que está cargado y es conductor. El ejemplo más obvio de esto posiblemente ocurre cuando un semiconductor está en un banco de trabajo y alguien camina por el suelo acumulando una carga y luego lo recoge.

El dedo cargado entonces imparte la carga estática muy rápidamente al semiconductor con la posibilidad de daño. Las herramientas pueden ser posiblemente aún más dañinas. Los destornilladores metálicos son aún más conductores e imparten la carga aún más rápido, lo que da lugar a niveles más altos de corriente máxima.

Sin embargo, no es necesario tocar los componentes para dañarlos. Artículos como los vasos de plástico tienen una carga muy alta, y colocar uno de ellos cerca de un CI puede «inducir» una carga opuesta en el CI. Esto también puede dañar el dispositivo semiconductor. Las corbatas hechas de fibra artificial también son un peligro de ESD porque pueden cargarse y colgarse fácilmente cerca de equipos electrónicos sensibles.

Mecanismos de fallo de ESD

Hay varias formas en las que la ESD puede dañar los componentes semiconductores. La más obvia es el resultado de la altísima tensión estática, que da lugar a elevados niveles de corriente de pico que pueden causar quemaduras locales. Aunque la corriente fluye durante un periodo de tiempo muy corto, el diminuto tamaño de las características del circuito integrado hace que se produzcan daños con mucha facilidad. Los enlaces de cables de interconexión o las zonas del propio chip pueden fundirse debido a la elevada corriente de pico.

Otra forma en la que pueden producirse daños como resultado de la ESD es cuando el alto nivel de tensión provoca la rotura de un componente del propio dispositivo. Puede romper una capa de óxido del dispositivo y dejarlo inoperativo. Dado que las dimensiones de algunos circuitos integrados son muy inferiores a una micra, no es de extrañar que incluso voltajes relativamente bajos puedan causar averías.

Aunque los daños causados por la ESD pueden destruir instantáneamente los dispositivos, también es posible que creen lo que se denomina fallos latentes. Esto ocurre porque la ESD no destruye completamente el dispositivo, sino que el daño causado sólo lo debilita, dejándolo en riesgo de fallar más adelante en su vida. Estos defectos latentes no suelen detectarse. El resultado es que el nivel general de fiabilidad se reduce considerablemente o (más en el caso de los dispositivos analógicos) el rendimiento puede degradarse. Los fallos latentes causados por las descargas electrostáticas pueden ser muy costosos, ya que la reparación mientras un artículo está en servicio es mucho más costosa que arreglar un artículo que ha fallado en la fábrica. La razón de esto es que un técnico de reparación normalmente necesita reparar el artículo in situ, o tiene que ser enviado a un centro de reparación.

Los fallos latentes pueden ser causados cuando una interconexión está parcialmente fundida por ESD. A menudo, parte del conductor ha sido destruido por la descarga estática dejándolo vulnerable posteriormente. Otra forma de dañar los chips es cuando el material resultante del daño se extiende por la superficie del semiconductor, y esto puede dar lugar a vías de conducción alternativas.

Como resultado del hecho de que los componentes pueden ser fácilmente dañados por la ESD, la mayoría de los fabricantes tratan todos los semiconductores como dispositivos sensibles a la estática, y junto con esto muchos tratan todos los dispositivos, incluyendo los componentes pasivos como condensadores y resistencias, como sensibles a la estática también. Cuando se mira esto hay que recordar que la mayoría de los equipos producidos en masa hoy en día utilizan componentes de montaje superficial donde las dimensiones son mucho más pequeñas que los componentes tradicionales y esto los hace mucho más susceptibles a los daños de la ESD.

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