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¿Qué es la descarga electrostática: conceptos básicos de ESD?

¿Qué es la descarga electrostática: conceptos básicos de 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 usaban válvulas termoiónicas / tubos de vacío, no era un problema, e incluso con la introducción de transistores, pocos lo consideraban un problema. Sin embargo, cuando se introdujeron los MOSFET, sus tasas de falla aumentaron, se investigó el problema y se descubrió que la acumulación de electricidad estática era suficiente para hacer que fallara la capa de óxido en el dispositivo.

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

Como resultado de la importancia que se concede a las 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 tengan altas tasas de fallas durante la prueba de fabricación y pueden demostrar una alta confiabilidad durante un largo período de tiempo.

¿Qué es ESD?

La estática es simplemente la acumulación de carga entre dos superficies. Surge cuando las superficies se frotan entre sí y esto da como resultado un exceso de electrones en una superficie y una deficiencia en la otra.

Las superficies sobre 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 existe un camino real a través del cual pueda fluir la carga, el voltaje resultante puede permanecer en su lugar durante algún tiempo y esto da lugar al término "electricidad estática".

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

Evidentemente, 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 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 afecta los voltajes que se producen es el tipo de material que se frota entre sí. Se encuentra que diferentes materiales dan diferentes voltajes. El voltaje producido 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 el voltaje. El que está más arriba en la serie recibirá una carga positiva y el que está más abajo, una carga negativa. Al mirar la lista de series triboeléctricas a continuación, puede ver que peinarse el cabello con un peine de plástico dará lugar a una carga positiva en el cabello y el peine se cargará negativamente.

La serie triboeléctrica

Carga positiva
Piel
Cabello
Lana
Seda
Papel
Algodón
Madera
Caucho
Seda artificial
Poliéster
Polietileno
Cloruro de polivinilo
Teflón
Carga negativa

Hay muchas formas de acumular cargas. Incluso caminar sobre una alfombra puede dar lugar a tensiones muy elevadas. Normalmente, esto puede dar lugar a potenciales de 10 kV. En casos graves, incluso podría conducir a potenciales de tres veces este valor. Incluso el hecho de caminar sobre un piso de vinilo puede generar potenciales de alrededor de 5 kV. De hecho, cualquier forma de movimiento donde las superficies se froten entre sí provocará 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 comúnmente visibles de generación de carga es cuando se camina por una habitación. Incluso este hecho cotidiano puede generar voltajes sorprendentemente altos. 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:


Probables tensiones ESD causadas por acciones cotidianas
Causa de generación de cargaVoltaje probable generado (kV) *
Caminando por una alfombra30
Recogiendo una bolsa de polietileno20
Caminando sobre una superficie de baldosas de vinilo15
Trabajando en un banco5

* Estas son cifras aproximadas y suponen una humedad relativa de hasta el 25%. A medida que aumenta la humedad, estos niveles disminuyen: con una humedad de alrededor del 75%, los niveles estáticos pueden disminuir en un factor de muy aproximadamente 25 o más. Todas estas cifras son muy aproximadas, porque dependen mucho de las condiciones particulares, pero dan una guía de orden de magnitud para los niveles de ESD esperados.

Aunque los resultantes de ESD parecen muy elevados, suelen pasar desapercibidos. La descarga electrostática más pequeña que se puede sentir es de alrededor de 5 kV, e incluso entonces, esta magnitud de descarga solo se puede sentir en ocasiones. La razón es que aunque las corrientes máximas resultantes pueden ser muy altas, solo duran muy poco tiempo y el cuerpo no las detecta porque la carga detrás de ellas es relativamente pequeña. Voltajes de esta magnitud de equipos electrónicos o eléctricos donde se puede generar más corriente y durante mucho más tiempo tendrán un efecto mucho mayor y pueden ser muy peligrosos.


Transferencia estática

Hay varias formas en las que las cargas estáticas se pueden transferir a los dispositivos semiconductores, lo que resulta en daños por ESD. El más obvio es cuando son tocados por un elemento que está cargado y es conductor. El ejemplo más obvio de esto ocurre posiblemente cuando un semiconductor está en un banco de trabajo y alguien camina por el piso acumulando una carga y luego la levanta.

El dedo cargado luego imparte la carga estática muy rápidamente al semiconductor con la posibilidad de daño. Las herramientas pueden ser incluso más dañinas. Los destornilladores de metal son aún más conductores e impartirán la carga aún más rápido y esto da como resultado niveles más altos de corriente máxima.

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

Mecanismos de falla de ESD

Hay varias formas en las que las ESD pueden dañar los componentes semiconductores. Los resultados más obvios se deben al voltaje estático muy alto, lo que da lugar a altos niveles de pico de corriente que pueden causar quemaduras locales. A pesar de que la corriente fluye durante un período de tiempo muy corto, los tamaños diminutos de las características en el circuito integrado significan que el daño se produce con mucha facilidad. Los enlaces de cables de interconexión o áreas en el propio chip pueden fusionarse con la corriente de pico alto.

Otra forma en la que pueden ocurrir daños como resultado de una descarga electrostática es cuando el alto nivel de voltaje hace que se produzca una ruptura en un componente del dispositivo. Puede romper una capa de óxido en el dispositivo y dejarlo inoperable. Con dimensiones en algunos circuitos integrados de mucho menos de una micra, no es de extrañar que incluso voltajes relativamente bajos puedan causar averías.

Si bien el daño de la ESD puede destruir instantáneamente los dispositivos, también es posible que creen lo que se denominan fallas latentes. Esto ocurre porque la ESD no destruye completamente el dispositivo, pero el daño causado solo lo debilita, dejándolo en riesgo de fallar más adelante en su vida. Por lo general, estos defectos latentes no se pueden detectar. 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. Las fallas latentes causadas por ESD pueden ser muy costosas porque reparar un artículo mientras está en servicio es mucho más costoso que reparar un artículo que falló en la fábrica. La razón de esto es que un técnico de reparación normalmente necesita reparar el artículo en el sitio, o debe enviarse a una instalación de reparación.

Pueden producirse fallas latentes cuando una interconexión está parcialmente fusionada por ESD. A menudo, parte del conductor ha sido destruido por la descarga estática dejándolo vulnerable más tarde. Otra forma en que los chips se dañan es cuando el material resultante del daño se extiende sobre la superficie del semiconductor, y esto puede resultar en rutas de conducción alternativas.

Como resultado del hecho de que los componentes pueden dañarse fácilmente con ESD, la mayoría de los fabricantes tratan a todos los semiconductores como dispositivos sensibles a la estática y, junto con esto, muchos manejan todos los dispositivos, incluidos los componentes pasivos como condensadores y resistencias, también como sensibles a la estática. Al observar esto, debe recordarse que la mayoría de los equipos producidos en masa en la actualidad utilizan componentes de montaje en superficie donde las dimensiones son mucho más pequeñas que los componentes tradicionales y esto los hace mucho más susceptibles a daños por ESD.

Ver el vídeo: Electricidad Electroestática Video # 1 (Octubre 2020).