Qué Es La Descarga Electrostática: Fundamentos De La ESD

La descarga electrostática o ESD es un hecho de la vida cotidiana y es de especial 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, aumentaron las tasas de fallo, se investigó el problema y se descubrió que la acumulación de estática era suficiente para provocar el fallo de la capa de óxido del dispositivo.

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

Como consecuencia de la importancia que se concede 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 un alto índice de fallos durante las pruebas de fabricación y sean capaces de demostrar una alta fiabilidad durante un largo periodo de tiempo.

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    ¿Qué es la ESD?

    La estática es simplemente la acumulación de carga entre dos superficies. Surge cuando las superficies se rozan y esto provoca 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 por el que pueda fluir la carga, la tensión resultante puede permanecer durante algún tiempo, lo que da lugar al término "electricidad estática".

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    Sin embargo, cuando existe una vía 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 ellos 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 las tensiones que se producen es el tipo de material que se frota. Se ha comprobado que los distintos materiales producen tensiones diferentes. 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 está más arriba en la serie recibirá una carga positiva, y el que está más abajo una carga negativa. Si se observa la lista de series triboeléctricas que aparece a continuación, se puede ver que al peinar el cabello con un peine de plástico se producirá una carga positiva en el cabello, y el peine se cargará negativamente.

    La serie triboeléctrica

    Carga positiva

    Piel
    Cabello
    Lana
    Seda
    Papel
    Algodón
    Madera
    Goma
    Rayón
    Poliéster
    Polietileno
    Pvc
    Teflón

    Carga negativa

    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 con 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. Las tensiones reales varían considerablemente en función de diversos factores, pero se pueden dar estimaciones para ilustrar el alcance del problema.

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

    PROBABLES TENSIONES DE LA ESD CAUSADAS POR ACCIONES COTIDIANAS
    CAUSA DE LA GENERACIÓN DE CARGAS TENSIÓN PROBABLE GENERADA (KV)*
    Caminar por una alfombra 30
    Recoger una bolsa de polietileno 20
    Caminar sobre una superficie de baldosas de vinilo 15
    Trabajando en un banco 5

    * Estas cifras son 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 por un factor de 25 o más aproximadamente.

    Todas estas cifras son muy aproximadas, ya que dependen en gran medida de las condiciones particulares, pero ofrecen una guía del orden de magnitud de los niveles de ESD que cabe esperar.

    Aunque las resultantes de las descargas electrostáticas parecen muy elevadas, suelen pasar desapercibidas. La descarga electrostática más pequeña que puede sentirse es de unos 5kV, e incluso entonces esta magnitud de descarga sólo puede sentirse 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.

    Ejemplos prácticos de ESD

    Transferencia de estática

    Hay varias formas en las que las cargas estáticas pueden transferirse a los dispositivos semiconductores y provocar 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 puede ocurrir 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 imparte entonces la carga estática muy rápidamente al semiconductor con la posibilidad de dañarlo. Las herramientas pueden ser aún más dañinas. Los destornilladores metálicos son aún más conductores y transmiten la carga aún más rápido, lo que da lugar a mayores niveles 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 de fibra artificial también son un peligro de ESD porque pueden cargarse y colgarse fácilmente cerca de equipos electrónicos sensibles.

    Mecanismos de fallo de la ESD

    Hay varias formas en las que la ESD puede dañar los componentes semiconductores. La más obvia es la derivada de la altísima tensión estática, que da lugar a altos 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 por 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 en el dispositivo haciendo que éste sea inoperable. Dado que las dimensiones de algunos circuitos integrados son muy inferiores a una micra, no es de extrañar que incluso voltajes relativamente bajos puedan provocar una avería.

    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. Esto se debe a que, normalmente, un técnico de reparación tiene que reparar el artículo in situ o tiene que enviarlo a un centro de reparación.

    Los fallos latentes pueden producirse cuando una interconexión está parcialmente fundida por una ESD. A menudo, parte del conductor ha sido destruido por la descarga estática, dejándolo vulnerable más adelante. Otra forma de dañar los chips es cuando el material resultante del daño se extiende por la superficie del semiconductor, lo que 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.

    Al analizar esto, hay que recordar que la mayoría de los equipos producidos en masa utilizan hoy en día componentes de montaje superficial, cuyas dimensiones son mucho más pequeñas que las de los componentes tradicionales, lo que los hace mucho más susceptibles de sufrir daños por ESD.

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