Descarga electrostática

Al comienzo de este libro, discutimos la electricidad estática y cómo se crea. Esto tiene mucho más significado de lo que se podría suponer en un principio, ya que el control de la electricidad estática juega un papel importante en la electrónica moderna y otras profesiones. Un evento de descarga electrostática es cuando una carga estática se purga de manera descontrolada y se denominará ESD en lo sucesivo.

La ESD se presenta en muchas formas, puede ser tan pequeña como 50 voltios de electricidad que se igualan hasta decenas de miles de voltios. La potencia real es extremadamente pequeña, tan pequeña que generalmente no se ofrece ningún peligro a alguien que se encuentra en la ruta de descarga de ESD. Por lo general, se necesitan varios miles de voltios para que una persona note una descarga electrostática en forma de chispa y el conocido zap que la acompaña. El problema con las ESD es que incluso una pequeña descarga que puede pasar completamente desapercibida puede arruinar los semiconductores. Una carga estática de miles de voltios es común, sin embargo, la razón por la que no es una amenaza es que no hay una corriente de duración sustancial detrás de ella. Estos voltajes extremos permiten la ionización del aire y permiten que otros materiales se descompongan, que es la raíz de donde proviene el daño.

La ESD no es un problema nuevo. La fabricación de pólvora y otras industrias pirotécnicas siempre han sido peligrosas si un evento de ESD ocurre en las circunstancias equivocadas. Durante la era de los tubos (también conocidos como válvulas), la ESD era un problema inexistente para la electrónica, pero con la llegada de los semiconductores y el aumento de la miniaturización, se ha vuelto mucho más serio.

El daño a los componentes puede ocurrir, y generalmente ocurre, cuando la pieza se encuentra en la ruta de ESD. Muchas partes, como los diodos de potencia, son muy robustas y pueden soportar la descarga, pero si una parte tiene una geometría pequeña o delgada como parte de su estructura física, entonces el voltaje puede romper esa parte del semiconductor. Las corrientes durante estos eventos se vuelven bastante altas, pero están en el marco de tiempo de nanosegundos a microsegundos. Parte del componente queda permanentemente dañado por esto, lo que puede provocar dos tipos de modos de falla:catastrófico y latente. Catastrófico es el más fácil, dejando la pieza completamente no funcional. El otro puede ser mucho más grave. El daño latente puede permitir que el componente problemático funcione durante horas, días o incluso meses después del daño inicial antes de una falla catastrófica. Muchas veces se hace referencia a estas piezas como "heridas andantes", ya que funcionan pero no funcionan bien. La siguiente figura se muestra como un ejemplo de daño ESD latente ("herido que camina"). Si estos componentes terminan desempeñando una función de soporte vital, como el uso médico o militar, las consecuencias pueden ser desalentadoras. Para la mayoría de los aficionados, es un inconveniente, pero puede resultar caro.

Incluso los componentes que se consideran bastante resistentes pueden sufrir daños por descargas electrostáticas. Los transistores bipolares, los primeros de los amplificadores de estado sólido, no son inmunes, aunque menos susceptibles. Algunos de los componentes de alta velocidad más nuevos se pueden arruinar con tan solo 3 voltios. Hay componentes que pueden no considerarse en riesgo, como algunas resistencias y condensadores especializados fabricados con tecnología MOS (semiconductor de óxido de metal), que pueden dañarse a través de ESD.

Prevención de daños por ESD

Antes de que se pueda prevenir la ESD, es importante comprender qué la causa. Generalmente, los materiales alrededor del banco de trabajo se pueden dividir en 3 categorías. Estos son ESD Generativo, ESD Neutral y ESD Disipativo (o ESD Conductivo). Los materiales generadores de ESD son generadores de estática activa, como la mayoría de los plásticos, pelo de gato y ropa de poliéster. Los materiales ESD Neutral son generalmente aislantes pero no tienden a generar o mantener cargas estáticas muy bien. Ejemplos de esto incluyen madera, papel y algodón. Esto no quiere decir que no puedan ser generadores estáticos o un peligro de ESD, pero el riesgo se minimiza un poco por otros factores. La madera y los productos de madera, por ejemplo, tienden a retener la humedad, lo que puede hacerlos ligeramente conductores. Esto es cierto para muchos materiales orgánicos. Una mesa muy pulida no entraría en esta categoría porque el brillo suele ser plástico o barniz, que son aislantes muy eficientes. Los materiales conductores ESD son bastante obvios, son las herramientas de metal que están por ahí. Las manijas de plástico pueden ser un problema, pero el metal sangrará una carga estática tan rápido como se genera si está sobre una superficie conectada a tierra. Hay muchos otros materiales, como algunos plásticos, que están diseñados para ser conductores. Caerían bajo el título de ESD Disipativo. La suciedad y el hormigón también son conductores y se incluyen en el título Disipativo de ESD.

Hay muchas actividades que generan estática, que debe conocer como parte de un régimen de control de ESD. El simple hecho de quitar la cinta de un dispensador puede generar un voltaje extremo. Rodar en una silla es otro generador de estática, al igual que rascarse. De hecho, es bastante seguro que cualquier actividad que permita que 2 o más superficies se froten entre sí generará algo de carga estática. Esto se mencionó al principio de este libro, pero los ejemplos del mundo real pueden ser sutiles. Es por eso que se necesita un método para purgar continuamente este voltaje. Se deben evitar las cosas que generan grandes cantidades de estática mientras se trabaja en los componentes.

El plástico suele estar asociado a la generación de estática. Esto se ha conseguido en forma de plásticos conductores. La forma habitual de hacer plástico conductor es un aditivo que cambia las características eléctricas del plástico de un aislante a un conductor, aunque probablemente todavía tendrá una resistencia de millones de ohmios por pulgada cuadrada. Se han desarrollado plásticos que se pueden utilizar como conductores en aplicaciones de bajo peso, como las de las industrias de las aerolíneas. Estas son aplicaciones especializadas y generalmente no están asociadas con el control de ESD.

No todo son malas noticias para la protección ESD. El cuerpo humano es un conductor bastante decente. La alta humedad en el aire también permitirá que una carga estática se disipe sin causar daño, además de hacer que los materiales ESD Neutral sean más conductores. Es por eso que los días fríos de invierno, donde la humedad dentro de una casa puede ser bastante baja, pueden aumentar la cantidad de chispas en el pomo de una puerta. En verano o en días lluviosos, tendría que trabajar bastante para generar una cantidad sustancial de estática. Las salas blancas de la industria y los pisos de las fábricas se esfuerzan por regular tanto la temperatura como la humedad por esta razón. Los pisos de concreto también son conductores, por lo que puede haber algunos componentes existentes en el hogar que pueden ayudar a instalar protecciones.

Para establecer la protección ESD tiene que haber un nivel de voltaje estándar al que se haga referencia a todo. Tal nivel existe en forma de suelo. Hay muy buenas razones de seguridad por las que la tierra se usa alrededor de la casa en los enchufes. De alguna manera, esto se relaciona con la estática, pero no directamente. Nos da un lugar para descargar nuestro exceso de electrones o adquirir algunos si somos cortos, para neutralizar cualquier carga que nuestros cuerpos y herramientas puedan adquirir. Si todo en un banco de trabajo está conectado directa o indirectamente a tierra a través de un conductor, la estática se disipará mucho antes de que ocurra un evento de ESD.

Se puede establecer un buen punto de conexión a tierra de varias formas diferentes. En casas con cableado moderno que cumple con el código, se puede usar la clavija de tierra en el enchufe de CA o el tornillo que sujeta la placa de cubierta de los tomacorrientes. Esto se debe a que el cableado de la casa en realidad tiene un cable o una púa que va hacia la tierra en algún lugar donde la energía se toma de las líneas eléctricas principales. Para las personas cuyo cableado de la casa no es del todo correcto, se puede usar una espiga clavada en la tierra al menos 3 pies o una simple conexión eléctrica a tuberías de metal (la peor opción). Lo principal es establecer un camino eléctrico a tierra fuera de la casa.

Diez megaohmios se consideran conductores en el mundo del control de ESD. La electricidad estática es voltaje sin corriente real, y si una carga se purga segundos después de generada, se anula. Generalmente, se utiliza una resistencia de 1 a 10 megaohmios para conectar cualquier protección ESD por este motivo. Tiene la ventaja de reducir la velocidad de descarga durante un evento de ESD, lo que aumenta la probabilidad de que un componente sobreviva sin daños. Cuanto más rápida sea la descarga, mayor será el pico de corriente que atraviesa el componente. Otra razón por la que dicha resistencia se considera deseable es que si el usuario sufre un cortocircuito accidental con un alto voltaje, como la corriente doméstica, no serán las protecciones ESD las que lo maten.

Ha crecido una gran industria en torno al control de ESD en la industria electrónica. El elemento básico de cualquier construcción electrónica es el banco de trabajo con una superficie conductora o disipadora de estática. Esta superficie se puede comprar comercialmente o hacer en casa en forma de hoja de metal o papel de aluminio. En el caso de una superficie de metal, puede ser una buena idea colocar el papel delgado encima, aunque no es necesario si no está haciendo ninguna prueba con energía en la superficie. La versión comercial suele ser algún tipo de plástico conductor cuya resistencia sea lo suficientemente alta como para no ser un problema, que es una mejor solución. Si está haciendo su propia superficie para el banco de trabajo, asegúrese de agregar la resistencia de 10 megaohmios a tierra; de lo contrario, no tendrá ninguna protección.

El otro gran elemento que necesita una conexión a tierra ESD eres tú. La gente camina generadores estáticos. Dado que su cuerpo es conductor, es relativamente fácil conectarlo a tierra, esto generalmente se hace con una muñequera. Las versiones comerciales ya tienen la resistencia incorporada y tienen una correa ancha para ofrecer una buena superficie de contacto con tu piel. Las versiones desechables se pueden comprar por unos pocos dólares. Una correa de reloj de metal también es un buen punto de conexión de protección ESD. Simplemente agregue un cable (con la resistencia) a su punto de conexión a tierra. La mayoría de las industrias se toman el problema lo suficientemente en serio como para utilizar monitores en tiempo real que harán sonar una alarma si el operador no está conectado a tierra correctamente.

Otra forma de conectarse a tierra es una correa para el talón. Una parte de plástico conductor se envuelve alrededor del talón de su zapato, con una correa de plástico conductor que sube y baja de su calcetín para un buen contacto con la piel. Solo funciona en suelos con cera conductora u hormigón. El método evitará que una persona genere cargas elevadas que puedan sobrepasar otras protecciones ESD y no se considera adecuado en sí mismo. Puede obtener el mismo efecto caminando descalzo sobre un piso de concreto.

Otra protección ESD es usar batas conductoras ESD. Al igual que la correa del talón, esta es una protección secundaria, no destinada a reemplazar la correa para la muñeca. Están destinados a cortocircuitar cualquier carga que su ropa pueda generar.

El aire en movimiento también puede generar cargas estáticas sustanciales. Cuando sople el polvo de sus dispositivos electrónicos, se generará estáticamente. Una solución industrial al problema de este problema es doble:en primer lugar, las pistolas de aire tienen un material radiactivo pequeño y bien protegido implantado dentro de la pistola de aire para ionizar el aire. El aire ionizado es un conductor y eliminará bastante bien las cargas estáticas. En segundo lugar, utilice electricidad de alto voltaje para ionizar el aire que sale de un ventilador, que tiene el mismo efecto que la pistola de aire. Esto ayudará efectivamente a que una estación de trabajo reduzca en gran medida el potencial de generación de ESD.

Otra protección ESD, que es la más simple de todas, es la distancia. Muchas industrias tienen reglas que establecen que todos los materiales neutrales y generativos estarán al menos a 12 pulgadas o más de cualquier trabajo en progreso.

El usuario también puede reducir la posibilidad de daños por ESD simplemente no quitando la pieza de su empaque protector hasta que sea el momento de insertarla en el circuito. Esto reducirá la probabilidad de exposición a ESD, y aunque el circuito seguirá siendo vulnerable, el componente tendrá una protección menor del resto de los componentes, ya que los otros componentes ofrecerán diferentes rutas de descarga para ESD.

Almacenamiento y transporte de placas y componentes sensibles a ESD

No sirve de nada seguir las protecciones ESD en el banco de trabajo si las piezas se dañan al almacenarlas o transportarlas. El método más común es utilizar una variación de una jaula de Faraday, una bolsa ESD. Una bolsa ESD rodea el componente con una pantalla conductora y, por lo general, tiene una capa aislante que genera electricidad no estática en el interior. En las jaulas permanentes de Faraday, este blindaje está conectado a tierra, como en el caso de las salas RFI, pero con contenedores portátiles, esto no es práctico. Al colocar una bolsa ESD en una superficie conectada a tierra, se logra lo mismo. Las jaulas de Faraday funcionan encaminando la carga eléctrica alrededor del contenido y conectándolos a tierra inmediatamente. Un automóvil alcanzado por un rayo es un ejemplo extremo de una jaula de Faraday.

Las bolsas estáticas son, con mucho, el método más común para almacenar componentes y placas. Están hechos con capas de metal extremadamente delgadas, tan delgadas que son casi transparentes. Una bolsa con un agujero, aunque sea pequeño, o una que no esté doblada en la parte superior para sellar el contenido de cargas externas es ineficaz.

Otro método para proteger las piezas almacenadas son los contenedores o tubos. En estos casos, las piezas se colocan en cajas conductoras, con tapa del mismo material. Esto forma efectivamente una jaula de Faraday. Un tubo está diseñado para circuitos integrados y otros dispositivos con muchos pines, y almacena las piezas en un tubo de plástico conductor moldeado que mantiene las piezas seguras tanto mecánica como eléctricamente.

Conclusión

La ESD puede ser un evento menor no sentido que mide unos pocos voltios, o un evento masivo que presenta peligros reales para los operadores. Toda la protección ESD puede verse abrumada por las circunstancias, pero esto se puede eludir si se sabe qué es y cómo prevenirlo. Muchos proyectos se han construido sin ninguna protección ESD y han funcionado bien. Dado que proteger estos proyectos es un inconveniente menor, es mejor hacer el esfuerzo.

La industria se toma el problema muy en serio, ya que es tanto un problema potencialmente mortal como un problema de calidad. Alguien que compra una pieza electrónica costosa o hardware de alta tecnología no estará contento si tiene que devolverlo en 6 meses. Cuando una reputación está en juego, es más fácil hacer lo correcto.