La importancia de las descargas electrostáticas (ESD) en los componentes electrónicos

Miércoles, 5 Noviembre, 2014

Las descargas electrostáticas pueden provocar fallos de forma aleatoria en los componentes electrónicos que son difíciles de controlar y perseguir, por lo que es necesario tomar medidas de protección frente a ellas.

Usualmente, el daño ocasionado por ESD no aparece como fallo al inicio de instalación o prueba del equipo. Sin embargo, continua degradándolo en el tiempo de instalación y ese deterioro acumulado conduce a un fallo total del componente en un período de días, meses o años.

Por este motivo, existe un gran interés en el mundo de la fabricación de componentes y productos electrónicos por minimizar y controlar la descarga electrostática.

En este artículo vamos a tratar de dar respuesta a las cuestiones básicas de la problemática del ESD y vamos a analizar los aspectos más importantes para evitarlos.

 

¿Qué significa ESD?
Son las siglas en inglés de descarga electrostática. (Electro-Static Discharge).

 

¿Qué es una descarga electrostática?
Es una transferencia de carga debida a una diferencia de potencial.
No debemos perder de vista que en el tema que estamos tratando, más importante que una carga o una descarga es el ritmo o velocidad a la que ésta se produce.

¿Cómo se genera la electricidad estática?
La electricidad estática siempre es debida al desequilibrio entre electrones o cargas (-) y protones o cargas (+) en la materia.

 

¿Cuáles son los procesos que generan habitualmente electricidad estática?
Se produce electricidad estática a través de los siguientes procesos:

- Por rozamiento (o triboelectricidad): cuando se frotan dos materiales uno contra el otro o separado el uno del otro. Por ejemplo cuando andamos por una alfombra, los zapatos rozan contra la alfombra y producen electricidad estática.

- Por carga por contacto, al encontrarse dos conductores uno más cargado que el otro, el más cargado cede carga al otro hasta igualar su diferencia de potencial en un valor que puede no ser cero. Ejemplo: muchas veces hemos notado una chispa a cerrar nuestro coche e incluso una descarga, pues bien el coche por rozamiento se carga y nosotros nos quedamos a su potencial en el momento de tocarlo.

- Corona de carga: se produce cuando una superficie muy reducida (por ejemplo agujas de comprobación) se encuentra a un potencial muy elevado generando la descarga por efecto corona.

- Carga por inducción: un objeto (conductor principalmente) produce un campo electrostático (ejemplo un ordenador) que actúa a distancia sobre objetos próximos polarizando las cargas. Cuando el objeto polarizado, toma contacto con otro, se ceden o captan más cargas, dando como resultado un objeto cargado.

 

¿Cómo de sensibles somos a las descargas electrostáticas?
El valor de tensión en las descargas y la sensibilidad ante las mismas se relaciona de manera general como sigue:

Cuadro de valores de descarga y percepción

Cuadro de valores de descarga y percepción

El 90% de todos los sucesos ESD ocurren por debajo del límite de percepción de 3000V por lo que nosotros no lo percibimos.

 

¿Y los componentes electrónicos? 
Existen componentes electrónicos muy sensibles en los que los niveles de tensión de fallo por ESD están incluso por debajo de los 100 voltios.

Esta información puede ser proporcionada por los fabricantes de componentes y es indispensable conocer a la hora de establecer un sistema de protección ESD.

A continuación se detallan ejemplos de la tensión umbral a la que un componente electrónico puede ser dañado:

Tensión a la que un componente electrónico puede ser dañado

Tensión a la que un componente electrónico puede ser dañado

 

Entonces, ¿qué aspectos se deben tener en cuenta en la protección de componentes electrónico ante la generación de descargas electrostáticas?
En la protección de los componentes electrónicos nos interesan dos aspectos principalmente:
- Evitar la acumulación o generación de cargas eléctricas.
- Evitar que las descargas electrostáticas sean bruscas, limitando la corriente de descarga. Esto se consigue con la utilización de materiales con una resistencia superficial moderada de en torno a 106 Ohmios.

 

¿Cómo se clasifican los materiales para saber si es adecuado?
Los materiales se clasifican por su resistencia superficial en tres tipos:
- Material conductivo: aquel que presenta una resistencia superficial inferior a 104 Ohm.
- Material disipativo: material con una resistencia superficial comprendida entre 104 y 1011 Ohm.
- Material aislante: presenta una resistencia superficial superior a 1011 Ohm.

Los materiales disipativos son los más recomendados para tratar las descargas electrostáticas, si bien, los conductivos también pueden emplearse en combinación de los anteriores dependiendo de la aplicación.

Los materiales aislantes deben evitarse en la manipulación de productos electrónicos, por la facilidad para cargarse electrostáticamente.

 

¿Existe alguna norma que establezca criterios para la protección de componentes electrónicos ante ESD?
Sí existen normas, las más empleadas que establecen son:
- EN 61340-5-1:2007 Electrostática. Parte 5-1: Protección de componentes electrónicos frente al fenómeno electrostático. Requisitos generales
- ANSI/ESD S20.20-2007 Para el Desarrollo de un Programa de Control de Descarga Electrostática

El máximo valor de campo electrostático admitido por la norma EN 61340-5-1para descargas de las personas a través de dispositivos electrónicos es de 100 Volt/cm.

Además estas normas hacen referencia a otras que establecen requisitos técnicos que deben cumplir todos los materiales, ropa e instalaciones para proteger ante ESD.

 

¿Qué medidas podemos tomar para minimizar los efectos de la ESD?
Para minimizar el efecto negativo de las descargas electrostáticas se deben tomar las siguientes acciones:

1. Identificación de áreas de trabajo EPA (Electrostatic Protected Area)
- Entrada en una EPA
Aquellas áreas donde se considere que existe riesgo de descargas electrostáticas a los equipos electrónicos se deben delimitar, identificando claramente que son zonas en las que se necesitan medios de protección ESD y por tanto, no se puede acceder a ellas sin los medios necesarios.

Identificación de la entrada en un área protegida

Identificación de la entrada en un área protegida

 

- Salida de una EPA
Indica que se va a pasar de un área protegida ESD a un área no protegida ESD (UPA- UnProtected Area)

Identificación de la salida de un área protegida

Identificación de la salida de un área protegida

 

2. Suelos disipativos
Los suelos de la EPA tienen que ser trasmisores de la corriente eléctrica por medio de pinturas o alfombras disipativas.

Suelos disipativos

Suelos disipativos

 

3. Protección para las personas
Se debe asegurar una conexión permanente y segura de las personas a tierra, además de evitar la generación de cargas electrostáticas. Esto se consigue conectando a tierra a las personas mediante ropa y medios disipativos ESD, como calzado ESD, taloneras, muñequeras y ropa antiestática (batas o uniforme).

Ejemplo de protección para personas

Ejemplo de protección para personas

 

4. Protección en el puesto de trabajo
Tienen que ser de material disipativo o conductivo y la resistencia de su conexión a tierra Rg inferior a 109 Ohm. Están incluidas en este punto:
- Mobiliario de trabajo: mesas, sillas, apoyos de pies. Se pueden utilizar tapetes ESD en estas superficies
- Mobiliario de acumulación, almacenaje o transporte: racks, casilleros de componentes, sticks, carros, estanterías, armarios, traspaletas…
- Maquinaria
- Herramienta de mano

Protección del puesto de trabajo

Protección del puesto de trabajo

 

¿Cómo se identifican los productos sensibles a ESD?
- Identificación relativa al contenido: Indica que el producto es sensible a ESD y por tanto debe ser manipulado dentro de áreas EPA.

Identificación del contenido

Identificación del contenido

 

- Identificación relativa al embalaje: Indica que el embalaje utilizado se puede utilizar con dispositivos sensibles a ESD. El arco significa protección a ESD. En el (*) se indica la característica que tiene el contenedor o embalaje:
S: blindaje electrostático
C: conductivo electrostático
D: disipativo electrostático
L: baja generación de carga
EPA: para utilizar en EPA

Identificación del embalaje

Identificación del embalaje

 

Pedro Granados, Técnico del Dpto. de Calidad y Medio Ambiente

Pedro Granados
Técnico del Dpto. de Calidad y Medio Ambiente

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