9.1: Descarga electrostática

Volumen I capítulo 1.1 discute la electricidad estática, y cómo se crea. Esto tiene mucha más importancia de lo que se podría suponer primero, 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 desangra de manera incontrolada y se denominará ESD en lo sucesivo.

El ESD viene en muchas formas, puede ser tan pequeño como 50 voltios de electricidad siendo ecualizados 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 vía de descarga de ESD. Por lo general, se necesitan varios miles de voltios para que una persona note incluso ESD en forma de chispa y el familiar zap que la acompaña. El problema con ESD es que incluso una pequeña descarga que puede pasar completamente desapercibida puede arruinar 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 corriente de alguna duración sustancial detrás de ella. Estos voltajes extremos sí 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 polvo negro y otras industrias pirotécnicas siempre han sido peligrosas si ocurre un evento ESD en circunstancias equivocadas. Durante la era de los tubos (válvulas AKA) ESD era un tema inexistente para la electrónica, pero con la llegada de los semiconductores, y el aumento de la miniaturización, se ha vuelto mucho más grave.

El daño a los componentes puede ocurrir, y generalmente ocurre, cuando la pieza está en la trayectoria ESD. Muchas partes, como los diodos de potencia, son muy robustas y pueden manejar 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 dañada por esto, lo que puede causar dos tipos de modos de falla. Catastrófico es lo fácil, dejando la pieza completamente infuncional. El otro puede ser mucho más serio. Los daños latentes pueden permitir que el componente problemático funcione durante horas, días o incluso meses después del daño inicial antes de una falla catastrófica. Muchas veces estas partes son referidas como “heridos ambulantes” ya que están funcionando pero mal. A continuación se muestra un ejemplo de daño por ESD latente (“heridos ambulantes”). Si estos componentes terminan en un papel de soporte vital, como el uso médico o militar, entonces las consecuencias pueden ser sombrías. Para la mayoría de los aficionados, es un inconveniente, pero puede ser caro.

Incluso los componentes que se consideran bastante resistentes pueden ser dañados por ESD. Los transistores bipolares, el primero de los amplificadores de estado sólido, no son inmunes, aunque menos susceptibles. Algunos de los componentes más nuevos de alta velocidad pueden arruinarse con tan solo 3 voltios. Hay componentes que podrían no considerarse en riesgo, como algunas resistencias y capacitores especializados fabricados con tecnología MOS (Metal Oxide Semiconductor), que pueden dañarse a través de ESD.

Prevención de Daños ESD

Antes de que se pueda prevenir la ESD es importante entender qué la causa. Generalmente, los materiales alrededor del banco de trabajo pueden dividirse en 3 categorías. Estos son Generativos ESD, ESD Neutral y ESD Disipativos (o Conductivos ESD). Los materiales generadores ESD son generadores estáticos activos, como la mayoría de los plásticos, pelo de gato y ropa de poliéster. Los materiales neutros ESD 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 es algo minimizado 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 de muchos materiales orgánicos. Una mesa altamente pulida no entraría dentro de esta categoría porque el brillo suele ser plástico, o barniz, que son aislantes altamente eficientes. Los materiales conductores ESD son bastante obvios, son las herramientas metálicas que se encuentran alrededor. Los mangos de plástico pueden ser un problema, pero el metal purgará una carga estática tan rápido como se genere si está en una superficie conectada a tierra. Hay muchos otros materiales, como algunos plásticos, que están diseñados para ser conductores. Caerían bajo el rubro de ESD Disipativo. La suciedad y el concreto también son conductores, y caen bajo el encabezado disipativo ESD.

Hay muchas actividades que generan estática, de las que debes estar atento como parte de un régimen de control de ESD. El simple acto de sacar la cinta de un dispensador puede generar un voltaje extremo. Rodando en una silla es otro generador estático, al igual que rayar. De hecho, cualquier actividad que permita que 2 o más superficies se froten entre sí es bastante seguro que generará alguna carga estática. Esto se mencionó al principio de este libro, pero los ejemplos del mundo real pueden ser sutiles. Es por ello que se necesita un método para sangrar continuamente este voltaje. Las cosas que generan grandes cantidades de estática deben evitarse mientras se trabaja en componentes.

El plástico suele asociarse con la generación de estática. Esto se ha logrado 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 seguirá teniendo una resistencia de millones de ohmios por pulgada cuadrada. Se han desarrollado plásticos que pueden ser utilizados como conductores en aplicaciones de bajo peso, como las de las industrias aéreas. Estas son aplicaciones especializadas y generalmente no están asociadas con el control de ESD.

No todo son malas noticias para la protección de ESD. El cuerpo humano es un conductor bastante decente. La alta humedad en el aire también permitirá que una carga estática se disipe de forma inofensiva, además de hacer que los materiales ESD Neutral sean más conductores. Es por ello que los días fríos de invierno, donde la humedad dentro de una casa puede ser bastante baja, pueden aumentar el número de chispas en el pomo de una puerta. En verano, o días lluviosos, tendrías que trabajar bastante duro para generar una cantidad sustancial de estática. Las salas limpias de la industria y los pisos de fábrica van el esfuerzo de 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 establecer protecciones.

Para establecer la protección contra 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 de que el suelo se utiliza alrededor de la casa en los puntos de venta. De alguna manera, esto se relaciona con la estática, pero no directamente. Nos da un lugar para volcar 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, entonces la estática se disipará mucho antes de que un evento ESD tenga la oportunidad de ocurrir.

Un buen punto de conexión a tierra se puede hacer de varias maneras diferentes. En casas con cableado moderno que está a la altura del código, se puede usar el pin 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 pico que va a la tierra en algún lugar donde se toma la energía de las líneas eléctricas principales. Para las personas cuyo cableado de la casa no es del todo correcto, se puede usar una espiga introducida en la tierra al menos 3 pies o una simple conexión eléctrica a plomería metálica (peor opción). Lo principal es establecer un camino eléctrico a la tierra fuera de la casa.

Diez megohmios son considerados un conductor en el mundo del control de ESD. La electricidad estática es voltaje sin corriente real, y si una carga se desangra segundos después de ser generada se anula. Generalmente, se utiliza una resistencia de 1 a 10 megohm para conectar cualquier protección ESD por esta razón. Tiene el beneficio de ralentizar la tasa de descarga durante un evento de ESD, lo que aumenta la probabilidad de que un componente sobreviva intacto. Cuanto más rápida sea la descarga, mayor será el pico de corriente que atraviesa el componente. Otra razón por la que tal resistencia se considera deseable es si el usuario se cortocircuitó accidentalmente a alto voltaje, como la corriente doméstica, no serán las protecciones ESD las que lo maten.

Una gran industria ha crecido alrededor del control de ESD en la industria electrónica. La grapa de cualquier construcción electrónica es el banco de trabajo con una superficie conductora o disipativa estática. Esta superficie se puede comprar comercialmente, o hecha en casa en forma de una lámina de metal o papel de aluminio. En el caso de una superficie metálica, podría ser una buena idea colocar el papel delgado encima, aunque no es necesario si no está haciendo ninguna prueba de potencia en la superficie. La versión comercial suele ser alguna forma de plástico conductor cuya resistencia es lo suficientemente alta como para no ser un problema, lo cual 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 tiene ninguna protección en absoluto.

El otro gran artículo que necesita ESD conectado a tierra eres tú. La gente está caminando generadores estáticos. Sin embargo, al ser conductivo tu cuerpo es relativamente fácil conectarlo a tierra, esto generalmente se hace con una correa para la muñeca. 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 toman el problema lo suficientemente en serio como para usar monitores en tiempo real que harán sonar una alarma si el operador no está conectado a tierra correctamente.

Otra forma de conectarte a tierra es una correa para el talón. Una parte de plástico conductor se envuelve alrededor del talón de tu zapato, con una correa de plástico conductora que sube y baja tu calcetín para un buen contacto con la piel. Sólo funciona en pisos con cera conductora o concreto. El método evitará que una persona genere grandes cargos que pueden abrumar otras protecciones ESD y no se considera adecuado en sí mismo. Se puede obtener el mismo efecto caminando descalzo sobre un piso de concreto.

Otra protección contra ESD es usar smocks conductivos ESD. Al igual que la correa del talón, esta es una protección secundaria, no destinada a reemplazar la correa para la muñeca. Están pensadas para cortocircutar cualquier cargo que tu ropa pueda generar.

El aire en movimiento también puede generar cargas estáticas sustanciales. Cuando soplas el polvo de tu electrónica se generará estática. Una solución industrial al problema de este tema es doble: En primer lugar, las pistolas de aire tienen un material radiactivo pequeño y bien blindado implantado dentro de la pistola de aire para ionizar el aire. El aire ionizado es un conductor, y sangrará bastante bien las cargas estáticas. En segundo lugar, utilizar electricidad de alto voltaje para ionizar el aire que sale de un ventilador, lo que tiene el mismo efecto que la pistola de aire comprimido. Esto ayudará efectivamente a una estación de trabajo a reducir el potencial de generación de ESD en gran cantidad.

Otra protección ESD es la más simple de todas, la distancia. Muchas industrias tienen reglas que indican que todos los materiales Neutros y Generativos estarán al menos a 12 pulgadas o más de cualquier trabajo en curso.

El usuario también puede reducir la posibilidad de daños por ESD simplemente no retirando 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 alguna protección menor del resto de los componentes, ya que los otros componentes ofrecerán diferentes trayectorias de descarga para ESD.

Almacenamiento y transporte de componentes y placas sensibles a ESD

No sirve de nada seguir las protecciones ESD en el banco de trabajo si las piezas están siendo dañadas mientras las almacenan o transportan. El método más común es usar una variación de una jaula de Faraday, una bolsa ESD. Una bolsa ESD rodea el componente con un blindaje conductor y generalmente tiene una capa aislante generadora no estática en su interior. En jaulas permanentes de Faraday este escudo está puesto a tierra, como en el caso de las habitaciones RFI, pero con contenedores portátiles, esto no es práctico. Al colocar una bolsa ESD sobre una superficie puesta a tierra se logra lo mismo. Las jaulas de Faraday funcionan enrutando la carga eléctrica alrededor del contenido y conectándolos a tierra de inmediato. 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 tableros. Están hechas con capas extremadamente delgadas de metal, tan delgadas como para ser casi transparentes. Una bolsa con un agujero, incluso las pequeñas, o una que no esté doblada en la parte superior para sellar el contenido de las cargas externas es ineficaz.

Otro método para proteger las piezas en almacenamiento son los totes o tubos. En estos casos, las piezas se ponen en cajas conductoras, con una tapa del mismo material. Esto efectivamente forma una jaula de Faraday. Un tubo está destinado a CI 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

El ESD puede ser un evento menor que no se siente que mide unos pocos voltios, o un evento masivo que presenta peligros reales para los operadores. Todas las protecciones ESD pueden ser abrumadas por las circunstancias, pero esto puede ser eludido por la conciencia de lo que es y cómo prevenirlo. Muchos proyectos se han construido sin protecciones ESD en absoluto y funcionaron bien. Dado que proteger estos proyectos es un inconveniente menor es mejor hacer el esfuerzo.

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