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Todas las zonas donde se manipulen componentes electrónicos y tarjetas de circuitos impresos, deben tener protección contra ESD (Electro Static

Discharge).

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Los cambios habidos en un tiempo relativamente corto en el campo de la

electrónica, en los que las tecnologías utilizadas han ido progresando desde la

integración a pequeña escala hasta la integración a súper escala, han dado como

consecuencia la aparición de nuevos planteamientos en el tratamiento de los

componentes y equipos electrónicos en general.

El progreso de la tecnología electrónica unido a los altos costes de reparación de

los equipos que contienen dispositivos sensibles a la electricidad estática, obliga a

los fabricantes y usuarios a tomar las medidas necesarias para minimizar los

daños inducidos por la ESD

Existen dos reglas básicas para la protección contra las descargas

electrostáticas, que son:

1. Manejar todos los componentes sensibles a la electricidad estática

dentro de un área de seguridad.

2. Transportar todos los componentes sensibles a la electricidad estática

en contenedores o embalajes blindados contra las descargas estáticas y

contra los campos eléctricos.

Sin embargo, el cumplimientos de estas reglas no puede ser efectiva sin una adecuada información del personal afectado y un control periódico de las áreas de trabajo

Definición de Términos ESD = Descarga Electrostática

ESDS = Componente o Equipo Sensible a las descargas electrostáticas.

Causas de Electricidad Estática

Se produce electricidad estática cuando se frotan dos materiales uno contra el otro o se separa el uno del otro. Por ejemplo cuando andamos por una alfombra, los zapatos rozan contra la alfombra y producen electricidad estática. Cada vez que se levantan los pies, los zapatos se separan de la alfombra y producen electricidad estática adicional. Se muestra en la siguiente figura la combinación de estas dos acciones.

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Un zapato al rozar contra la

alfombra produce electricidad

estática.

También al levantar el Zapato se produce una carga adicional de electricidad

estática

El cuerpo de una persona llegar a estar cargado electrostáticamente y la carga eléctrica

continúa mientras camina. Cuando una persona se acerca a un objeto conectado a tierra, se

produce una descarga eléctrica y oirá o verá una chispa que salta hacia el objeto. A esto se

le llama Descarga de Electricidad Estática (ESD).

ESD es una descarga repentina de electricidad estática acumulada en un objeto o persona.

Esta descarga ocurre cuando un objeto o persona tiene contacto directo con un objeto o

persona con carga eléctrica diferente con respecto a tierra. Aunque la ESD normalmente no

es peligrosa en los humanos, puede dañar seriamente un circuito electrónico. Usualmente,

el daño no aparece como fallo durante el tiempo de instalación o prueba del equipo. El daño

de ESD continua degradándose en el tiempo de instalación y el deterioro conduce a un fallo

total del componente en un período de días, meses, o años.

Problemática planteada por los dispositivos por las descargas electrostáticas

En el caso de la microelectrónica, una de las limitaciones es la que se refiere a la protección de los semiconductores y microcircuitos de los efectos nocivos de la electricidad estática, efectos que pueden producirse por voltajes inducidos por campos eléctricos o por descargas electrostáticas. Dichos efectos nocivos

desembocan en daños que pueden ser de dos tipos:

1. Permanentes

2. Latentes

En el primero, el dispositivo se sustituye, volviendo el sistema a su funcionamiento normal. En el segundo, el problema es más complejo ya que el funcionamiento queda degradado o intermitente por lo que puede ser necesario un gran número de horas para detectarlo y resolverlo. Se ha descubierto en los últimos años que la ESD es el problema más importante para un equipo o componente electrónico Los daños producidos por este fenómeno pueden surgir en cualquier momento del ciclo de la vida de un equipo o componente. Por todo ello, han de establecerse los controles necesarios en los lugares donde haya de manejarse tales

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dispositivos, además de que cada persona debe estar advertida para manejar adecuadamente dichos dispositivos. Los efectos de la ESD en los semiconductores no han sido considerados seriamente hasta el desarrollo de la tecnología MOS En la figura 1 se puede observar la evolución de la tecnología MOS. A medida que la geometría se reduce, aumenta la sensibilidad a las descargas electrostáticas, pero más drástico que esta reducción es lo que supone el aumento de la densidad en los microcircuitos. Actualmente se están utilizando dispositivos con más de 500 uniones por milímetro cuadrado.

En el desarrollo de los microprocesadores, la capacidad de estos se viene

doblando cada tres años y en las memorias RAM esta se cuadriplica en el

mismo periodo. En conjunción con el aumento de densidad se aumenta la velocidad en las instrucciones, disminuyendo la potencia de excitación. Volviendo a la geometría celular, una simple reducción en el tamaño de una cuarta parte en cada dirección hace que el dispositivo sea 400 veces más

sensible a la electricidad estática. Si se considera la tendencia actual en cuanto a consumo de circuitos integrados, la tolerancia a las descargas

electrostáticas disminuirá en un 50% cada tres años.

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Generalidades sobre electricidad estática Desde la antigüedad se sabe que el ámbar, frotado con lana, adquiere la propiedad de atraer cuerpos ligeros. Al interpretar hoy esta propiedad decimos que el ámbar está electrizado. Es posible comunicar carga eléctrica a cualquier material sólido frotándolo con otra sustancia. Así, un automóvil adquiere carga por efecto de su rozamiento con el aire, un peine al frotarlo con el cabello, etc. Por tanto, cualquier material, independientemente de ser conductor o aislante, sólido o líquido, es susceptible de cargarse electrostáticamente. Cuando un cuerpo se encuentra cargado tiene un exceso o defecto de electrones en su superficie o próxima a ésta.

La experiencia cotidiana muestra los efectos de la acumulación de carga manifestada en descargas desagradables o chispas visibles o chasquidos audibles desde tejidos. Esta toma de contacto con los objetos cargados ha difundido la noción errónea de que la carga se "crea" cuando dos superficies se frotan o entran en contacto. La carga no se crea, la carga se transfiere desde una superficie a otra y ambas resultan cargadas con la misma cantidad de carga pero de signo contrario. Este hecho da pie a mencionar el concepto de retención de la carga por estos materiales que dan lugar a los efectos electrostáticos observados y los problemas que se derivan. Cuando el material se encuentra cargado negativamente existirá un exceso de electrones, con libertad de movimiento en un metal y ligados a la red molecular en el caso de un aislante, dando iones negativos. Recíprocamente, si la carga es positiva existirá un defecto de electrones originando iones positivos. Producción de cargas electrostáticas

La electricidad estática se produce por tres causas. La primera de estas causas, y la más común, es la triboelectricidad, que se genera cuando dos materiales diferentes entran en contacto y se frotan. La segunda causa es la inducción por lo que un cuerpo cargado induce a otro que esté próximo. La tercera causa se refiere a la carga almacenada por efecto de la capacidad. La ecuación Q = C.V nos indica que para una carga constante al disminuir la capacidad el voltaje aumenta. La fuente principal de producción de estática es la propia persona, quien genera cargas triboeléctricamente como resultado de su actividad normal. La siguiente tabla muestra la serie triboeléctrica, que no es más que una serie

galvánica de materiales que generan voltajes electrostáticos y clasificados de tal forma que uno de ellos puede resultar cargado positivamente cuando entra en contacto con otro de la parte más inferior o cargado más negativamente si lo hace con otro de la parte superior. El voltaje electrostático generado es función del grado de separación en la lista, de la intimidad del contacto de los materiales, y de la velocidad de separación de los mismos, desde luego todo ello modificado por el grado de humedad. Observando la tabla podemos observar que el algodón, debido a su afinidad higroscópica, permanece en el centro de la tabla y por ello resulta relativamente neutral. Los elementos naturales, tales

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como la madera y el papel, están próximos al centro por ser estos materiales igualmente higroscópicos. Los materiales que tienden a rechazar la humedad, obviamente los sintéticos como el teflón y el aire están en los extremos de la tabla y por lo tanto son los que más contribuyen a la triboelectricidad.

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Efecto de Humedad en Electricidad Estática

El vapor de agua en el aire dispersa cargas eléctricas, las cargas eléctricas se retienen más con humedades bajas. Por ejemplo si andamos en un suelo del alfombra, el voltaje resultante con humedad baja es 27000 voltios más alto que con humedad alta. Se muestran en tabla siguiente algunas situaciones típicas que producen electricidad estática. Muestra de voltajes producidos en humedad alta y baja.

Todos hemos sentido alguna vez una sacudida al tocar el tirador de una puerta o cualquier otro elemento cargado electrostáticamente. Esto, aparentemente, no tiene más importancia excepto que para muchos componentes electrónicos resulta "mortal". Piénsese que muchos de estos componentes pueden dañarse con tan solo 100 voltios o menos. Algunos centros de trabajo incluyen salas blancas diseñadas para mantener un ambiente libre de partículas. En estas salas es frecuente la utilización de dediles para eliminar la contaminación durante el manejo de dispositivos, pero su uso en conjunción con

otros materiales da como resultado la producción de muy elevados voltajes electrostáticos.

Materiales sintéticos que por ser nada porosos, flexibles, y de fácil construcción, son, sin embargo, capaces de generar cargas electrostáticas cuando entran en contacto con otros materiales diferentes. Por ejemplo, según sean las condiciones de humedad, el roce de un dedil con una caja de plástico puede producir

6.000 voltios de carga. El roce de un dedo con la misma caja puede producir 200 voltios, carga que es suficientemente alta como para destruir o degradar algunos dispositivos sensibles a la ESD. Un vaso de plástico de café sobre la superficie de la mesa si está cargado

electrostáticamente inducirá sobre un componente electrónico cercano una carga electrostática. Si momentáneamente ponemos a tierra el componente, por la acción de la descarga este se destruirá. Con el uso corriente de los microcircuitos se ha puesto de manifiesto los riesgos que entrañan los daños inducidos. Un campo electrostático puede inducir otro campo en un objeto

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cercano sin que realmente pueda disiparse a través del mismo. Con los

microcomponentes, los propios circuitos actúan como antenas que

conducen la carga provocando daños al circuito. Por esta razón es vital proteger de los campos eléctricos aquellos circuitos y componentes sensibles a dicho efecto.

Efectos de ESD

La carga en un objeto puede ser relativamente alta y no estar visible ni oírla ni percibirla. Para ser visible la carga de ESD tiene que ser de más de 10000

voltios. Una carga de menos de 5000 voltios puede ser oída. Si una carga es menor de 3000 voltios no sentiríamos la descarga. Los microcircuitos usados en los más modernos equipos electrónicos operan a un voltaje sumamente bajo y tienen distancias microscópicas entre conductores. Un voltaje de ESD tan bajo como 20 voltios puede producir un corto entre estos conductores y causar daños serios al microcircuito. Este daño puede llevar a un fallo agudo (Permanente) o fallo latente.

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Fallo Agudo

Las fallas agudas ocurren cuando hay una descarga de alto voltaje repentina por medio de un componente electrónico, produciendo cráteres, fundiendo conductores, o ambos, como se muestra en la figura. Las causas inmediatas de los fallos agudos son la rotura inmediata y completa de un componente electrónico.

Fallo Latente El peor fallo que puede ocasionarse por ESD es llamado fallo latente. Los fallos

latentes ocurren cuando una descarga rápida de ESD de bajo voltaje incide

sobre un componente electrónico, produciendo en una grieta o agujero en el aislante del microcircuito. Progresivamente la grieta o agujero se oxida y puede causar un corto circuito.

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Las causas de los fallos latentes son la degradación paulatina de un componente electrónico. La degradación del componente electrónico se prolonga durante períodos de días, meses, o años. Eventualmente, el componente electrónico va produciendo fallos. La comprobación normal no descubre una falka latente y un examen microscópico no mostraría el daño que lo causó.

Efecto por capacidad

Si dos o más conductores cargados están próximos unos a otros, el potencial de cada uno de ellos está determinado no solo por su propia carga, sino por el valor y signo de las cargas de los otros conductores y por sus formas, tamaños, posiciones. Un caso especialmente importante se presenta en la práctica cuando dos conductores próximos reciben cargas del mismo valor y signo contrarios. A un sistema así se le llama condensador, y capacidad a la relación C=Q/V, siendo Q la carga de cualquiera de los conductores y V la diferencia de potencial entre ellos. Imaginemos un sistema tal, formado por una persona y tierra, una persona

que está sentada en su puesto de trabajo y cargada eléctricamente. Cuando se levanta, la capacidad del sistema disminuye, y su carga no varía, y en consecuencia el voltaje aumenta. Igualmente ocurre cuando un componente electrónico queda cargado bajo la influencia de un campo eléctrico producido por un objeto cercano. El voltaje electrostático en el componente puede aumentar súbitamente si dicho componente se aleja respecto a dicho objeto. Ni que decir tiene que este aumento de voltaje podrá destruir o dañar el componente.

Disipación de las cargas electrostáticas

Por lo general la electricidad estática generada como resultado de la actividad normal de una persona se descarga al azar hacia los objetos de más bajo potencial. Cuando el nivel de la carga se sitúa por encima de los 3.000 voltios la descarga puede ser detectada o más bien "sentida" por la propia persona, siendo perceptible el "chasquido" que esta produce por encima de los 5.000 voltios,

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llegándose a apreciar visualmente la chispa cuando el nivel es superior a los 10.000 voltios. Sin embargo, hay que reconocer que existen muchas ocasiones en que la descarga a través del aire ocurre a niveles tan bajos que la persona no los nota. Por lo tanto, y con el fin de minimizar la descarga la meta a alcanzar habría de ser la de evitar que las cargas electrostáticas puedan producirse, y para poder conseguirlo habría que mejorarse la capacidad de conducción a tierra. Las técnicas que pueden utilizarse incluyen la neutralización de las cargas electrostáticas, así como sus campos eléctricos resultantes, ionizando el espacio que las rodea, aumentando la conductividad eléctrica de la

superficie, o aumentando la conductividad eléctrica de la masa del

material.

Elementos de un programa de protección ESD. Auditoría ESD Cualquier programa de protección enfocado a reducir el daño posible causado por las ESD nos afecta a todos en general. La inexistencia de un programa tendente a advertir el problema, así como negar la importancia de una solución efectiva, hace que aparezca la indiferencia, y el posible esfuerzo de unos cuantos es malgastado. La indiferencia y el desconocimiento hacen destruir cualquier programa de protección ESD. Por todo ello y una vez advertidos del problema se deben establecer métodos efectivos y coordinados de control ESD. ¿Dónde han de establecerse los controles? En todos aquellos lugares donde una unidad o conjunto pueden estar expuestos a las ESD. Una auditoría ESD es una parte esencial de un programa de control ESD que se encarga de la comprobación de los elementos que intervienen en un área de trabajo ESD, proporciona un constante recordatorio al personal para el cumplimiento de sus responsabilidades en este control y da a los responsables la necesaria información para que lleven a cabo las acciones correctivas que fueran necesarias. Una auditoría está basada en un plan de un programa de control ESD que ha sido definido y aprobado, siguiendo las directrices descritas en las normas internas publicadas a tal efecto para que lo hagan efectivo a todos los niveles de utilización. Para ello se debe garantizar en todo momento que todos los dispositivos sensibles a descargas eléctricas (ESDS) como son algunos componentes y equipos electrónicos, el personal y los bancos de trabajo, estén al mismo potencial eléctrico. Para conseguir el mismo potencial en todos los elementos antes descritos utilizaremos la tierra de la instalación eléctrica del edificio.

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Señalizaciones y advertencias

Este es el primer paso y quizás el más importante aspecto para llevar a efecto un programa de control ESD. Conocer que una pieza o conjunto es sensible a las descargas Electrostáticas es la clave para un adecuado manejo de los mismos. Las áreas de trabajo deben exhibir indicaciones en las que claramente muestren que se tratan de zonas de seguridad para el manejo de piezas sensibles a las descargas electrostáticas, y en la medida que sea posible deben permanecer restringidas a la circulación de personas.

Preparación del personal

Todo el personal que esté relacionado con especificaciones, gestión, manipulación, inspección, mantenimiento, debe recibir periódicamente algún tipo de instrucción de acuerdo a su nivel de práctica. Asimismo debe conocer todo lo concerniente a advertencias sobre dispositivos ESDS y las precauciones relacionadas con el potencial de tierra. El conocimiento de estas advertencias debe hacerse extensible tanto al personal de limpieza como al de mantenimiento o cualquier otro personal que de tiempo en tiempo accede a estas áreas.

Aireación Debe evitarse los efectos directos de los conductos de aire sobre las áreas de trabajo protegidas.

Suelos

Como resultado de los efectos de la triboelectricidad, el suelo es el mayor contribuyente al aumento de las cargas estáticas y en especial aquellos suelos de vinilo o los no conductivos. Este tipo de suelo requiere el uso de esterillas conductivas junto al área protegida de ESD o ser sustituido por otro del tipo conductivo.

Área de trabajo

Esta área se define como cualquier superficie sobre la que va a manejarse un dispositivo o conjunto ESDS, dentro o fuera de su bolsa o contenedor, y que permita disipar la carga electrostática adecuadamente. La superficie debe cubrirse con un material conductivo (disipativa) con una determinada resistividad eléctrica y puesta a tierra a través de una resistencia limitadora de corriente. El operador debe estar puesto a tierra a través de una muñequera la cual está también conectada a tierra a través de una resistencia limitadora de corriente. En esta área todos los componentes ESDS deben permanecer protegidos en sus embalajes de protección ESD y perfectamente etiquetados.

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Un control ESD efectivo requiere unas atenciones especiales en el área de trabajo para conservar en buen estado de funcionamiento los elementos que la componen. Es por ello que se deben incluir procedimientos de mantenimiento regular y de comprobación periódica que aseguren que los procedimientos y técnicas de manejo se realizan adecuadamente, así como también para asegurar el control de estáticos del área.

La esterilla del suelo tiene como misión la de eliminar las cargas estáticas que portan las personas que se acercan al puesto de trabajo. Como ya se ha dicho, la limpieza es un factor muy importante que contribuye al control de estáticos. En el puesto de trabajo no deben, por tanto, existir más cosas que las que sean imprescindibles. Así, por ejemplo, todos aquellos elementos aislantes como carpetas de vinilo, vasos de café, envoltorios de plástico, etc, etc, no deben de permanecer en el área de trabajo a menos que su carga estática sea neutralizada por medio de ionizadores de aire. En este sentido hay que recordar que las cargas estáticas desaparecen de un cuerpo conductor por el mero hecho de ponerlo a tierra. Sin embargo esto no es posible en los

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cuerpos aislantes por lo que, como se ha dicho, sus cargas han de ser neutralizadas.

Accesorios

Los carros para transportar equipos generan altos niveles de ESD a menos que estén construidos de un material conductivo con una determinada resistividad eléctrica y con un adecuado sistema de drenaje a tierra. Las cajas y bolsas de los componentes deben estar hechas de material conductivo o antiestático, según los casos. Las bolsas de apantallamiento son las mejores por

ofrecer una completa protección contra los campos electrostáticos externos y contra las ESD. Las bolsas no conductivas no deben utilizarse para almacenar o transportar dispositivos ESDS. Los documentos deben estar protegidos por carpetas de material antiestático.

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Los materiales de limpieza deben ser los adecuados para este tipo de áreas de trabajo El personal debe vestir con un mono o bata reglamentariamente antiestática.

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ELEMENTOS PARA CONTROL DE ESD

Tapetes disipativos para los bancos de trabajo. Suelos disipativos Muñequeras ajustables para los operarios. Cordones con corchetes, terminales o pinzas para interconectar los

distintos elementos antes descritos con la tierra eléctrica del edificio, normalmente a través de los bancos de trabajo.

Cajas de almacenaje para transportar y almacenar los componentes

electrónicos durante el proceso de fabricación. Bandejas para transportar los circuitos electrónicos durante el proceso de fabricación. Bolsas disipativas para el embalaje de los circuitos electrónicos una vez

fabricados. Elementos de señalización tanto de zonas de trabajo como de componentes

y equipos.

Cada banco de trabajo con protección ESD tendrá:

Su estructura metálica conectada a tierra. Un tapete disipativo conectado a la estructura metálica del banco. Una conexión en el tapete para conectar la muñequera para el operario. Toda la instrumentación que esté en el banco de trabajo, debe tener su

toma de tierra conectada. Adicionalmente y en caso necesario existirá un latiguillo con pinza

conectada a tierra o al tapete para conectar la carcasa metálica del equipo que se esté montando o manipulando.

PROCEDIMIENTO DE TRABAJO

Todo el proceso de fabricación contempla además de la fabricación propiamente

dicha, otros aspectos que deben ser englobados dentro del control de ESD:

Áreas protegidas: Las áreas protegidas, serán aquella en las que se pueda garantizar que existe una conexión a tierra de todos los elementos implicados en el proceso que se realice en dicha área. Un área protegida puede ser tanto edificios completos, habitación, o una sola estación de trabajo. Además, estarán debidamente señalizadas mediante el símbolo siguiente:

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Almacenaje y manipulación de dispositivos ESDS: Todos los procesos que se describen, cuando impliquen la manipulación con las manos de dispositivos ESDS, se realizarán en el área protegida y señalizada para estos fines. Los componentes ESDS cuando se recepcionen se intentarán dejar en el embalaje con que vienen y se almacenarán en su ubicación habitual. Cuando esto no sea posible, se sacarán de su embalaje y se colocarán en bolsas disipativas. Después se almacenarán en su ubicación habitual. Cuando tengamos que utilizar los componentes ESDS para montarlos en los

circuitos impresos, éstos se sacarán de su ubicación habitual y se colocarán en cajones disipativos. Los circuitos con componentes ESDS una vez terminados de fabricar serán colocados en bandejas disipativas mientras dure el proceso de verificación. Una vez terminado este proceso, serán embalados en bolsas disipativas y almacenados en su ubicación habitual. Marcado de dispositivos ESDS: El marcado de dispositivos ESDS se efectuará tanto en la información del producto (documento interno de producción), como en el producto. Para que los operarios sepan cuando van a fabricar un equipo con componentes ESDS, en la portada del documento interno de producción existirá una etiqueta adhesiva que lo indique. Además, en el listado de componentes, junto al nombre del componente se pondrá el texto “ESDS” en los casos en que proceda. Cuando el equipo sea suficientemente grande, se colocará una etiqueta adhesiva en una zona cercana a donde se encuentren los dispositivos ESDS. En el caso de los circuitos electrónicos, también se le colocará una etiqueta adhesiva que indique las precauciones que se deben tomar en caso de manipulación Montaje y verificación de circuitos electrónicos y equipos con dispositivos

ESDS: El montaje y verificación de circuitos electrónicos y equipos de pequeño tamaño se realizará en los bancos de trabajo señalizados para dicho fin. El operario tendrá que tener todos los componentes ESDS en cajones disipativos y los circuitos electrónicos en proceso o terminados en bandejas disipativas. El operario tendrá que estar permanentemente conectado a tierra mientras realiza este trabajo a través de la muñequera conductiva, y el tapete disipativo. Para el montaje y verificación de equipos voluminosos, los trabajos se realizarán sobre el suelo. Los equipos se pondrán sobre suelo disipativo conectado a tierra y el operario se conectará a tierra a través de la muñequera conductiva y el suelo disipativo. Además, las partes metálica de equipo, tanto si se trabaje en un banco de trabajo o en el suelo, serán conectadas también a tierra.

Elaborado por Mario Guido

mjguido2001@hotmail.com

Managua, Nicaragua Mayo 2010