ESD significa descarga electrostática (del inglés Electrostatic Discharge). Es la transferencia repentina y momentánea de electricidad entre dos objetos o superficies con diferentes potenciales eléctricos.
- Ocurre cuando se acumula electricidad estática en un material (como al caminar sobre una alfombra).
- Al tocar un objeto metálico o a otra persona, la carga se libera de forma instantánea para equilibrarse.
- Un ser humano solo puede sentir una descarga ESD si supera los 2,000 a 3,000 voltios
En la Electrónica:
- Los componentes electrónicos diminutos (como microchips) pueden dañarse o destruirse con apenas 10 a 100 voltios, un nivel de energía totalmente imperceptible para las personas.
- Por esta razón, en la industria electrónica se utilizan áreas de trabajo protegidas, pulseras anti estáticas y empaques especiales para prevenir daños invisibles que arruinen los dispositivos
Hablando sobre el método de protección de la placa de circuito impreso (PCB) contra daños por ESD
Las grandes estructuras de acero, los automóviles, las montañas e incluso las personas pueden sobrevivir a los rayos atmosféricos reales. Los seres humanos también pueden generar sus propios rayos en miniatura (chispas) y sobrevivir a ellos. Sin embargo, cuando estas chispas llegan a los circuitos integrados (CI), pueden provocar fallos graves. En este tutorial, analizaremos formas de proteger las placas de circuito impreso (PCB) frente a los daños por descarga electrostática (ESD). Demostraremos que los componentes analógicos con geometrías de mayor tamaño son los más adecuados para proteger las matrices de puertas programables en campo (FPGA), que presentan geometrías más reducidas. Al adoptar estas medidas, los circuitos integrados de la FPGA mantienen una mayor fiabilidad y ofrecen un rendimiento de calidad constante.
Los equipos, independientemente de su tamaño, inevitablemente se ven afectados por los rayos, las estructuras de acero, los automóviles, las montañas e incluso las personas. En esta nota de aplicación, explicaremos los mecanismos que protegen a los circuitos integrados (CI) de los daños por descarga electrostática (ESD). Proteger los CI y las placas de circuito impreso frente a daños por ESD y EOS (sobreesfuerzo eléctrico) es un aspecto fundamental para la fiabilidad y el rendimiento del producto.
Los rayos pueden resultar fascinantes e interesantes, o bien peligrosos y destructivos. Es posible que todas estas situaciones se den simultáneamente; todo depende de dónde se encuentre, qué esté haciendo y cuál sea su estatura. Un rayo siempre resulta perjudicial para los circuitos integrados.
Una historia breve
Hace unos años, nos alojábamos en un hotel de diez plantas con estructura de acero. Las tormentas eléctricas de la tarde atravesaban un amplio claro. Nos sentíamos cómodos y seguros gracias a la estructura de acero del edificio. Como no estábamos conectados a nuestros ordenadores, no había motivo de preocupación. Fue un espectáculo impresionante que duró unos diez minutos mientras pasaba la tormenta.
Los grandes edificios de acero, los automóviles, las montañas e incluso las personas pueden sobrevivir a los rayos atmosféricos reales. Los seres humanos también pueden generar sus propios rayos en miniatura (chispas) y sobrevivir a ellos. Sin embargo, cuando estas chispas llegan a los circuitos integrados (CI), pueden provocar fallos graves. Los transistores a nanoescala requieren protección para resistir incluso una chispa generada por una persona. En este tutorial, analizaremos diversas formas de proteger las placas de circuito impreso (PCB) frente a los daños por descargas electrostáticas (ESD). Demostraremos que los componentes analógicos con geometrías de mayor tamaño son los más adecuados para proteger las matrices de puertas programables en campo (FPGA), que presentan geometrías más reducidas. Al adoptar estas medidas, los circuitos integrados de la FPGA mantienen una mayor fiabilidad y ofrecen un rendimiento de calidad constante.
Desde dos angulos
¿De dónde provienen las chispas artificiales? Son causadas por la carga tribo eléctrica. Es un término complejo, pero el fenómeno ocurre cuando dos materiales entran en contacto (favorecido por la fricción) y luego se separan. Algunos electrones se transfieren a uno de ellos. La cantidad de electrones que se desplazan y la superficie a la que pasan dependen de la composición del material. Es un fenómeno común, ya que casi todos los materiales —tanto aislantes como conductores— presentan propiedades tribo eléctricas. Conocemos bien muchos ejemplos cotidianos: acariciar el pelaje de un gato, frotar un globo contra el cabello de una persona o caminar sobre una alfombra son situaciones en las que se manifiesta el efecto tribo eléctrico.
¡No es de extrañar que duela cuando caminamos sobre la alfombra y tocamos el pomo de la puerta! La regla general es que 5000 V pueden saltar una distancia de aproximadamente 1 cm (0,4 pulgadas) en aire con una humedad relativa del 50 %. Para una persona de metro y medio o metro ochenta de estatura, esa es la chispa. Fue doloroso, pero sobrevivimos. Ahora, cambie de perspectiva: ¿podría esta chispa causar daños de unas pocas micro pulgadas de magnitud a los transistores de los circuitos integrados (CI)? En este contexto, una chispa de un centímetro representa una descarga enorme y aterradora, similar a un rayo.
Hablemos ahora de los circuitos integrados. Desde hace mucho tiempo, los microprocesadores han ido aumentando la densidad de los semiconductores digitales. Las técnicas de fabricación han dado lugar a transistores cada vez más pequeños. En 1971, se presentó la unidad central de procesamiento (CPU) Intel 4004 con una tecnología de 10 µm. Durante las décadas de 1980 y 1990, el proceso permitió fabricar componentes más pequeños que las bacterias. En 2012, los circuitos integrados eran 1.000 veces más densos que los de la tecnología de 1971, y los elementos del chip eran más pequeños que un virus. En ese mismo año, era posible adquirir una FPGA de 28 nm que integraba 6.800 millones de transistores, y se prevé que la densidad se duplique en los próximos años. Estos transistores diminutos se encuentran muy compactados y deben funcionar a voltajes bajos (generalmente de 1 V o menos) para controlar el calor generado.
Para visualizar qué son 28 nm, observe los ceros: equivalen a 28 milmillonésimas de metro (0,000000028). Imaginemos que la distancia entre San Francisco y Nueva York representa un metro (unos 4000 kilómetros o 2500 millas). En esa escala, 28 millas náuticas (una parte entre 36 millones) equivalen a 0,11 metros o 4,4 pulgadas. ¿Qué magnitud de descarga eléctrica se requiere para dañar un dispositivo con una geometría tan diminuta? ¿Cómo proteger esta FPGA, tan necesaria y útil?
La solución sencilla consiste en utilizar un dispositivo de interfaz de E/S que sirva de puente entre los mundos digital y analógico. Los circuitos integrados (CI) analógicos de señal mixta tienen geometrías relativamente grandes (entre 10 y 100 veces mayores que los CI digitales) y operan a tensiones más elevadas (típicamente de 20 V a 80 V o más), lo que los hace más robustos que los diminutos transistores digitales. Aunque los dispositivos analógicos de señal mixta actuales suelen ser tolerantes a las descargas electrostáticas (ESD), su rendimiento mejora con el uso de dispositivos ESD discretos.
Entendiendo la corrupción de la Chispa
Los fabricantes de semiconductores se toman muy en serio la sobrecarga eléctrica (EOS) y la descarga electrostática (ESD). En primer lugar, y por razones obvias, la EOS y la ESD pueden dañar los componentes durante la fabricación, el ensamblaje del encapsulado y las pruebas. Pero, lo que es más importante, estos factores adversos afectan directamente a la calidad y a la vida útil del circuito una vez que llega a manos del cliente.
Inicialmente, el componente sometido a estrés eléctrico puede parecer funcionar con normalidad. Incluso podría operar de manera ligeramente degradada y aun así superar la inspección del equipo de prueba automática (ATE), para luego fallar durante su uso en campo. Los fallos por EOS y ESD son prevenibles y constituyen, sin duda, cuestiones críticas de control de calidad.
Es más probable que los daños por EOS y ESD se produzcan durante la fabricación de los circuitos integrados (CI). La Figura 1A muestra un diagrama esquemático de la placa de circuito impreso (PCB). Podría pensarse que el CI está protegido por un condensador en serie; sin embargo, no es así. Una segunda situación de riesgo surge cuando el cliente monta el CI en la PCB para fabricar el producto. Al observar detenidamente la Figura 1B, se aprecia que, dado que la chispa ha saltado una distancia de 0,4 pulgadas (1 cm), el pequeño espacio alrededor del condensador es vulnerable a daños. El resultado puede ser la destrucción del CI (Fig. 1C). Por último, los daños por EOS o ESD pueden producirse cuando los clientes utilizan el producto en su propio entorno.
Por supuesto, existen muchas posibilidades de sufrir pérdidas enormes. De hecho, es posible visualizar los daños por EOS y ESD en el interior del circuito integrado (CI). Para ello, es necesario retirar el material epoxi del encapsulado; esta operación suele realizarse utilizando ácido caliente dentro de una cámara de aislamiento con doble guante. Se trata de un proceso muy peligroso: los vapores son letales y una sola inhalación puede provocar una muerte dolorosa. Una gota de ácido sobre la piel puede acarrear, en el mejor de los casos, la amputación de una mano o un brazo y, en el peor, la muerte.
La fotomicrografía de la Figura 2A no muestra daños aparentes. Se incluyen los hilos de conexión y las almohadillas de contacto marcados como REF para facilitar la orientación y la comparación de las imágenes. Sobre el encapsulado (de color rosa) se aplica un material de cristal líquido, similar al que se utiliza en los anillos del estado de ánimo y en los termómetros infantiles para la frente. El color varía en función de los pequeños cambios de temperatura. Cuando se energiza el CI, la zona que consume un exceso de corriente (señalada aquí con un recuadro amarillo) se calienta y cambia de color.