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Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. 5.12 Dispositivos sensibles a cargas electrostáticas ESD (Electrostatic Sensitive Devices). Los avances en tecnología traen nuevos desafíos para aquellos que están implicados en la operación y el mantenimiento de las aeronaves. Uno de estos desafíos está asociado con la manipulación de dispositivos semiconductores que son susceptibles de daño por la presencia de cargas eléctricas dispersas. Este es un problema que potencialmente puede afectar a una amplia gama de equipos electrónicos instalados en una aeronave (ver figura 5.12.1) y puede tener un amplio rango de efectos, incluyendo el fallo total de la LRU (“Line Replaceable Unit”, una “caja” de equipos electrónicos como radio u otros equipos auxiliares y que se reemplaza en su conjunto) pero sin signos visibles de daño. Figura 5.12.1. Sala de aviónica de un moderno avión de pasajeros conteniendo unidades LRU las cuales usan un gran número de dispositivos sensibles a la electrostática (ESD) Los dispositivos sensibles a las cargas electrostáticas son componentes electrónicos y otros elementos que son proclives al daño a consecuencia de la presencia de cargas eléctricas dispersas. Este problema es particularmente importante con los modernos dispositivos LSI (“Large Scale Integration”, alto grado de integración) y dispositivos VLSI (“Very Large Scale Integration”, muy alto grado de integración) pero también afecta a otros componentes como los transistores de metal‐óxido semiconductor (MOS), diodos de microondas, pantallas y muchos otros dispositivos modernos. El daño extensivo (y permanente) a los dispositivos sensibles a la estática puede ser resultado de una incorrecta manipulación y de inapropiados métodos de almacenamiento y transporte. Este módulo da información básica y guía específica en la correcta manipulación de estos dispositivos ESD. ELECTRICIDAD ESTÁTICA. La electricidad estática es algo con lo que todos estamos familiarizados en su más impresionante Página 1 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. manifestación: los rayos (ver figura 5.12.2). Figura 5.12.2. Los rayos (un ejemplo natural de la electricidad estática) son el resultado de la acumulación de enormes cantidades de carga estática. Otro ejemplo de electricidad estática que se puede experimentar fácilmente es la descarga eléctrica que se recibe cuando se abandona un coche. Los materiales sintéticos utilizados en los vestidos así como en el interior de los vehículos son capaces de producir grandes cantidades de carga estática que solamente se libera cuando el conductor o el pasajero ponen sus pies en el suelo. Cuando dos materiales distintos no conductores inicialmente descargados son frotados juntos, la fricción provoca que se transfiera carga de un material a otro y consecuentemente se eleva el potencial eléctrico que existe entre ellos. LAS SERIES TRIBOELÉCTRICAS Las series triboeléctricas clasifican los diferentes materiales de acuerdo a como crean electricidad estática cuando se frotan contra otro material. Las series se disponen en una escala de materiales crecientemente positivos y crecientemente negativos. Los siguientes materiales ceden electrones y se hacen positivos cuando se cargan (y así aparecen como positivos en la escala triboeléctrica) cuando se frotan contra otros materiales: • • • • • • • • • • Aire (el más positivo). Piel humana. Cuero. Piel de conejo. Cristal. Pelo humano. Nylon. Lana. Plomo. Piel de gato. Página 2 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. • • • Seda. Aluminio. Papel (el menos positivo). Los siguientes son ejemplos de materiales que no tienden fácilmente a captar o perder cuando se les pone en contacto o se les frota con otros materiales (se les denomina por tanto neutros en la serie triboeléctrica): • • Algodón. Acero . Los siguientes materiales tienden a atraer electrones cuando se les frota contra otros materiales y pasan a quedar cargados negativamente (por tanto aparecen como negativos en la escala triboeléctrica): • • • • • • • • • • • • • Madera (el menos negativo). Ámbar. Goma vulcanizada. Níquel, cobre, latón y plata. Poliéster. Poliestireno. Cloruro de polivinidelo PVDC (saran). Poliuretano. Polietileno. Polipropileno. Policloruro de vinilo (PVC). Silicio. Teflón (el más negativo). Las mayores cantidades de carga inducida se obtendrán a partir de frotar materiales que se encuentren en los extremos de las escalas triboeléctricas. Por ejemplo, PVC frotado contra el cristal o el poliéster frotado contra la piel humana. Debe tenerse en cuenta que una queja común de las personas que trabajan en atmósferas secas es que se producen descargas cuando tocan metales. Esto es así porque tienen la piel seca, la cual puede cargarse muy positivamente, especialmente cuando la vestimenta que llevan está hecha de materiales artificiales (tales como el poliéster) los cuales pueden cargarse fácilmente negativamente. El efecto es mucho menos pronunciado en una atmósfera húmeda cuando las cargas dispersas pueden disolverse de manera inofensiva en la atmósfera. A las personas que pueden cargarse debido a la piel seca se les recomienda que vistan ropas de algodón (debe recordarse que el algodón es neutro en la escala triboeléctrica). También, las pieles húmedas tienden a disipar las cargas más fácilmente. El pelo humano se carga positivamente cuando se peina. Un peine de plástico acumulará carga negativa en su superficie. Como las cargas del mismo signo se repelen, los pelos se repelerán mutuamente, especialmente si el pelo es muy seco. El peine (que está cargado negativamente) atraerá objetos con carga positiva (como el pelo). También atraerá material sin carga, como pequeños trozos de papel. La carga eléctrica puede también producirse cuando materiales de la misma polaridad triboeléctrica se frotan juntos. Por ejemplo, frotar una varilla de cristal contra una tela de seda cargará el cristal positivamente. La seda no retiene carga durante mucho tiempo. Cuando ambos materiales son de la parte positiva de la escala triboeléctrica (como en este caso) el material con la mayor capacidad de Página 3 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. generar carga se cargará positivamente. Igualmente, cuando dos materiales que pertenecen a la parte negativa de la escala triboeléctrica se frotan juntos, aquél que tiene la mayor tendencia a cargarse se cargará negativamente. Los valores representativos de las tensiones electrostáticas generadas en algunas situaciones de trabajo típicas se muestran en la tabla 5.12.1. Nótese la significativa diferencia en la tensión generada para valores diferentes de humedad relativa. Nota: Se pueden generar fácilmente potenciales eléctricos muy altos cuando materiales distintos se frotan juntos. El efecto es mucho más pronunciado cuando el aire es seco. Situación Tensión eléctrica típica generada 20 % humedad relativa 80 % humedad relativa Caminar sobre una alfombra de lana/nylon 35 kV 1,5 kV Deslizar una caja de plástico sobre una alfombra 18 kV 1,2 kV Remover partes de una bolsa de poliestireno 15 kV 1 kV Caminar sobre un pavimento de vinilo 11 kV 350 V Quitar la cinta adhesiva de un paquete 10 kV 250 V Trabajar en un banco con un mono 8 kV 150 V Tabla 5.12.1. Valores representativos de tensiones electrostáticas generadas en típicas situaciones de trabajo. ¿Un problema particular que presenta la carga electrostática es que …? a.‐ Es mayor cuanta más humedad exista en el ambiente b.‐ Es invariablemente letal c.‐ No puede ser detectada fácilmente d.‐ Solamente aparece e condiciones muy especiales ¿La tensión estática que puede generar una persona caminando por una alfombra de lana es …? a.‐ Inferior a 1 kV b.‐ Inferior a 10 kV c.‐ Entre 1 y 20 kV d.‐ Mayor de 20 kV ¿Cuál de los siguientes materiales es negativo en la escala triboeléctrica …? a.‐ Cristal b.‐ Seda c.‐ Poliéster d.‐ Aire Página 4 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. ¿Cuál de los materiales es neutro en la escala triboeléctrica…? a.‐ Poliéster b.‐ Lana c.‐ Cristal d.‐ Acero DISPOSITIVOS SENSIBLES A LA ESTÁTICA. Todos los modernos componentes microelectrónicos son propensos al daño producido por cargas eléctricas dispersas pero algunos lo son más que otros. Los dispositivos que son más propensos al daño suelen ser aquellos que están más basados en la tecnología del efecto de campo que en la tecnología de la unión bipolar. Incluyen los dispositivos lógicos CMOS (tales como las puestas lógicas y la lógica MSI (“médium scale integration”), dispositivos MOSFET (como los transistores), circuitos VLSI NMOS y PMOS (utilizados en los dispositivos de memoria dinámica, microprocesadores, etc.). Los transistores de microondas y los diodos (debido a sus pequeños tamaños y pequeñas zonas de unión) son también particularmente sensibles a la estática así como lo son algunos dispositivos optoelectrónicos y pantallas. En caso de duda, el principio básico es tratar cualquier dispositivo semiconductor con mucho cuidado y siempre evitar situaciones en las que las cargas estáticas puedan entrar en contacto con el dispositivo. La tabla 5.12.2 da una guía de la relativa susceptibilidad al daño por las tensiones estáticas de varios tipos de dispositivos semiconductores. Tipo de dispositivo Susceptibilidad típica a la tensión estática Lógica CMOS 250 V a 1 KV Lógica TTL 550 V a 2,5 KV Transistores de unión bipolar 150 V a 5 KV Memorias dinámicas 20 V a 100 V Microprocesador MLSI 20 V a 100 V Transistores MOSFET 50 V a 350 V Resistencias de película fina 300 V a 3 KV Rectificadores controlados de silicio 4 KV a 15 KV Tabla 5.12.2. Valores representativos de la susceptibilidad a la tensión estática para diferentes tipos de semiconductores. Avisos de ESD: Los componentes sensibles a la estática (incluyendo las tarjetas de circuitos impresos, módulos de circuitos, y dispositivos de conexión) están invariablemente marcados con avisos. Estos avisos Página 5 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. normalmente están impresos con textos en negro sobre fondo amarillo, como se muestran en la figuras 5.12.3 a 5.12.5. En la figura 5.12.3 se muestra el signo estándar de precaución que llevan estos avisos. Figura 5.12.3. Signo de precaución para los ESD ¿Cuál de los siguientes dispositivos es el más susceptible al daño debido a la carga estática? a.‐ Rectificadores controlados de silicio b.‐ Transistor MOSFET c.‐ Dispositivo de lógica TTL d.‐ Memorias dinámicas Figura 5.12.4. Etiqueta típica de aviso de ESD Página 6 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. Figura 5.12.5. Aviso de ESD (el tercero desde abajo) en una sala de aviónica del B 737 Manipulación y transporte de los ESD. Se deben tomar precauciones especiales cuando se manipula, transporta, instala o se desmonta un ESD. Estas precauciones incluyen las siguientes: 1. Se deben usar brazaletes especiales cuando se manipulan los ESD. Estos brazaletes (“wrist strap”) consisten en bandas conductoras que se conectan a una tierra efectiva mediante un cable corto Fig 5.12.6. El cable además tiene incorporado una resistencia de 1 MΩ que ayuda a minimizar cualquier peligro potencial para el que lo lleva (la resistencia en serie sirve para limitar la corriente que pasa a través del usuario en el caso de que se ponga en contacto con un conductor en tensión). Página 7 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. Figura 5.12.6. Elementos que constituyen el brazalete de protección contra la carga estática ¿La resistencia típica de un brazalete de protección contra la carga estática es…? a.‐ 1 Ω b.‐ 1 kΩ c.‐ 10 kΩ d.‐ 1 MΩ ¿Los brazaletes de protección contra la carga estática …? a.‐ Deben conectarse a una toma de tierra b.‐ Funcionan sin necesidad de conexiones especiales c.‐ Se conectan al dispositivo que se vaya a manipular d.‐ Disponen de una fuente de alimentación propia Página 8 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. Figura 5.12.7. Típica ubicación de un brazalete anti‐estática Los brazaletes normalmente se ubican en sitios estratégicos (ver figura 5.12.7) o pueden ser llevados por los técnicos de mantenimiento. La figura 5.12.8 muestra uno de estos brazaletes cuando se utilizan mientras que las figuras 5.12.9 y 5.12.10 muestran los avisos correspondientes al uso de estos brazaletes. Figura 5.12.8. Conexión de un brazalete a la puesta a tierra (nótese el conector de puesta a tierra) Página 9 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. Figura 5.12.9. Aviso de ubicación de brazaletes Figura 5.12.10. Aviso de uso de brazalete 2. Uso de brazaletes en los tobillos que funcionan de forma similar que los brazaletes de muñecas. 3. Uso de suelos y tapetes disipadores de estática. Figura 5.12.11. Uso de tapete antiestática y vestimenta acorde a la función 4. Evitar entornos muy secos (o al menos tomar precauciones especiales cuando la humedad relativa es baja). 5. Disponibilidad de conexiones a tierra (ver figura 5.12.8) Página 10 Módulo 5. Técnicas digitales. ESD. 6. Uso de equipos de ensayo conectados a tierra. 7. Uso de equipos de soldadura de baja tensión y antiestática (electrodos de soldadura de baja tensión con los extremos correspondientes puestos a tierra). 8. Uso de herramientas de inserción y desconexión antiestáticas para los circuitos integrados. 9. Evitar las fuentes de alta tensión cercanas (por ejemplo unidades de luz fluorescentes). 10. Uso de materiales de empaquetado antiestática (los componentes sensibles a la estática y las tarjetas de circuitos impresos deberían ser almacenadas en sus envoltorios antiestática hasta el momento de ser utilizados). Debe tenerse en cuenta que hay tres clases principales de materiales utilizados para proteger los dispositivos sensibles a la estática. Estos son los materiales conductores (como laminillas de metal, y materiales sintéticos impregnados de carbono), los materiales disipadores de estática (una forma más barata de material conductor), y los llamados materiales antiestática (son materiales neutros en la escala triboeléctrica como la madera, el algodón y el cartón). De todos ellos, los materiales conductores ofrecen la mayor protección mientras que los materiales anti‐estática ofrecen la menor protección. Nota: Las cargas estáticas pueden dañar muy fácilmente los dispositivos sensibles a la estática. El daño se puede prevenir adoptando los procedimientos correctos de manipulación de ESD. ¿Cuando se transporta un ESD es importante …? a.‐ Usar materiales de empaquetado antiestática b.‐ Envolverlos en materiales plásticos c.‐ Envolverlos con lana o algodón para protegerlos mecánicamente d.‐ Colocarlos sobre una lámina metálica Página 11