Control de ESD

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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