Introducción a las descargas electrostáticas (ESD)

INTRODUCCION A LAS DESCARGAS ELECTROSTATICAS
Juan Miguel Guzmán Muñoz (Ingeniero ESD
certificado: ESD-00577-NE)

1. Presente en toda actividad.
2. Desde quitarse la ropa hasta grandes
tormentas.
3. El mecanismo básico de generación es
el movimiento relativo o fricción entre
superficies o materiales.
4. Varias son las organizaciones y grupos
dedicados al estudio, control y
aplicación de este fenómeno y sus
intereses pueden ser diversos.
1.- INTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTATICA (conceptos generales)

1.- INTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTATICA (Conceptos generales)
¡Qué es?
Rama de la Física que trata del estudio de las CARGAS EN REPOSO y de
las fuerzas existentes entre ellas.
Como fenómeno, se trata de una descompensación en el número de
electrones en la superficie de un material y su reflejo es la existencia de
fuerzas de atracción o repulsión y la generación de un campo eléctrico.
Como se genera la electrostática?
Principalmente a través de una fenómeno llamado: TRIBOELECTRICIDAD
que viene del griego “trebei” que significa fricción
La carga es medida en coulombs (C )
El campo eléctrico en V/m

Carga Eléctrica
Es una propiedad física intrínseca de algunas partículas subatómicas
que se manifiesta mediante fuerzas de atracción y repulsión entre ellas.
Existen dos tipos de carga dependiendo su signo:
• Carga positiva
• Carga negativa
La reglas fundamentales de la cargas son:
• Cargas de mismo signo se repelen y cargas de signos diferentes se
atraen.
• Cada protón y electrón tienen una carga de 1.6x10-19C
• La unidad de carga es el Coulumb (C).
1.- INTRODUCCIÓN A LA ELECTROSTATICA
CARGA ELECTRICA

CARGA ELECTRICA
Alrededor de los átomos hay
electrones, los cuales tienen
carga negativa.
Un átomo en equilibrio tiene el mismo número de electrones que de
protones, es decir, sin presencia de electrostática en terminos simples
El núcleo al centro del átomo
contiene protones con carga
positiva

LEY DE COULOMB
“La fuerza entre dos cargas es proporcional al producto de sus cargas e
inversamente proporcional al cuadrado de la distancia que las separa”
Donde:
• q1 y q2 es la cantidad de carga en las partículas (en C, coulombs)
• r es la distancia entre las partículas cargadas (en m, metros).
• k es la constante de proporcionalidad = 9 x109 Nm2/c2.
• ε0 es la constante de permeabilidad = 8.854 x10-12 c2/Nm2.






 2
21
0
2
21
4
1
r
qq
r
qq
kFe


LEY DE COULOMB
2
21
r
qq
kFe 2
21
r
mm
GFg 
Similitud con la ecuación de la gravedad

CAMPO ELECTRICO
• Campo de fuerza que rodea a un objeto o partícula cargada.
• Es la fuerza por unidad de carga.
• Se denota como E y sus unidades son N/C.
2
r
Q
kE 
DONDE
E = Campo electrico
Q = Carga
r = radio del campo
k = constante de proporcionalidad

La fuerza de un campo eléctrico sobre una area dentro de la region del
campo.
Cuantifica la noción de “líneas de fuerza” que atraviezan una superficie
Unidades (N·m2/C).
Donde:
E = Campo eléctrico
A = Area de la superficie
θ = Angulo de elevación de la superficie
 cosEAEA 
FLUJO ELECTRICO

ENERGIA DEL POTENCIAL ELECTRICO Y TRABAJO
ENERGIA DE CAMPO
• Energia potencial debida a la localización de una carga dentro del
area de un campo eléctrico.
• Si una carga Q0 está dentro del campo eléctrico de otra carga Q, el
potencial de Q0 es:
Donde r es la distancia de Q0 a Q
TRABAJO
• Es el cambio de signo (negativo) de la energia.
• Resultante de mover una carga entre dos puntos con diferente
intensidad de campo.
r
QQ
kU e
0

UW 

• Energia de potencial eléctrico por unidad de carga que surge debido a
la localización de una carga dentro de un campo eléctrico.
• Para una carga puntual Q, el voltaje a un punto r de la carga es:
• Si una carga de prueba Q0 es localizada en una región con potencial V,
la energia de la carga puntual es:
r
Q
r
Q
kV
04

VQU e 0
• Las unidades son los
volts
• 1V = 1 J/C
VOLTAJE

RELACION ENTRE VOLTAJE Y CAMPO
La relación entre Voltaje y campo es:
Donde r es la distancia entre la carga y el punto en consideración
ErV 
Voltaje es el trabajo por unidad de
carga conforme la carga se mueve
entre dos puntos del campo
Si una carga de prueba Q es
movida entre punto A y punto B, el
voltaje es:  
Q
W
VVV AB 
Q
W
V 
El voltaje es la causa que genera la corriente eléctrica

CAPACITANCIA
Capacitancia es la capacidad de almacenar energía.
La capacitancia entre dos platos está dada por:
Donde:
ε0 = Constante de permeabilidad del espacio libre
= 8.85 x 10-12 c2/Nm2
= 8.85 x 10-12 F/m
A = Area del plato
r = Distancia entre los platos
Areas menores tendrán menos repulsión entre cargas.
Una mayor separación significará una menor carga y la capacitancia es
menor.
Sus unidades son (F) = coulomb/volt
r
A
V
Q
C
ab
0

CORRIENTE ELECTRICA
La corriente eléctrica se denota como “I” y se define como la cantidad
de carga que pasa por unidad de tiempo a través de un plano hipotético
que intersecta a un conductor.
Las unidades son los Amperes (A). Un Ampere es igual al flujo de una
carga de un C por segundo.
t
Q
I 
Where:
I = Current (ampere, A)
Q = Charge (coulomb, c)
t = Time (second, s)

2.-METODOS DE GENERACION DE ELECTROSTATICA
¿Cómo se cargan los cuerpos de electrostática?
• Fricción
FROTANDO dos materiales neutros, genera descompensación de
electrones.
• Conducción
Cuando un objeto cargado TIENE CONTACTO con otro objeto.
Los electrones pasan de uno a otro buscando el equilibrio.
• Inducción
Cuando un objeto cargado se acerca a otro SIN CONTACTO,
provoca polarización del segundo.

FRICCION
Cuando dos clases de materiales son frotados, uno de ellos cede sus
electrones quedando cargado de manera positiva mientras el segundo
gana electrones quedando cargado de manera negativa.
El comportamiento de cedencia o ganancia, depende de la tabla de
triboelectricidad.

2.- METODOS DE GENERACION DE ELECTROSTATICA
FRICCION
Qué es la TRIBOELECTRICIDAD?
Es la acumulación de carga electrostática, que
resulta de la transferencia de electrones de un
material a otro, debido al contacto, fricción o
separación entre ellos.
Los materiales pueden ser sólidos , líquidos o
gaseosos.
Para entender el comportamiento electrostático de
los materiales es necesario ubicar su posición en la
famosa tabla de triboelectricidad.
CARGA POSITIVA (+)
Asbestos
Vidrio
Cabello humano
Nylon,Lana, Seda
Aluminio
Papel
Acero
Piel
Niquel, Cobre
ALGODÓN
Rayón
Poliester
Poliuretano
Polietileno
Polopropileno
Pvc
Silicón
Teflón, Caucho
CARGA NEGATIVA ( - )

CONDUCCION
Cuando un objeto cargado hace contacto con un material neutro, existe
una transferencia de carga con contacto directo.
Solo los electrones son libres para moverse.

INDUCCIÓN
La inducción usa la influencia de un objeto cargado para forzar la
polarización de un cuerpo y su potencial carga.
El aterrizaje o no del cuerpo inducido, es determinante en la carga por
inducción.
Un objeto cargado por inducción, tiene carga contraria al inductor.
El cuerpo inductor mantiene su carga.

TIPOS DE MATERIALES

3.- Por qué el control de la electrostática?
• Riesgos de ignición en áreas peligrosas (Incendios, explosiones)
• Fuentes de ignición
• Conductores aislados
• Shocks eléctricos
• Sistemas especiales de “clamping”.
• ESA (Electrostatic attraction)
• Control de partículas
• Control de contaminación
• Cuartos limpios
• ESD (Electrostatic discharge)
• Daños a ESD
• Aterrizaje

4.- ¿QUE ES ESD?
Es la transferencia de cargas electrostáticas de un cuerpo a otro de
manera abrupta y en una fracción de segundo. Para la industria
electrónica y de manejo de sustancia inflamables es un riesgo para el
producto y la seguridad respectivamente.

4.- ¿QUE ES ESD?
Niveles de Percepción Humana a la “ESD”
•A 3,000 volts, sentimos.
•A 5,000 volts, vemos
•A 10,000 volts, escuchamos

4.- ¿QUE ES ESD?

4.- ¿QUE ES ESD?
Daño Catastrófico:Daño Catastrófico:
Daño Latente:Daño Latente:

4.- ¿QUE ES ESD?
LAS FALLAS EN LOS DISPOSITIVOS SUCEDEN A CUALQUIER NIVEL
En el dispositivo
En la tarjeta
Durante el ensamble
Usuario final

Existen tres modelos generalizados que explican los modos de
falla ESD.
** No utilizado ya para categorizar eventos ESD (se presenta solo
como referencia)
5.- MODELOS ESD
Human body model Modelo del cuerpo humano HBM
Charged device model Modelo de elemento cargado CDM
Machine model Modelo máquina** MM

Una persona puede generar carga mientras realiza tareas cotidianas
como: caminar sentarse, trabajar, etc.
Técnicamente podemos ser una especie de capacitores con carga
acumulada esperando la oportunidad de irse a tierra.
El circuito básico del modelos considera la capacitancia y resistencia
del cuerpo humano.
MODELOS DEL CUERPO HUMANO (HBM)

• Su duración es de 150 ns aproximadamente.
• “Rising” time entre 2-10ns.
• Pico de corriente de 1.33 A, aproximadamente.
• Es un evento unipolar.
• Dolor de cabeza en las décadas pasadas para las industrias
electrónica y de manejo de sustancias inflamables.
• El estándar de sensibilidad de los componentes electrónicos es de
2000 volts como promedio.
MODELOS DEL CUERPO HUMANO (HBM)

• Similar al modelo HBM, pero en maquinas y de mayor intensidad al
no existir técnicamente resistencia.
• Su duración es de 40 ns aproximadamente
• “Rising time” entre 10-15ns.
• Pico de corriente de 3.6 A, aproximadamente.
• Es un evento un “damping” por exceso de energía.
• Altamente prevenido en fabricantes de maquinaria ESD safe.
• El estándar de sensibilidad de los componentes electrónicos es de
200 volts como promedio.
• No se utiliza actualmente para validar componentes.
MODELO MAQUINA (MM)

• Un modelo inverso al HBM y MM. La descarga es del componente hacia
tierra o un elemento con potencial inferior.
• Se da por inducción o contacto directo.
• Su duración es de 1 ns aproximadamente.
• “Rising time” entre 100-200ps.
• Pico de corriente de 1-16A, aproximadamente.
• Es un evento critico por corta duración y alta corriente.
• El estándar de sensibilidad de los componentes electrónicos es de 500
volts como promedio.
• Evaluado ahora mediante CDM.
MODELO DEL CUERPO CARGADO (CDM)

6.- PRINCIPALES CONTROLES DE “ESD”
Datos cronológicos sobre el control de ESD.
• Control de la pólvora, por muchos años se han tenido esquemas para su control.
• Entre los 50´s y 60´s los equipos electrónicos eran relativamente insensibles al
“ESD”. El rate de fallas era muy bajo.
• Al final de los 70´s con la introducción de “Large scale integartion (LSI)”, el ESD
llego a ser un tema significativo. En 1978 se organiza el primer Simposio de ESD.
•
• En 1980 el ejercito de los Estados Unidos libera el primer estándar para el
control del “ESD”: Mil-STD-1686.
• A pesar del primer estándar, las empresas seguian sus propios controles.
• El control del personal y del empaque fueron los principales rubros
considerados en los primeros planes.
• La Asociación ESD fue formada a principios de los 80´s para tratar de resolver el
tema de las validaciones.
• En 1995 se le dio a la ESDA la tarea de reemplazar la norma militar y surgio la
ANSI/ESD S20.20-1999 que ha sido actualizada por la versión 2014.Juan Miguel Guzmán Muñoz (Ingeniero ESD

Principios básicos de control
• Diseñar con protección, los diseñadores deberan crear productos con métodos
de protección robutos para soportar los efectos del ESD.
• Definir el nivel de control, en base al tipo de producto, se deben evaluar y
asegurar los controles requeridos.
• Identificar y definir las EPAs lo cual debe ser muy claro para asegurar el
apropiado manejo de los “ESDS”.
• Reducir la generación de electróstatica a través del control del proceso,
asegurando un que los materiales y procesos se encuentren a un mismo potencial
eléctrico y proporcionando conexiones adecuadas a tierra electrica.
• Disipar y neutralizar a través del aterrizaje, ionización y uso de superficies
disipativas y/o conductivas.
• Proteger los ESDS a través del aterrizaje, correcto empaque y correcto manejo.

Las siguientes son las estrategias básicas de control

Qué tenemos que aterrizar?:
1.- El piso.
2.- Al personal.
3.- Estaciones de trabajo.
4.- Equipo y maquinaria.

Ionización:
Efecto por el cual se producen iones
positivos y negativos que ayudan neutralizar
cargas electrostáticas.

Empaque
Utilizar empaques fabricados con materiales
conductivos o disipativos según sea requerido.
Manejas los ESDS fuera de EPAs, pero solo con
bolsas blindadas.

7.- APLICACIONES BENEFICAS DE LA ELECTRÓSTATICA
Sanitizadores
Aspersores
Precipitadores

7.- APLICACIONES BENEFICAS DE LA ELECTRÓSTATICA
Copiadoras
Procesos de
pintura

Muchas gracias!!!

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