La electricidad estática es un ruido que todos hemos experimentado. Sin embargo, pocos sabrían decir por qué destruye semiconductores o qué forma tiene realmente la corriente de descarga.
Este artículo repasa los fundamentos de la descarga electrostática (ESD) y de la sobretensión, explica la forma de onda de la corriente de descarga a partir del circuito equivalente del modelo de máquina (MM) y llega hasta la elección de los dispositivos de protección. En el MM la inductancia del camino de descarga es determinante y produce una oscilación amortiguada, lo que lo hace idóneo para entender desde el circuito por qué la forma de onda oscila.
- De dónde viene la electricidad estática
- No hay un único modelo de descarga: HBM y MM
- El modelo de máquina (MM): una descarga metálica como circuito equivalente
- La forma de onda de la descarga: oscilación amortiguada y amortiguamiento
- Por qué destruye los semiconductores
- Cómo elegir dispositivos de protección contra ESD y sobretensiones
- Dónde colocar la protección y cómo razonarlo
- Control de ESD en fabricación
- Resumen
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De dónde viene la electricidad estática
La electricidad estática se genera por fricción entre aislantes (electrización triboeléctrica). Suelos de plástico, moquetas, ropa de fibra sintética: los aislantes cotidianos se cargan con facilidad. Y no solo el cuerpo humano: también se cargan los objetos metálicos, incluidos equipos de producción, utillajes y herramientas.
Lo que determina cuánta carga se acumula es la humedad. El aire seco es un aislante excelente; con humedad alta el propio aire pierde poder aislante y la carga acumulada se disipa sola. Por eso hay tanta electricidad estática en los meses secos de invierno.
Cuando un objeto cargado toca un terminal de un equipo, la carga almacenada se descarga de golpe. Esa energía basta y sobra para destruir un dispositivo semiconductor.
No hay un único modelo de descarga: HBM y MM
El circuito equivalente de una descarga electrostática depende de qué es lo que se descarga. Hay dos modelos de referencia.
- Modelo de cuerpo humano (HBM: Human Body Model): descarga desde la punta del dedo de una persona cargada. La norma (ANSI/ESDA/JEDEC JS-001) fija C = 100 pF y R = 1,5 kΩ. Como la resistencia es grande, la forma de onda es una caída exponencial sin oscilación.
- Modelo de máquina (MM: Machine Model): descarga desde un objeto metálico cargado (equipo, utillaje). C = 200 pF, R ≈ 0 Ω. En una descarga metal-metal casi no hay resistencia, de modo que la inductancia del camino de descarga entra en resonancia y la forma de onda es una oscilación amortiguada.
En este artículo trabajamos con el MM, donde el efecto de la inductancia —la oscilación amortiguada— se aprecia con claridad en el circuito equivalente.
El modelo de máquina (MM): una descarga metálica como circuito equivalente
El modelo de máquina representa un objeto metálico cargado mediante un circuito C–R–L. La carga almacenada en el metal (C) se descarga de una vez a través de la resistencia (R) y la inductancia (L) del camino de descarga.
Qué significa cada elemento (modelo de máquina, MM):
- C (capacidad equivalente): representa la carga almacenada en el objeto metálico. El valor del MM es 200 pF.
- R (resistencia de descarga): en una descarga metal-metal apenas hay resistencia de camino. El valor del MM es 0 Ω (unos pocos ohmios en la práctica). Al ser pequeña, la corriente es grande y la respuesta resulta oscilatoria.
- L (inductancia equivalente): la inductancia del cableado del camino de descarga, del orden de 0,5 µH. Como R es casi nula, esta L resuena con C y produce la oscilación amortiguada: la esencia del MM.
- Interruptor: representa el instante en que el objeto metálico toca el terminal y comienza la descarga.
La forma de onda de la corriente de descarga es la respuesta de este lazo serie C–R–L.
A modo de contexto, el MM lo idearon originalmente fabricantes japoneses de semiconductores como el peor caso del modelo de cuerpo humano. Con una resistencia casi nula y, por tanto, una corriente muy grande, resulta más destructivo que el HBM a igual tensión de carga; por eso las tensiones de ensayo del MM se fijan en unos cientos de voltios, por debajo de los kilovoltios del HBM. Hoy el MM ya no forma parte de los ensayos obligatorios de cualificación de circuitos integrados (la JESD22-A115 pasó a inactiva en 2016; los obligatorios actuales son HBM y CDM), así que aquí lo tratamos como un modelo clásico para entender la física de la forma de onda.
La forma de onda de la descarga: oscilación amortiguada y amortiguamiento
La forma de onda del MM es la respuesta del circuito RLC serie formado por C, R y L. Su aspecto se divide en dos casos según si R es menor o mayor que la resistencia crítica 2√(L/C).
Con C = 200 pF y L = 0,5 µH, la resistencia crítica vale 2√(L/C) = 2√(0,5 µH / 200 pF) = 100 Ω.
- R por debajo de la resistencia crítica (la R ≈ 0 propia del MM): la resonancia L–C da una oscilación amortiguada. La frecuencia de resonancia es
1/(2π√(LC)) ≈ 16 MHz. - R por encima de la resistencia crítica: la oscilación desaparece y la respuesta pasa a ser una caída exponencial sin oscilación.
Lo temible del MM es que la resistencia sea casi nula. La impedancia del camino de descarga la fija sobre todo la impedancia de sobretensión √(L/C) = √(0,5 µH / 200 pF) ≈ 50 Ω, de modo que incluso con una tensión de carga de 200 V la corriente de pico alcanza 200 V / 50 Ω ≈ 4 A. A igual tensión circula una corriente muy superior a la del HBM (R = 1,5 kΩ), y lo hace en nanosegundos.
Por qué destruye los semiconductores
La puerta de entrada de un CMOS es un electrodo muy aislado cuyo dieléctrico es un óxido de solo unos pocos a unas decenas de nanómetros. Cuando la gran corriente de ESD atraviesa esa película, el calentamiento Joule localizado perfora el aislamiento en un punto concreto.
La capacidad destructiva del MM proviene de la magnitud de la corriente de pico y de lo rápido que sube. Al no haber prácticamente resistencia, la carga almacenada se libera de golpe. En términos de energía, E = ½ × C × V²: con C = 200 pF y V = 200 V, E = ½ × 200×10⁻¹² × (200)² = 4 µJ. Parece poco, pero se entrega en decenas de nanosegundos y va acompañada de varios amperios de pico: letal para un dieléctrico delgado.
Hay un problema añadido en equipos cuyo terminal de entrada va a un conector. Mientras el conector está sin acoplar, la entrada CMOS permanece muy aislada y se carga con facilidad, y la descarga ocurre justo en el instante del acoplamiento.
Cómo elegir dispositivos de protección contra ESD y sobretensiones
La medida básica frente a ESD y sobretensiones es recortar la tensión con un dispositivo de protección. Estos son los tipos principales.
Diodo TVS (Transient Voltage Suppressor)
Es un tipo de diodo Zener. Normalmente no conduce, pero en cuanto la tensión supera su tensión de recorte pasa a baja impedancia y absorbe el exceso. Su respuesta es extremadamente rápida —del orden de picosegundos—, de modo que afronta sobretensiones tan abruptas como las de ESD.
- Unidireccional: para sobretensiones en un solo sentido, como un diodo rectificador
- Bidireccional: también admite alterna y sobretensiones inversas. Muy usado para proteger líneas de señal
Varistor (ZNR / MOV)
Dispositivo cuya impedancia cae bruscamente al subir la tensión (resistencia dependiente de la tensión). Su característica es simétrica, así que funciona en ambos sentidos. Responde algo más lento que un TVS, pero absorbe más energía, lo que lo hace idóneo para proteger líneas de alimentación.
GDT (tubo de descarga de gas)
Absorbe la sobretensión mediante una descarga de arco en el gas encerrado. Su tensión de recorte es relativamente alta (decenas de voltios en adelante) y admite sobretensiones de gran corriente, como las de rayo. Se emplea en líneas telefónicas, sistemas de antena y similares.
Dónde colocar la protección y cómo razonarlo
Coloque el dispositivo de protección lo más cerca posible del terminal de entrada. La idea es recortar la sobretensión antes de que entre en la placa.
Además, para sacarle todo el partido hay que minimizar la inductancia de su camino de conexión. Si la pista desde el dispositivo hasta masa es larga, la caída L × di/dt anula lo que el dispositivo está haciendo. En descargas de subida rápida —de gran di/dt, como la del MM— esta inductancia de pista pesa especialmente.
La protección escalonada también funciona. Un GDT en la entrada del conector para grandes corrientes, más un TVS dentro de la placa para un recorte rápido y preciso, cubre tanto las sobretensiones grandes como las pequeñas.
Control de ESD en fabricación
Al margen de la protección del producto acabado, también importa el control de ESD durante la fabricación y el montaje. Como muestra el modelo de máquina, una descarga desde un equipo o un utillaje cargado produce una corriente de pico muy elevada. El terminal de entrada de un CMOS sigue muy aislado hasta que se cablea, y basta una carga pequeña para destruirlo.
Medidas básicas en planta:
- Cubrir la mesa de trabajo con una alfombrilla conductora y ponerla a tierra a través de una resistencia alta (del orden de 1 MΩ)
- Que los operarios lleven muñequera metálica, puesta a tierra del mismo modo
- Usar suelo conductor y calzado conductor (del orden de 0,1 a 100 MΩ, ya que una resistencia demasiado baja supone riesgo de electrocución)
- Emplear ionizadores para ionizar el aire y que la carga se disipe de forma natural
- Guardar y transportar los componentes en bolsas conductoras (bolsas ESD)
Se pone a tierra a través de una resistencia alta porque poner a tierra de golpe un objeto ya cargado dejaría circular una gran corriente y destruiría el dispositivo. La idea es drenar la carga despacio.
Resumen
- La electricidad estática se genera por fricción, y se cargan tanto las personas como los objetos metálicos (equipos, utillajes). Abunda en la estación seca de invierno
- El circuito equivalente de la ESD depende de la fuente: una persona es HBM (100 pF / 1,5 kΩ, caída exponencial); un objeto metálico es MM (200 pF / 0 Ω, oscilación amortiguada)
- Como en el MM R ≈ 0, la inductancia del camino resuena con C y aparece una oscilación amortiguada. Por encima de la resistencia crítica 2√(L/C) pasa a ser caída exponencial
- Con una resistencia casi nula, el MM alcanza corrientes de pico de varios amperios incluso a unos cientos de voltios: suficiente para destruir un dieléctrico CMOS delgado
- Coloque la protección (TVS, varistor, GDT) junto al conector, con el camino a masa más corto posible
- En la planta de producción, suelo conductor, muñequeras e ionizadores son imprescindibles
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