FIUBA 20081 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 4-c.

Presentación del tema: "FIUBA 20081 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 4-c."— Transcripción de la presentación:

1 FIUBA 20081 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA Juan C. Fernandez 4-c

2 FIUBA 20082 Mecanismos de acumulación estática de carga en objetos Inducción electrostática. No hay contacto entre objetos. Un objeto cargado genera un campo eléctrico que induce el desbalance de carga sobre el objeto en estudio. La carga neta del objeto en estudio no se altera. Triboelectricidad. Se produce un desbalance de carga por contacto con otro objeto. En este proceso puede haber transferencia de carga. Triboelectricidad Se llama carga triboeléctrica a la carga obtenida por contacto y posterior separación, que involucra el intercambio de electrones. Prácticamente todos los materiales son triboeléctricos. Por ejemplo, las personas se cargan por roce y/o contacto en la mayoría de las situaciones. La carga de un cuerpo está asociada con un potencial electrostático respecto de tierra a través de la capacidad del cuerpo. La humedad del ambiente colabora a descargar los cuerpos cargados triboeléctricamente. MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) Etapas en la descripción: Mecanismos de acumulación estática de carga en objetos. Mecanismos de descarga de la carga acumulada. Mecanismos de falla de dispositivos ante pulsos de carga. La descarga electrostática es el fenómeno de transferencia de carga entre objetos a potenciales electrostáticos diferentes. ESD Medio de generación de cargaHumedad ambiente 10 - 25%65 - 90% Caminar sobre carpeta35000 V1500 V Caminar sobre piso de vinilo12000 V250 V Trabajador en banco de trabajo6000 V100 V Tomar bolsa de polietileno de banco de trabajo20000 V1200 V Sentarse en silla con espuma de (poli)uretano18000 V1500 V

3 FIUBA 20083 MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) La cantidad de carga transferida por efecto triboeléctrico depende de la separación de los materiales en la serie tribológica: Máximo PositivoCuerpo Humano Vidrio Mica Nylon Lana Plomo Aluminio Papel 0 --------------------ALGODÓN Madera Acero Níquel-Cobre Goma Poliester PVC Silicio Máximo NegativoTeflón Si dos de estos materiales se ponen en contacto, el más alto en la serie cederá electrones al otro, cargándose positivamente (mientras que el otro material adquirirá una carga negativa). Cuanto más separados se hallen los materiales mayor es la transferencia de carga, y por lo tanto, se genera una diferencia de potencial mayor. Se observa que el cuerpo humano es el material más tribo-positivo de la serie.

4 FIUBA 20084 Mecanismos de descarga de la carga acumulada Efectos de contacto superficial: involucran la rugosidad de las superficies, la fuerza de contacto y el calor causado por la fricción o frotamiento entre las superficies. Estos factores modifican la cantidad de área superficial de contacto durante el proceso. Cuanto mayor sea el área de la superficie de contacto mayor será generalmente la transferencia neta de carga triboeléctrica. El área efectiva de contacto es menor cuanto mayor sea la rugosidad de las superficies, pero aumenta al aumentar la fuerza o presión del contacto. La fricción también aumenta el área efectiva, al generar calor y deformar las superficies. El calor debido a la fricción puede aumentar la formación de enlaces químicos entre especies de ambas superficies, lo que produce un fenómeno de adherencia. Al separar las superficies algunos de estos enlaces químicos se rompen, y otros permanecen. En ambos casos puede haber una transferencia neta de carga. La probabilidad de ruptura de un enlace químico depende de su función trabajo. Mecanismos de descarga de la carga acumulada Efectos de contacto superficial (cont.): La transferencia triboeléctrica de carga por adherencia se puede verificar con una cinta adhesiva común de base a celulosa, que tiene una fuerte adherencia superficial y una gran superficie de contacto, por lo que se carga considerablemente al desplegarla o al quitarla. Durante el desplegado el elemento fundamental es la diferencia entre el material base, que es celulosa y el adhesivo, que habitualmente está basado en goma. La separación de estos elementos en la serie tribológica indica que habrá una transferencia de carga. Se obtienen diferencias de potencial de 20 KV o más en este tipo de cinta. Este efecto es de importancia práctica en el empaque de chips sensibles y circuitos impresos. También la adherencia de partículas de polvo a cintas adhesivas cargadas puede crear contaminación en ambientes limpios, por ejemplo, en la industria de circuitos integrados. Se fabrican actualmente cintas antiestáticas para evitar estos problemas. MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)

5 FIUBA 20085 Mecanismos de descarga de la carga acumulada (cont.) Reglas Prácticas Regla de Cohen: cuando se frotan dos materiales entre sí, el que tiene la permitividad más elevada se carga positivamente. Ecuación de Beach: La carga superficial adquirida por frotamiento es función de las permitividades relativas de los objetos que se frotan. Mecanismos de descarga de la carga acumulada (cont.) Función trabajo La función trabajo es una propiedad que mide la habilidad de un material de mantener sus electrones. Cuanto mayor es la función trabajo, más difícil es que el material ceda electrones durante el contacto. Reflujo de carga La transferencia de carga realizada durante el contacto por los mecanismos descriptos puede revertirse en parte durante la separación. Este proceso se conoce como reflujo de carga, y reduce la transferencia neta de carga triboeléctrica. Ruptura gaseosa Durante la separación puede ocurrir una ruptura gaseosa, porque la rugosidad de la superficie se traduce en valles y picos a escala microscópica. En los picos el campo eléctrico puede ser lo suficientemente intenso para producir efecto corona y eventualmente la ruptura de las moléculas del aire durante la separación. Este proceso puede producir una transferencia neta de carga de una superficie a la otra a través del plasma formado en el aire. La transferencia depende de la distancia de separación entre las superficies y de las presiones parciales de las distintas especies en el gas. MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)

6 FIUBA 20086 Mecanismos de descarga de la carga acumulada (cont.) Sin contacto galvánico Cuando no hay contacto, la descarga se produce por ruptura dieléctrica del gas, normalmente aire, que hay entre los objetos. Estas descargas se dan tanto en CC como en CA.  Un arco se produce a bajas tensiones y altas corrientes (la soldadura de arco emplea fuentes de unos 10 V y 10 kA) generando un alto calentamiento.  Una chispa ocurre en el caso inverso, es decir, altas tensiones y bajas corrientes, como en algunos casos de ESD.  Una descarga luminiscente se produce en situaciones de alta presión (o muy alto campo) cuando los electrones reciben suficiente energía para emitir radiación luminosa en sus choques con los átomos o moléculas del gas en el que se hallan.  Una corona es una descarga incipiente, que se produce cuando hay una ruptura dieléctrica localizada debido a un campo que supera sólo localmente al campo de ruptura del gas. El resto de la región presenta campos que no superan el valor crítico y no se produce entonces un arco o chispa. MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD)

7 FIUBA 20087 Modelos de descarga en ESD La energía de una descarga electrostática se puede acoplar al circuito víctima mediante acoplamiento resistivo (contacto directo), capacitivo, inductivo y radiación de campo cercano (cuando no hay contacto). Para chequear la susceptibilidad de dispositivos a la ESD se han desarrollado varios modelos y normas de procedimiento. Todos los métodos de prueba modelan la descarga con un circuito para definir el voltaje máximo que puede soportar el dispositivo a testear ante un evento de ESD. MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) Este circuito consiste de una fuente de alta tensión de salida variable que carga el capacitor C a través de una resistencia de valor alto R. Cambiando de posición la llave S, el capacitor se descarga a través de la impedancia Z sobre el circuito a testear. Los valores de R, C y Z dependen del modelo usado. R Fuente de HT Dispositivo a testear C S Z

8 FIUBA 20088 Modelos de descarga en ESD (cont.) MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) La forma de onda de la corriente de descarga es habitualmente una caída precedida de algunas oscilaciones. El tiempo de caída y la amplitud de las oscilaciones dependen de la impedancia de descarga. Precursor 1 a 3 ns t (ns) I (A) 10 100 1 El testeo debe hacerse sobre todos los pines o conectores del dispositivo o circuito a probar susceptibles a una posible descarga del tipo testeado durante su montaje y/o uso, variando la tensión de la fuente desde cero hasta el valor que presenta falla. El mínimo valor de tensión de falla entre todas las configuraciones de conexión probadas determina la clase del dispositivo bajo el particular modelo de prueba usado. En la figura se muestra una forma de onda típica. Existe habitualmente un pico precursor (y a veces varios, formando una oscilación inicial) que depende de la parte capacitiva en la impedancia de la fuente de ESD. Esta forma de onda da un espectro de frecuencias de hasta 300 MHz, lo que requiere técnicas de desacople en alta frecuencia además de la protección estática o de baja frecuencia.

9 FIUBA 20089 Modelos de descarga en ESD (cont.) MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) HBM (Human Body Model) El modelo más antiguo y más común es el Modelo de Cuerpo Humano, que simula la descarga desde un cuerpo humano por contacto. En este modelo R = 1-10 M , C = 100 pF, y la impedancia de descarga en serie con el dispositivo a testear es puramente resistiva: Z = 1.5 K . El ensayo con este modelo permite hallar la susceptibilidad del dispositivo en testeo. Por ejemplo, en la norma británica HBM-ESD STM5.1-1998 de la ESD Association: El tiempo de caída al 36.8% de la corriente pico es del orden de 150 ns y las oscilaciones son habitualmente menores del 10% del valor pico. Este modelo proviene del siglo XIX. Luego fue adoptado por normas militares y civiles dado que la situación más común de ESD se da en la manipulación humana de objetos. ClaseRango de voltaje aceptableClaseRango de voltaje aceptable Clase 0< 250 VClase 22000 V a 4000 V Clase 1ª250 V a 500 VClase 3A4000 V a 8000 V Clase 1B500 V a 1000 VClase 3B  8000 V Clase 1C1000 V a 2000 V

10 FIUBA 200810 Modelos de descarga en ESD (cont.) MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) MM (Machine Model) En el Modelo de Máquina se simula la descarga desde un objeto conductor, como una herramienta o dispositivo de anclaje metálico. Este modelo se originó en el Japón como modelo de peor caso en la manipulación de dispositivos. En este modelo R > 10 M , C = 200 pF, y la impedancia de descarga en serie con el dispositivo a testear es nula o se usa un inductor de L = 0.5  Hy, que limita la amplitud del pico precursor inicial de corriente. La siguiente tabla, de la norma ANSI/ESD-S5.2-1994 da la clasificación de acuerdo al Modelo de Máquina: ClaseRango de voltaje aceptableClaseRango de voltaje aceptable Clase M0< 25 VClase M3200 V a 400 V Clase M125 V a 100 VClase M4400 V a 800 V Clase M2100 V a 200 VClase M5  800 V

11 FIUBA 200811 Modelos de descarga en ESD (cont.) MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) CDM (Charged Device Model) El modelo de dispositivo cargado simula la descarga generada por el propio dispositivo cuando se ha cargado previamente. Esta carga puede generarse, por ejemplo, en el deslizamiento en una línea de producción automática. El posterior contacto con alguna herramienta o sujetador metálicos produce la descarga. Un método en uso actual coloca el dispositivo sobre una placa metálica con sus pines hacia arriba, lo carga y finalmente lo descarga. C 1 es la capacidad parásita del dispositivo a tierra, C 2 la capacidad distribuida entre el dispositivo y la placa de tierra, L la inductancia parásita del dispositivo y sus elementos de conexión, y la resistencia de 1  es la del medidor de corriente. >10 M  C1C1 Fuente de HT Dispositivo a testear Placa de tierra C2C2 L 11 Descarga

12 FIUBA 200812 Un componente está adecuadamente caracterizado si se ha clasificado según estos tres modelos (u otros equivalentes). Por ejemplo, un dado dispositivo puede tener los siguientes datos: Clase 1B (500 – 1000V, HBM), Clase M1 (25 – 100V, MM), Clase C3 (500 – 1000V, CDM). Estas clasificaciones se deben tomar como guía de acción, no como valores absolutos, dado que los eventos ESD son mucho más complejos que los modelos utilizados para describirlos, y constituyen solamente una parte de los programas de control y protección contra ESD. Además, estos modelos sólo analizan la descarga. Los programas preventivos deben tener en cuenta además mecanismos para evitar la carga triboeléctrica de operadores, herramientas, dispositivos y objetos auxiliares. Modelos de descarga en ESD (cont.) MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) CDM (Charged Device Model) La siguiente tabla, de la norma EOS/ESD-DS5.3-1993 da la clasificación de acuerdo al Modelo de Dispositivo cargado: ClaseRango de voltaje aceptableClaseRango de voltaje aceptable Clase C0< 125 VClase C3500 V a 1000 V Clase C1125 V a 250 VClase C41000 V a 2000 V Clase C2250 V a 500 VClase C5  2000 V

13 FIUBA 200813 Daños por descargas ESD MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) Falla catastróficaDestrucción, daño permanente. Defecto latente Daño no observable. Disminución de tiempo de vida útil, disminución de la performance, falla esporádica o intermitente. Susceptibilidad a descargas ESD La posibilidad de daño de un evento ESD sobre un dispositivo sensible está determinada por la habilidad del dispositivo para disipar la energía de la descarga o soportar los niveles de voltaje involucrados. Susceptibilidad de componentes electrónicos a ESD Tipo de dispositivoSusceptibilidad a ESD (V) VMOS30 – 1200 Mosfet. GaAsfet, EPROM100 - 300 JFET150 - 7000 OP-AMP190 - 2500 Diodos Schottky300 - 2500 Resistores de película300 - 3000 TTL Schottky1000 - 2500

14 FIUBA 200814 Técnicas de protección MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) Ambiente de producción Superficies disipativo-estáticas Conexiones a tierra Enlaces equipotenciales Ropa y herramientas adecuadas Control de humedad ambiente Técnicas de empaquetado Protocolos de operación y control Auditoría y entrenamiento

15 FIUBA 200815 Técnicas de protección MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) Ambiente de uso Aislación dieléctrica Una aislación adecuada puede prevenir descargas de ESD. Sin embargo, todo ensamble aislador tiene juntas, agujeros, etc., por los que se pueden desarrollar descargas. Blindaje El blindaje evita que las corrientes de ESD ingresen al circuito protegido, aunque no evita la descarga. Filtrado en líneas de señal Los filtros impiden el pasaje de señales de interferencia conducida, pero degradan la performance (ancho de banda) del circuito. Supresión de transitorios Fundamentalmente en base a diodos zener, tiene mejor respuesta en frecuencia que el filtrado. Aislación galvánica Suprime el contacto entre partes del circuito (transformadores, acoples ópticos, etc.). Buena protección pero más costosa. Protección del usuario Instrucciones de uso

16 FIUBA 200816 NORMAS MODELOS EN COMPATIBILIDAD ELECTROMAGNETICA 4 DESCARGA ELECTROSTATICA (ESD) CE EN100015 - Protection of Electrostatic Sensitive Devices. USA ANSI-STM5.1-2001-2-2004rev – Human Body Model. Component level ANSI-ESDSTM5.2-1999 – Machine Model. Component level ANSI-ESDSTM5.3.1-1999 – Charge Device Model. Component level. ANSI EOS/ESD S6.1-1991: Grounding—Recommended Practice. MIL-STD-1686C: ESD Control Program for Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies, and Equipment (excluding Electrically Initiated Devices). MIL-HDBK-236B: ESD Control Handbook for Protection of Electrical and Electronic Parts, Assemblies, and Equipment (excluding Electrically Initiated Explosive Devices). Guía de buenos procedimientos.