La descarrega electroestatica (coneguda per les seves sigles en angles : electrostatic discharge, ESD ) es un fenomen electroestatic que fa que circuli un corrent electric sobtat i momentani entre dos objectes de distint potencial electric ; com el que circula per un parallamps despres de ser abastat per un llamp . El terme s'utilitza generalment en la industria electronica i altres industries per a descriure els corrents indesitjats i momentanis que poden causar dany a l'equip electronic.

Principals causes [ modifica ]

Per comprendre el proces de formacio d'aquest corrent cal considerar que un cos qualsevol esta format per un nombre indeterminat de molecules lligades entre si per forces d'atraccio i repulsio que els permet sostenir-se en equilibri sense que entrin en contacte. Sabem que l' electro es la mes petita quantitat d'agent electric, la particula elemental d'electricitat negativa. Sabem que aquests electrons tenen una estabilitat precaria a l' atom i poden abandonar la seva orbita a consequencia d'un xoc, friccio, commocio nuclear i moltes altres circumstancies.

Si tenim en compte que el cos huma actua de manera (positiva) i els electrons de manera (negativa) i que, a mes, dos cossos carregats en sentit oposat s'atreuen, es compren perque es produeix una descarrega en el dit quan es toca l'extremitat d'un objecte metal·lic, excel·lent conductor electric , carregat amb electrons, la virtut consisteix a acumular-se en les parts extremes o periferiques de les materies.

Com, d'altra banda, l'elevacio de temperatura afavoreix el despreniment d'electrons, o millor dit, l' electritzacio , el frec dels nuvols entre si o el de les capes d'aire sec, aixi com els frecs de frens i corretges del cotxe, incrementen considerablement la triboelectricitat .

Aquest tipus d' electricitat estatica es la principal causa de les descarregues electroestatiques, que es generen sovint a traves de l'electrificacio de contactes electrics o la separacio de carregues electriques que ocorre quan dos materials fan contacte i despres se separen. Els exemples d'aquest tipus inclouen caminar sobre una catifa, descendir d'un cotxe, o treure algun tipus d'empaquetatges de plastic. En tots aquests casos aquesta friccio entre dos materials carregats amb electricitat de diferent signe dona lloc a l'electrificacio i es crea aixi una diferencia de potencial electric que pot conduir a un esdeveniment de descarrega.

Una altra causa de les descarregues electroestatiques es la induccio electroestatica . Aquesta pot ocorrer quan un objecte electricament carregat es posa prop d'un objecte conductor aillat de terra. La presencia de l'objecte carregat crea un camp electroestatic que crea carregues electriques distribuides per la superficie de l'altre objecte. Encara que la carrega electroestatica neta de l'objecte no hagi canviat, ara tindra regions d'exces de carrega positives i negatives. Un esdeveniment d'ESD pot ocorrer quan l'objecte entra en el contacte amb una trajectoria conductora. Per exemple, les regions carregades en les superficies d' unicel de tasses o de bosses plastic poden induir un potencial en components sensibles propers d'ESD mitjancant el fenomen d'induccio electroestatica i la descarrega pot ocorrer si el component es toca amb una eina metal·lica.

Historia i antecedents [ modifica ]

Per a la majoria de les persones, l'electricitat estatica no es mes que la simple enrampada que s'experimenta en tocar la maneta metal·lica d'una porta despres d'haver caminat sobre una catifa, o d'haver-se lliscat al seient d'un automobil.

No obstant aixo, el camp de l'electroestatica va molt mes enlla, ja que ha estat un greu problema per la industria durant segles. A principis del segle  xv , els forts Europeus i del Carib usaven ja procediments de control i dispositius per evitar que les descarregues electroestatiques fessin explotar els magatzems de polvora negra. En la decada de 1860, aproximadament, les fabriques de paper dels EUA Usaven els aterraments basics, tecniques de ionitzacio de flama i tambors de vapor per dissipar l'electricitat estatica de les xarxes de paper quan passaven a traves del proces d'assecatge. Qualsevol negoci i proces industrial ha tingut en algun moment els seus propis problemes pel que fa a la carrega i descarrega electroestatica . Exemples clars poden ser la municio i els explosius, la farmaceutica, l'agricultura, la impressio i les arts grafiques, els textils, la pintura o els plastics. En tots ells, el control de l'electricitat estatica te una importancia significativa.

Amb l'arribada de l'era tecnologica, van apareixer tambe nous problemes en aquest ambit. Conforme els aparells electronics es feien mes rapids i petits, la seva sensibilitat respecte a les descarregues electroestatiques o ESD, es veia augmentada. Avui dia, les ESD tenen un impacte significatiu en cada un dels aspectes de l'electronica. ^[1]

Malgrat el gran esforc realitzat en l'ultim quart de segle, les ESD encara afecten el rendiment de la produccio, els costos, la fiabilitat del producte, etc. Els experts de les industries han estimat que la mitjana de perdues de producte relacionades amb l'electricitat estatica va des d'un 8% fins a un 33%.

Tipus [ modifica ]

La forma mes cridanera o espectacular d'una ESD es la "espurna", que passa quan un camp electroestatic fort crea un canal conductiu ionitzat per l'aire. Els seus efectes poden portar des d'un petit malestar sobre una persona, fins foc i explosions si l'aire conte gasos o particules combustibles, passant, evidentment, per causar seriosos danys sobre els equips electronics.

Moltes de les descarregues electroestatiques ocorren sense una "espurna" visible o audible, per exemple, una persona porta una carrega relativament petita i pot ser que no senti la descarrega, pero aquesta es prou potent per danyar components electronics molt sensibles. Aquests tipus de descarregues invisibles, poden causar fallades en els dispositius, i fins i tot degradar d'una forma mes passiva, els afecten a llarg termini i donant fe del dany quan ja ha avancat bastant el seu temps de vida.

Espurna o llamp [ modifica ]

L'" espurna " es dona quan la forca del camp electric supera la forca dielectrica de l'aire (aproximadament de 4 - 30 kV/cm). Aixo pot causar un rapid increment del nombre d'electrons i ions lliures en l'aire, provocant que l'aire es converteixi de sobte en un conductor electric mitjancant un proces anomenat "caiguda dielectrica".

El millor exemple d'una "espurna" natural, es la caiguda d'un llamp . En aquest cas, la diferencia potencial entre un nuvol i el terra, o entre dos nuvols, es de centenars de milions de volts. El corrent resultant que flueix per l'aire ionitzat provoca un alliberament d'energia de forma explosiva.

Les "espurnes" poden causar greus explosions a causa de les altes temperatures que s'assoleixen durant el seu desenvolupament. Un exemple d'aixo es el desastre del dirigible Hindenburg , que, despres de nombroses teories sobre com s'ha produit l'accident, aquest va ser atribuit a una descarrega electroestatica que va calar foc a uns panells tacats amb termit, un compost que es altament inflamable. L'aeronau havia passat per una tempesta on havia adquirit una gran carrega electroestatica. La descarrega va passar quan van anar a amarrar les cordes per aterrar a Nova Jersey el 1937.

Efecte corona [ modifica ]

L' efecte corona es produeix, per exemple, en els conductors de les linies d'alta tensio i es manifesta en forma d'halo lluminos al seu voltant. Ates que els conductors solen ser de seccio circular, l'halo adopta la forma de corona, d'aqui el nom.

La causa es troba en la ionitzacio de l'aire circumdant el conductor a causa dels alts nivells de tensio a la linia. En el moment que les molecules d'aire s'ionitzen, aquestes son capaces de conduir el corrent electric i part dels electrons passen de la linia a l'aire. Tal circulacio provoca un increment de temperatura en el gas, donant-li un color vermellos per a nivells baixos de temperatura o blavos per a nivells alts. Aixo provoca que es pugui quantificar la seva intensitat segons el color de l'halo.

El primer registre d'aquesta forma de descarrega electroestatica es el " Foc de Sant Elm ". En clima tempestuos a la mar, de vegades apareixien llums com flames vermelloses o blavoses a la part superior dels pals dels vaixells. Els mariners ho associaven amb una forma de proteccio i ho van nomenar en honor del seu patro, Erasme de Formia (Sant Elm).

Descarrega "raspall" [ modifica ]

Aquesta forma de descarrega electroestatica, es un tipus particular de descarrega corona, que te lloc entre dos electrodes incrustats en un medi no conductor i es caracteritza per febles i clares bifurcacions compostes per particules ionitzades.

Aquestes descarregues poden ocorrer entre plastics aillants carregats com el polietile i un conductor. L'energia maxima associada a una descarrega d'aquest tipus no sol superar els 4mJ podent ser inflamables pero es menys probable que provoquin la ignicio de l'aire que un altre tipus de descarrega entre dos conductors.

Fenomenologia [ modifica ]

• automobilistes i passatgers coneixen de sobres els efectes del fenomen "ESD" que es produeix quan toquen les extremitats de la porta o del maleter, amb la punta del capo o l'angle de qualsevol import de la carrosseria. Encara que la potencia d'aquesta descarrega sigui feble i no tingui perillositat, el subjecte es sensible a la seva manifestacio. S'han donat casos excepcionals d'automobilistes que, estant carregats els seus cossos d'electricitat estatica, han agafat la manega de combustible a l'estacio de servei i en anar a introduir el sortidor en el diposit s'ha desencadenat una espurna electroestatica que va acabar per incendiar la manega. Per evitar aquest succes tan perillos es recomanable que abans de fer provisio de combustible toquem una superficie metal·lica (com la porta del nostre cotxe) per descarregar-nos d'electroestatica.

• Siguin quines siguin les diferents formes de receptivitat humana, les reaccions son d'impotencia. Davant aquesta serie de fets, els mes previnguts, prudents o afectats compren petites cintes que incorporen generalment fils conductors metal·lics, i les col·loquen a la part posterior del vehicle, perque per aqui es pugui desprendre l'electricitat estatica. En termes sucintisims buidats de tot cientifisme, l'electricitat estatica es mes aviat triboelectricitat , es a dir, electricitat produida per contacte, frec, friccio o fregada (del grec "tribein", fregar). La seva existencia es coneguda des de la mes llunyana antiguitat i la medicina la utilitza des de fa dos segles per cuidar el sistema nervios.

• De tota manera, qualsevol persona que tingui cabell llarg pot apreciar, cada vegada que ho fa, com la fregada de la pinta atreu els cabells. Un altre exemple molt conegut es el de la pell dels gats que produeix triboelectricitat quan es passa els dits sobre ella: per la seva actitud, l'animal manifesta clarament la realitat del fenomen. En un cotxe no falten les fonts de triboelectricitat: "ferodos" o pastilles dels frens en friccio amb disc o tambors i corretges de ventilador/alternador, per citar nomes les dues principals.

En la industria electronica [ modifica ]

Les descarregues electroestatiques son un serios perill per a l'electronica d'estat solid, ja que poden inutilitzar dispositius electronics. Els circuits integrats es fabriquen amb materials semiconductors com el silici i amb materials aillants com el dioxid del silici. Qualsevol d'aquests materials pot sofrir dany permanent quan s'exposa a petites carregues electriques.

La prevencio d'ESD es realitza mitjancant una area de proteccio electroestatica (EPA). L'EPA pot ser una estacio de treball petita o una area gran de fabricacio. El motiu principal d'un EPA es aquest: no estar carregant altament el material al voltant de l'electronica sensible a ESD, posar a terra tots els materials conductors i posar a terra als treballadors. Aixi l'acumulacio de la carrega en electronica sensible d'ESD s'evita. A l'hora de planificar i dissenyar un EPA (area de proteccio electroestatica) es essencial la utilitzacio de materials conductors. La primera i mes essencial unitat de proteccio EPA per protegir el material electronic exposat a sofrir danys per descarregues electroestatiques es tot aquell element que estigui en contacte directe amb el material a protegir. Per aixo, la manipulacio, transport i emmagatzematge s'ha de realitzar utilitzant productes fabricats amb materials conductors.

Els sistemes d'emmagatzematge fabricats en plastic conductiu son un bon exemple de producte creat especificament amb aquesta comesa. Per aixo se li afegeix al polipropile copolimer ( PPC ) amb el qual estan fabricats un additiu conductiu: el carbo black. Aixo, a mes d'atorgar-li un caracteristic color negre, els confereix una resistivitat superficial especifica que permet derivar a terra les carregues electroestatiques. D'aquesta forma es poden emmagatzemar, transportar i manipular de manera segura circuits , targetes , plaques , etc

Caracteristiques tecniques de caixes conductives [ modifica ]

• Material de base: Polipropile copolimer (PPC)
• Additiu conductiu: Carbo black
• Color: Negre
• Densitat a 23 °C: 1,04 g / cm³
• Punt d'estovament Vicat: 154 °C ISO 306
• Temperatura d'utilitzacio: 80-100 °C (permanent) 100-120 °C (temps breu)
• Resistencia electrica de la superficie: <104 Ω cm (mesurat d'acord amb EN 61340-20 °C amb electrode anul·lar 5 cm ² )
• Resistivitat especifica: 4 Ω cm (mesurat d'acord amb 20 °C amb electrode anul·lar 5 cm²)
• Envelliment: no hi ha disminucio de conductivitat (en 7 anys de servei)
• Excel·lent resistencia als raigs UV
• Resistencia a agents quimics: optima (segons classificacio PP generalment valida)

Els estandards internacionals que s'utilitzen per definir els EPA tipics i es poden trobar a les normes de la Comissio electrotecnica internacional ( IEC ) o de l' American National Standards Institute ( ANSI ).

Control i prevencio [ modifica ]

Per poder prevenir les descarregues electroestatiques, es important coneixer que les provoca. Normalment, els materials del lloc de treball poden ser dividits en 3 categories: ESD generadors, ESD neutrals i ESD dissipadors (o ESD conductors):

• Els ESD generadors son generadors actius d'electricitat estatica, com ara plastics, pel d'un gat, o roba de poliester.
• Els materials ESD neutrals son normalment aillants, pero no tendeixen a mantenir la carrega estatica. Alguns exemples poden ser la fusta, el paper o el coto. Aixo no vol dir que no puguin provocar una descarrega electroestatica, pero si que el risc es minim.
• Els ESD conductors, son molt obvis, eines de metall i altres objectes. Els manecs de plastic poden ser un problema, ja que el metall passara la carrega estatica tan rapid com es genera si esta sobre una superficie. Existeixen molts altres materials, com alguns plastics, que tambe entren en aquest grup, fins i tot la bruticia i el formigo, poden entrar-hi.

Hi ha moltes activitats que generen electricitat estatica, per la qual cosa cal anar amb compte i mantenir un pla de control de les ESD. El senzill acte d'agafar cinta d'un dispensador pot generar un voltatge prou gran. Girar al voltant d'una cadira o qualsevol activitat que permeti que 2 superficies siguin fregades una contra l'altra pot generar electricitat estatica.

Hi ha diverses formes d'implementar una proteccio contra les ESD de forma correcta. Es poden agrupar en les seguents arees: ^[2]

• Proteccio contra les ESD en el disseny i acoblament de circuits. La proteccio s'ha d'implementar en la circuiteria per tal que els circuits electronics puguin suportar descarregues en el seu temps d'us normal. Aixo es especialment important en les connexions de caracter extern. Tambe cal que els subacoblaments i les plaques tinguin algunes mesures contra les ESD per quan calgui manejar o tractar amb elles.

• Equip de muntatge i testeig en una EPA (Electrostatic Protection Area). Quan es munten dispositius electronics, cal que els components siguin manejats de manera que no siguin exposats a les ESD. Avui dia, la majoria de les companyies tracten tots els components com a sensibles a l'electricitat estatica, per la qual cosa s'utilitzen estrictes controls a les EPAs per proporcionar un entorn protegit contra ESD. L'us d'aquestes EPAs s'ha convertit en un estandard en qualsevol produccio de components electronics, actualment.

• Emmagatzematge de components en una area controlada (ESD controlled area). No nomes es necessari assegurar la proteccio contra ESD en el muntatge i acoblament dels dispositius, sino que tambe s'ha d'assegurar que tots els components son emmagatzemats i transportats amb aquesta proteccio implementada.

• Introduccio d'un control de ESD. La instal·lacio d'equips i la creacio d'un entorn dissipador d'estatica es el primer pas per crear una area de proteccio contra la ESD, pero tambe es necessari introduir una serie de procediments correctes i proporcionar formacio als empleats. Nomes quan el personal comprengui perfectament els principis per prevenir la ESD, l'area de proteccio podra funcionar amb total seguretat.

A mes d'aquestes formes de proteccio, tambe hi ha dispositius fisics creats especialment per a la prevencio de la ESD. Son els anomenats, dispositius antiestatics. Un dispositiu antiestatic te com a objectiu reduir la carrega d'electricitat estatica en el cos d'una persona o en el seu equip d'aquesta manera ajuda a prevenir des de petits danys fins a foc o explosions quan s'esta treballant amb liquids o gasos inflamables. Alguns exemples poden ser les polseres antiestatiques amarrades a terra que es posen els tecnics quan treballen a les estacions de treball, bosses per guardar dispositius com les que porten les targetes grafiques o els discs durs, tapets per teclats, ratolins, etc.

Normativa [ modifica ]

Hi ha diverses normatives usades actualment, que inclouen les normes europees EN 100015, EN61340-5-1, i la norma americana ANSI/ESD 20:21.

La A 61340-5-1 ha superat ara a l'EN 100015, i es l'estandard principal a Europa.

l'ANSI/ESD 20:20 s'utilitza principalment a America del Nord. Els fabricants que encara usen la EN10015 s'han de posar al dia amb l'EN 61340-5-1 tan aviat com els sigui possible.

La ESDA desenvolupa l'estandard S20.20 que a mes es suportat per ANSI i conegut com a estandard ANSI ESD S20.20. Aquest cobreix tots els requisits per al disseny, establiment, implementacio i manteniment d'un programa complet de control de ESD. El naixement d'aquest estandard te el seu origen en el que, tradicionalment, eren els militars els que desenvolupaven les especificacions i mesures per al control de la ESD en la seva EUA. No obstant aixo, amb el pas del temps es van centrar mes a buscar una comercialitzacio dels seus estandards que en desenvolupar-ne de nous. Va ser llavors quan el Departament de Defensa va demanar a la ESDA que convertis el MIL-STD-1686 en un estandard comercial, l'ANSI/ESD S20.20

Pero aixo va ser fa gairebe 30 anys. Els estandards actuals de la ESDA, estan dividits en tres grups principals:

• Els que proveeixen d'un programa de control de ESD i els seus requisits. Aixo inclou documents com ANSI ESD S20.20-2007-Standard of the Development of an ESD Control Program, ANSI/ESD S8.1-Symbols-ESD Awareness, o ESD TR20.20-ESD Handbook.
• Els que cobreixen els requisits per a productes i procediments especifics. Alguns dels estandards tipics d'aquest grup son: ANSI/ESD S6.1-Grounding i ANSI/ESD S541-P ackaging Materials for ESD Sensitive Items.
• Els que estableixen estandards per als metodes de prova i avaluacio de productes i materials. Un exemple d'aixo pot ser ANSI/ESDA-JEDEC JS-001-2010-Device Testing, Human Body Model. ^[3]

Vegeu tambe [ modifica ]

• Enrampada electrica
• Generador electroestatic
• Llei de Coulomb
• Carrega electrica
• Bracalet antiestatic
• Electricitat estatica

Referencies [ modifica ]