Control de la electricidad estática: A 50

Es bien sabido que la electricidad estática ha estado con nosotros desde siempre. Nuestra conciencia de los problemas asociados con la electricidad estática probablemente se originó con la invención de la pólvora cuando, sin duda, se produjeron algunas igniciones misteriosas durante las operaciones de mezcla química que no pudieron explicarse en ese momento.

La manifestación de los problemas de electricidad estática en un entorno industrial probablemente comenzó con la invención de la imprenta automática por parte de Gutenberg en 1440.1 La adherencia del papel y el velo (dos materiales diferentes) tenía que ser un problema. En algún momento, probablemente se observó que un fuego ardiendo en las cercanías de la imprenta podría mágicamente hacer que el papel fuera menos pegajoso. El tratamiento con llama se utilizaba entonces en imprentas industriales y en imprentas de periódicos hasta bien entrada la década de 1950, y quizás incluso más tiempo en algunas zonas.

El control estático se ha practicado durante mucho tiempo en municiones, pirotecnia moderna, procesamiento de petróleo y otras industrias que trabajan con materiales explosivos e inflamables. La conexión a tierra de herramientas, equipos y personal de proceso se ha practicado desde la época de Ben Franklin.

La industria con la que nos ocupamos principalmente hoy en día, la electrónica, no informó ningún problema significativo relacionado con la electricidad estática hasta finales de la década de 1960. Los cambios en los valores de resistencia de algunos envíos de resistencias de carbono parecen ser el primer problema reportado asociado con la electricidad estática en cualquier producto eléctrico o electrónico. El desarrollo de dispositivos semiconductores de óxido metálico (MOS) causó muchos problemas en los primeros días de la fabricación de productos electrónicos modernos. Los primeros avances en la tecnología de unidades de disco y en la fabricación de cabezales de lectura y escritura casi se paralizaron en las empresas debido a las consecuencias de los daños estáticos.

Nuestra revisión de la historia del control estático moderno comienza a finales de los años sesenta. Los primeros materiales utilizados para el control de la estática fueron plásticos conductores llenos de carbono y plásticos tratados orgánicamente que crearon materiales de baja carga (conocidos como materiales antiestáticos en ese momento). Estos materiales eran claramente diferentes en cuanto a requisitos de rendimiento y aplicación. Cuando estos tipos de materiales se utilizaron en combinación para empaquetar piezas electrónicas para almacenamiento y envío, se obtuvo un producto de empaque de control estático altamente efectivo. Pero esto sucedió con poca frecuencia debido a la competencia entre las empresas que fabricaban estos materiales.

Los sistemas de conexión a tierra para personas ya estaban disponibles, y los innovadores idearon nuevos conceptos en muñequeras y dispositivos de conexión a tierra para zapatos. Durante mucho tiempo se habían utilizado variedades de estos sistemas y conceptos en municiones y en instalaciones de procesamiento de productos químicos, pero eran algo engorrosos e incómodos de usar en la operación típica de ensamblaje de componentes electrónicos. Los nuevos diseños eran más livianos y más fáciles de usar, por lo que se convirtieron en la primera línea de control estático en la creciente industria electrónica.

Las superficies de trabajo especiales y los materiales para pisos comenzaron a ingresar al mercado a mediados de la década de 1970 y ayudaron a establecer lo que hoy conocemos como área de protección electrostática o EPA. Casi al mismo tiempo, entraron en el mercado estándares para aplicaciones militares y relacionadas con la defensa, lo que ayudó a respaldar el desarrollo de especificaciones industriales para el lugar de trabajo y los materiales de embalaje. Los daños a las piezas electrónicas se estaban convirtiendo en un importante problema de confiabilidad a finales de la década de 1970. De hecho, el primer Simposio EOS/ESD se convocó en Denver en 1979 para discutir los temas de la época, predominantemente aquellos relacionados con la electrónica militar.

Las innovaciones en materia de embalaje condujeron finalmente a la invención de películas transparentes de protección estática que se utilizan para fabricar bolsas protectoras contra descargas estáticas. A principios de la década de 1980, estos materiales cinematográficos se volvieron omnipresentes en toda la industria electrónica y la necesidad de una mayor estandarización de los embalajes electrónicos se hizo más obvia. En respuesta, surgieron varios grupos industriales en esa época. A la vanguardia estuvo la Asociación de la Industria Electrónica (EIA), que estableció el comité de Embalaje de Productos Electrónicos para Envío (PEPS). El Comité PEPS de la EIA finalmente redactó el borrador EIA-541–1988, Estándares de materiales de embalaje para artículos sensibles a ESD, el primer estándar comercial dedicado a los materiales de embalaje utilizados en el almacenamiento y envío de dispositivos electrónicos susceptibles a ESD.

La EOS/ESD Association, Inc. (ESDA) se formó en 1982, tras el éxito de los simposios iniciales de EOS/ESD. Los miembros fundadores de la ESDA creyeron ingenuamente que la Asociación y su Simposio anual serían necesarios sólo durante unos años, después de los cuales podrían disolverse. Pero resultó que este no fue el caso, y ahora se están trabajando en planes para el 44º Simposio EOS/ESD, actualmente programado para septiembre de 2022.

La ESDA formó su propio Comité de Estándares en 1982 e inmediatamente comenzó a trabajar en el Estándar #1, Muñequeras, ya que se consideraba la primera línea de protección en ese momento. Esa norma sirvió como base para el desarrollo de otras normas, métodos de prueba estándar, prácticas estándar y documentos de asesoramiento durante los siguientes 40 años que han ayudado a establecer especificaciones para la mayoría de los productos utilizados para la protección y mitigación estática. Y la aparición de operaciones automatizadas de manipulación y montaje ha requerido el desarrollo de nuevos estándares de control de ESD y métodos de prueba para gestionar la electricidad estática desarrollada dentro de dichos equipos.

En el período comprendido entre finales de los años 1980 y finales de los años 1990 se produjo una enorme cantidad de trabajo en materia de normalización. Casi todos los productos de control estático disponibles en la actualidad fueron objeto de algún nivel de actividad normativa durante ese período. Con el tiempo, muchos de los estándares, métodos de prueba, prácticas estándar e informes técnicos de la ESDA han sido revisados ​​y revisados ​​varias veces desde su publicación original. Hoy en día, el esfuerzo de desarrollo de estándares dentro de la ESDA sigue siendo fuerte, con la participación de 200 miembros activos en todo el mundo.

Durante el mismo período, la industria electrónica trasladó gran parte de sus actividades de fabricación a lugares de todo el mundo. Se establecieron grandes fábricas que empleaban a miles de personas para operaciones de montaje manual. Pero hubo una pronunciada curva de aprendizaje en los esfuerzos por producir alta confiabilidad en la fabricación de dispositivos (fabricas de obleas), el ensamblaje de placas de circuitos y el ensamblaje de equipos. Las grandes fábricas en el extranjero con una gran cantidad de empleados requerían una capacitación exhaustiva, una instalación masiva de productos y materiales de protección electrostática y viajes frecuentes del personal técnico y administrativo de la empresa para supervisar el control del producto y mantener la calidad.

El desarrollo de experiencia local para gestionar cuestiones de control estático se convirtió en una prioridad desde finales de la década de 1990 hasta principios de la década de 2000, y muchos de los miembros actuales de la Asociación ESD representan empresas y operaciones fuera de los EE. UU. Posiblemente, la organización de control estático de mayor alcance. La actividad de estándares ocurrió en 1995 cuando el Departamento de Defensa de los EE. UU. (DoD) pidió formalmente a la Asociación ESD que tomara la iniciativa en el desarrollo de un nuevo estándar de programa de control de ESD de última generación para usuarios comerciales y militares. Ese esfuerzo finalmente condujo a la introducción de ANSI/ESD S20.20–1999, Protección de piezas, conjuntos y equipos eléctricos y electrónicos (excluidos los dispositivos explosivos iniciados eléctricamente), que fue rápidamente adoptada por el Departamento de Defensa y varias ramas del ejército.

Alrededor del año 2000, DNV, un organismo de certificación ISO 9001, propuso que la ESDA adoptara un programa de auditoría de instalaciones en relación con ANSI/ESD S20.20, lo que eventualmente condujo al programa de certificación de instalaciones ESD. Hoy en día existen varios cientos de instalaciones certificadas en todo el mundo. Otros programas de certificación se desarrollaron posteriormente a ese esfuerzo inicial, en particular la certificación ESD Certified Professional Program Manager y la certificación ESD TR53 Certified Technician.

A medida que la industria electrónica creó estándares y materiales para controlar la electricidad estática, se necesitaron herramientas de medición para validar los materiales y evaluar los procesos de fabricación. El equipo de validación original normalmente consistía en un medidor de alta resistencia, llamado megger, y un medidor de campo electrostático. El megger fue diseñado para medir la resistencia a tierra (o aislamiento) del sistema eléctrico. Los voltajes típicos utilizados por primera vez para la medición fueron de 500 a 1000 voltios. A medida que se desarrollaron más los materiales para controlar la electricidad estática y los estándares para medirlos, los voltajes de medición de resistencia se revisaron a 10 y 100 voltios para crear una mayor sensibilidad de medición y ayudar a garantizar que los materiales y productos pudieran realizar su función prevista en una EPA.

La evaluación de materiales de control estático a baja humedad relativa también se ha convertido en un requisito para garantizar que el producto mantenga sus especificaciones y atributos de rendimiento en las condiciones de humedad ambiental más bajas esperadas. Se desarrollaron voltímetros electrostáticos junto con un dispositivo llamado monitor de placa de carga para medir la ionización.

El énfasis hoy en día, en comparación con los primeros días, se relaciona con el procesamiento electrónico automatizado. Es bien entendido que el personal debe estar conectado a tierra todo el tiempo cuando manipule artículos susceptibles desprotegidos. El cambio más significativo en la conexión a tierra del personal ha sido la mayor dependencia del calzado y los pisos. Millones de personas todavía utilizan muñequeras cada año, ya que son un requisito para las operaciones sentadas en los estándares de desarrollo del Programa de control de ESD ANSI/ESD S20.20 e IEC 61340-5-1, Electrostática-Parte 5-1: Protección de dispositivos electrónicos. de fenómenos electrostáticos – Requisitos generales.

Los métodos de prueba de calzado y pisos ahora tienen una importancia significativa ya que se requiere personal móvil para operar y mantener equipos de proceso automatizados y líneas de ensamblaje. La resistencia eléctrica a tierra y el voltaje del personal mientras está en movimiento son consideraciones importantes para la EPA moderna. La instrumentación para medir y registrar el voltaje en personas se ha convertido posiblemente en la herramienta más esencial en la caja de herramientas del profesional del control de ESD.

La prueba de la susceptibilidad de los dispositivos a eventos de ESD ha sido objeto de estandarización durante más de 50 años. Durante mucho tiempo existieron estándares industriales separados para la evaluación del modelo del cuerpo humano (HBM). Hoy en día, los requisitos y especificaciones de HBM se han armonizado en un único estándar armonizado de HBM gracias a un esfuerzo conjunto entre la Organización de Tecnología de Estado Sólido JEDEC y la ESDA.2

De manera similar, la susceptibilidad de los dispositivos durante el manejo automatizado se ha armonizado en un estándar de modelo de dispositivo cargado conjunto (CDM).3 El método de prueba de susceptibilidad a ESD conocido como modelo de máquina (MM) se ha abandonado como estándar de calificación de dispositivos ya que el mecanismo de daño es mucho Lo mismo que HBM, sólo que con un umbral más bajo.

Durante los últimos 5 a 8 años, se ha producido un mayor desarrollo para conectar las especificaciones de prueba de dispositivos y los niveles de susceptibilidad con lo que sucede en la fábrica durante la producción. Lo que se llama evaluación de procesos se ha convertido en una de las actividades importantes de la actividad de estandarización de ESDA. El esfuerzo consiste en proporcionar métodos y técnicas de prueba para la evaluación de cargas electrostáticas y eventos de ESD dentro de equipos de manipulación automatizados. Actualmente hay un informe técnico disponible4 y en 2021 se publicó una práctica estándar5.

Estos documentos, junto con nuevas herramientas de medición, como el voltímetro de contacto de alta impedancia y los dispositivos detectores de eventos, brindarán a los profesionales expertos herramientas valiosas y conocimientos para la evaluación de las capacidades de los equipos de manipulación automatizada. La pregunta "¿Qué nivel de sensibilidad/susceptibilidad del dispositivo puede manejar mi proceso?" Será más fácil responder utilizando los nuevos documentos y nuevas herramientas.

La física de la electrostática no ha cambiado a lo largo de las décadas, pero la capacidad de medir y proteger contra el fenómeno ciertamente sí. La ciencia y la innovación de los materiales han dado lugar a grandes mejoras en los productos utilizados para controlar la electricidad estática en el lugar de trabajo. Los estándares ESD y los métodos de prueba han aportado un nivel de comprensión a un área que alguna vez se consideró magia negra.

David Swenson ha sido miembro de la Asociación ESD desde 1984 y ha ocupado varios puestos clave de liderazgo en la Asociación a lo largo de su larga carrera. Ha recibido numerosos premios de la Asociación y de la industria por su trabajo, más recientemente el Premio en Memoria de David F. Barber Sr. del Simposio EOS/ESD en 2018. Swenson también es el coordinador del Grupo de Trabajo Conjunto 13 entre TC101 y TC40 (Condensadores y Resistencias).

John Kinnear es un ingeniero senior de IBM que se especializa en tecnología de procesos y sistemas, y en certificación de instalaciones de acuerdo con ANSI/ESD S20.20. Ha sido miembro de la ESDA durante más de 30 años. Kinnear también se desempeña como asesor técnico designado para el Comité Nacional de EE. UU./Comité técnico IEC 101, donde trabaja para respaldar la adopción internacional de ANSI/ESD S20.20.

David Swensoneos asociaciones esd historia john kinnear

Fundada en 1982, EOS/ESD Association, Inc. es una organización profesional sin fines de lucro, dedicada a la educación y la promoción de la tecnología de control y prevención de descargas electrostáticas (ESD). EOS/ESD Association, Inc. patrocina programas educativos, desarrolla estándares de medición y control de ESD, realiza simposios técnicos internacionales, talleres y tutoriales y fomenta el intercambio de información técnica entre sus miembros y otros.

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