Los plásticos y elastómeros son excelentes aislantes eléctricos. Por defecto, simplemente no conducen electricidad en su estado de material a granel inalterado. La gran mayoría de los productos seguros para la ESD (o disipadores de estática), como revestimientos, ropa y productos especializados para el manejo de la ESD, están basados en polímeros.
Pero por naturaleza, un producto no puede ser a la vez aislante y seguro contra descargas electrostáticas (ESD) por razones que se aclararán. Entonces, ¿qué es lo que hace que algunos polímeros sean aislantes, mientras que otros se clasifican como seguros contra la ESD o incluso eléctricamente conductores?
En este artículo, examinaremos qué hace que un producto ESD sea seguro y, de igual importancia desde una perspectiva industrial, veremos los estándares para definir y calificar un producto ESD seguro.
Efectos de la ESD (descarga electrostática)
Solo para recordarle, la ESD, o descarga electrostática, es la descarga eléctrica entre un objeto con carga estática y otro objeto con un potencial diferente.
Un ejemplo con el que puede estar familiarizado es el caso de caminar sobre un piso alfombrado con un par de tenis y tocar una puerta. Si experimentó una carga triboeléctrica mientras caminaba por el piso, es posible que haya sentido un golpe en los dedos cuando agarró la manija de la puerta de metal.
Ese fue la descarga de la ESD, y aunque es molesto cuando te pega la descarga de la manija de una puerta, las consecuencias que surgen de la ESD en un entorno industrial como el mantenimiento de aviación o el trabajo de ensamblaje electrónico van desde ser económicamente costosas (en el mejor de los casos) hasta potencialmente catastróficas.
Esas descargas que siente en la piel cuando tocas la manija de una puerta son de un voltaje bastante significativo (pero afortunadamente un amperaje pequeño y no letal). Si siente la descarga en la piel, significa que la descarga ESD ha sido de al menos 2000 a 3000 voltios.
Sin embargo, los componentes electrónicos, como los transistores y los circuitos integrados, son significativamente menos tolerantes a los voltajes, incluso a baja corriente. Un voltaje de solo 10 voltios de electricidad estática puede destruir los transistores en un chip. Eso es muy pequeño comparativamente hablando. Y es por eso que existe el control de ESD: para brindar protección permanente incluso contra las descargas más leves.
El daño por la ESD generalmente ocurre a partir de tres tipos principales de eventos:
- Descarga al dispositivo (desde el cuerpo)
- Descarga del dispositivo (cuando el dispositivo se carga a través del contacto con el embalaje y las superficies)
- De carga inducida por campo (de campos estáticos regionales).
Estas descargas traen otro riesgo de las propias chispas. El hardware no solo está en riesgo por los arcos eléctricos causados por daños por la ESD, sino que los arcos son una fuente potencial de ignición, que puede ser catastrófica en un entorno con vapores explosivos, líquidos e incluso partículas sólidas como el polvo de carbón.
A nadie le gustan los eventos de descargas electrostáticas, por lo que ha surgido toda una industria con sus propios estándares de gobierno para controlar los daños por la ESD.
Estándares Y Definiciones de la ESD
Existe una variedad de estándares que rigen la gestión e implementación de materiales seguros contra la ESD. Pero antes de eso, debemos definir qué es exactamente un material seguro contra la ESD en el contexto más amplio de la resistividad superficial.
Convenientemente, hay un estándar que también define esto, y este es la ESD ADV1.0-2017, que es publicado por la Asociación de Descarga Electrostática (ESD). [1] El título completo del documento es "Aviso de la Asociación de la ESD para la terminología de descarga electrostática - Glosario", y define los conductores, aisladores y materiales seguros para la ESD en términos de su resistividad superficial (y volumétrica).
La asociación define la resistividad superficial en el glosario así:
“Para la corriente eléctrica que fluye a través de una superficie, la relación entre la caída de voltaje de CC por unidad de longitud y la corriente superficial por unidad de ancho. En efecto, la resistividad superficial es la resistencia entre dos lados opuestos de un cuadrado y es independiente del tamaño del cuadrado o de sus unidades dimensionales. La resistividad superficial se expresa en Ω/cuadrado”.
O, dicho de otro modo, la resistividad superficial es la resistencia a la corriente de fuga a lo largo de la superficie de un material aislante. Cuanto mayor sea el valor de la resistividad de la superficie, menor será la corriente de fuga y menos conductivo será el material.
Tenga en cuenta que la resistividad se describe como independiente del tamaño de la muestra. Esto se debe a que la resistividad es una propiedad del material, a diferencia de la resistencia, que es una propiedad de la geometría de un objeto y depende del tipo de material. Las galgas extensiométricas demuestran bastante bien la relación entre la geometría y la resistencia.
La ESD ADV1.0-2017 divide los materiales en tres categorías según su resistividad superficial:
- Material conductor: un material conductor es aquel que tiene una resistividad superficial de menos de 1 x 10E5 Ω/cuadrado, o una resistividad de volumen de menos de 1 x 10E4 Ωcm. Los conductores permiten que los electrones fluyan rápidamente a través de la superficie o a través del volumen del material. Para usar una analogía automotriz, un material conductor es similar a una pista de carreras con autos rápidos que se desplazan sin obstáculos por los límites de velocidad o el tráfico.
- Disipador de estática (seguro para la ESD): un material disipador de estática tiene una resistividad superficial de al menos 1 x 10E5 Ω/cuadrado, pero menos de 1 x 10E12 Ω/cuadrado. En términos de resistividad de volumen, un material disipador estático cae en el rango de 1 x 10E4 Ωcm y 1 x 10E11 Ωcm. La carga fluye más lentamente con materiales disipadores de estática. Cuando se produce un arco, tiene menos energía cuando intenta llegar a tierra. Esto es lo que desea cuando protege los dispositivos contra daños por la ESD. Volviendo a nuestras analogías automotrices, se puede pensar en un material disipador de estática como un viaje en el tráfico normal, con todas las limitaciones que conlleva.
- Materiales aislantes: Un material que tiene una resistencia superficial o una resistencia volumétrica igual o superior a 1 x 10E11 Ω. Los plásticos son aislantes. Tienen una alta resistencia eléctrica y la carga no fluye a través del material. Esto se puede cambiar mediante la adición de partículas conductoras en el plástico base. Si un material aislante tuviera un escenario de conducción equivalente, estaría atascado en el tráfico en la hora pico, sin rampa de salida para salir de la autopista.
En resumen, para ser clasificado como un material seguro contra la ESD, la resistencia superficial de ese material debe estar dentro del rango de 1x 10E5 Ω/cuadrado y 1x 10E11 Ω/cuadrado según ESD ADV1.0-2017.
Y esa clara definición ilustrada en el gráfico anterior muestra por qué, desde un punto de vista regulatorio, un material solo puede existir como conductor, aislante o material disipador de estática (seguro para la ESD). La resistividad existe como un espectro y, en este contexto, un material solo puede existir en un punto de ese espectro.
ANSI/ESD S20.20
Ahora que hemos definido los materiales en términos de su valor de resistividad superficial, echemos un vistazo al conjunto principal de estándares que determina si un producto, como un revestimiento, es realmente seguro contra descargas electrostáticas (ESD). El conjunto más reciente de estándares comerciales relacionados con la protección contra la ESD en este contexto se denomina "ANSI/ESD S20.20-2021: Protección de piezas, ensamblajes y equipos eléctricos y electrónicos (excluyendo dispositivos explosivos iniciados eléctricamente)"
…o “S20.20” para abreviar
Este documento cubre una variedad de temas de gestión y control de la ESD, incluida la capacitación, calificación del producto, verificación del cumplimiento, sistemas de puesta a tierra/conexión equipotencial, puesta a tierra del personal, requisitos del área protegida de la ESD (EPA), empaquetado y marcado.
Este conjunto de estándares se usa ampliamente en las industrias aeroespacial, automotriz, de fabricación de productos electrónicos y médica. Cubre partes, ensambles y equipos eléctricos o electrónicos susceptibles de daño por descargas mayores o iguales a 100 voltios modelo de cuerpo humano (HBM) y 200 voltios modelo de dispositivo cargado (CDM). [2].
MIL-STD-1686
Para aplicaciones militares, el conjunto de normas que rigen el control de la ESD es MIL-STD-1686. El estándar militar se denomina "MIL-STD-1686-Programa de control de descargas electrostáticas para la protección de piezas, ensamblajes y equipos eléctricos y electrónicos (excluyendo dispositivos explosivos iniciados eléctricamente)".
Fue lanzado por primera vez en 1980 y fue uno de los primeros estándares relacionados con la gestión y el control de la ESD. Actualmente está bajo el control de la Armada de los Estados Unidos. Notará cierta similitud entre los títulos completos de los estándares comerciales y militares. Las similitudes no acaban ahí.
Hay una gran superposición en el diagrama de Venn de ANSI/ESD S20.20 y MIL-STD-1686 que no cubriremos en este artículo. Pero si está interesado en las similitudes y diferencias entre los estándares comerciales y militares, este documento de la Asociación de la ESD los destaca uno al lado del otro para compararlos.[3]
Baste decir que hay suficientes puntos en común entre los dos estándares como para que un producto certificado según el estándar ANSI probablemente pase las pruebas del estándar militar en la mayoría de los aspectos. Eso no quiere decir que califique automáticamente, ¡todavía tiene que probarlo según los estándares específicos!
¿Qué hace que los productos de la ESD seguros a base de polímeros sean seguros?
Aditivos que alteran la resistividad
La resistividad superficial (y volumétrica) del polímero se puede alterar mediante el uso de aditivos conductores durante el proceso de fabricación.
Tradicionalmente, en las aplicaciones de la ESD, esto se lograba mediante la adición de negro de humo al polímero, lo que daría como resultado un revestimiento de color más oscuro. También se pueden agregar polvos metálicos como Al, Au, Ag y Cu y acero inoxidable para hacer que los polímeros sean más conductivos.[4]
Entonces, ¿cómo alteran exactamente estos aditivos las propiedades eléctricas de los polímeros? En el caso de los aditivos de carbón, los fabricantes utilizan lo que se conoce como negro de carbón conductor, que se fabrica en procesos de hornos industriales. El negro de humo es intrínsecamente un semiconductor, por lo que, desde un punto de vista eléctrico, la adición de dicho aditivo da como resultado la formación de dos redes interpenetradas: la red aditiva conductiva y red polimérica resistiva. Este principio se aplica también a los polímeros rellenos con otros rellenos conductores.
La conductividad eléctrica de los compuestos de polímeros rellenos, como los revestimientos seguros contra la ESD, depende de la estructura de las partículas del aditivo, el tamaño y también depende de los parámetros del proceso, como el tiempo de mezclado.[5] Un mayor tiempo de mezcla da como resultado una mejor disipación del aditivo en el polímero y, por lo tanto, una matriz conductora más uniforme y consistente.
Las otras formas de lograr la propiedad de seguridad contra la ESD son mediante el uso de aditivos antiestáticos como polímeros disipadores de estática y agentes de la ESD basados en surfactantes. Los polímeros disipadores de estática proporcionan niveles de la ESD a largo plazo al formar una capa transparente en la superficie, como Techspray Licron. Aditivos de la ESD basados en surfactantes, que tienen una estructura parcialmente hidrófila que atrae una película de agua superficial que reduce la resistividad de la pieza, lo que permite que se disipe el exceso de electrones. Ambos materiales antiestáticos se pueden aplicar directamente a la superficie del artículo terminado desde una solución acuosa y/o de alcohol como rociado o inmersión.
Resumen
Sabemos qué es la resistividad y cómo se relaciona con la protección contra la ESD, sabemos que los aditivos alteran las propiedades eléctricas de los polímeros debido a la formación de redes conductoras formadas a partir de los aditivos disipados en el polímero.
Y desde una perspectiva regulatoria, ahora tenemos claros los principales estándares que se aplican al control de la ESD para aplicaciones industriales y militares.
Ese es el quién, qué, dónde y por qué en cuanto a la fabricación y la definición de los requisitos de los materiales seguros para la ESD.
Si desea obtener más información sobre revestimientos transparentes seguros para la ESD específicos para sus aplicaciones, diríjase a la página de productos de la ESD para obtener más información.
Referencias
[1] ESD ADV1.0-2017 - Asesoramiento de la Asociación de la ESD para terminología de descarga electrostática - Glosario
[2] ANSI/ESD S20.20-2021: Protección de piezas, ensamblajes y equipos eléctricos y electrónicos (excluyendo dispositivos explosivos iniciados eléctricamente)
[3] Comparación directa de estándares de la ESD
[4] Resistividad y reproducibilidad térmica de calentadores de caucho de silicona rellenos de polvo metálico y negro de carbón, Eun-Soo Park, Lee Wook Jang, Jin-San Yoon, Journal of Applied Polymer Science
[5] Una imagen completa de los fenómenos eléctricos en compuestos de polímero de negro de humo, I. Balberg, Carbon Journal
