Una descarga electrostática (ESD) es el flujo repentino de corriente entre dos objetos con carga eléctrica, provocado por la ruptura de los dieléctricos que los separan, es decir, la ruptura dieléctrica. En el caso de los dispositivos electrónicos, el flujo de corriente resultante y la posible chispa pueden dañar el dispositivo de forma permanente (véase la figura 1). Una cita que se repite a menudo, aunque sin fundamento, es: «... las pérdidas asociadas a las ESD en la industria electrónica se estiman entre 500 y 5000 millones de dólares al año». En realidad, estimar el coste exacto de las pérdidas por ESD es extremadamente difícil; no obstante, la ESD obliga a desarrollar y probar numerosos prototipos de hardware durante el diseño y la fabricación, y contribuye a un elevado número de reclamaciones de garantía, con la consiguiente pérdida de confianza de los consumidores si se produce un fallo en manos del consumidor. Por lo tanto, los fabricantes de productos electrónicos hacen todo lo posible por blindar adecuadamente los componentes sensibles y diseñar sistemas que reduzcan, disipen y neutralicen la carga estática.
Figura 1: Campos eléctricos durante una prueba simulada de descargas electrostáticas (ESD) de un módulo de memoria RAM DDR3.
Para evaluar la susceptibilidad a las descargas electrostáticas (ESD), los ingenieros de hardware suelen utilizar modelos de ensayo definidos por diversas normas, elaboradas por organismos como ANSI, JEDEC y la IEC. Los modelos ESD más comunes y ampliamente utilizados son el modelo del cuerpo humano (HBM), que simula una descarga desde la yema de un dedo humano cargado a un dispositivo conectado a tierra (véase la Figura 2), y el modelo de dispositivo cargado (CDM), que simula una descarga desde un dispositivo cargado a otro objeto conductor con un potencial electrostático inferior. Estas pruebas se realizan generalmente utilizando simuladores ESD o pistolas ESD para aplicar pulsos de alta velocidad y alto voltaje a diversos puntos del dispositivo bajo prueba (DUT).
Figura 2: Forma de onda HBM de 8 kV en XFdtd.
Incluso para un ingeniero con experiencia, localizar con precisión el punto de un fallo por descarga electrostática (ESD) durante las pruebas —o determinar si realmente se ha producido un fallo— puede resultar extremadamente complicado. Los fallos por ESD se clasifican normalmente en tres grupos: catastróficos, latentes o de alteración. En el caso de un fallo catastrófico, el DUT deja de funcionar y suele haber un daño físico e
, como componentes fundidos o carbonizados. Intuitivamente, un fallo catastrófico puede parecer el peor de los casos; sin embargo, en realidad es el más ideal que se puede encontrar durante las pruebas de control de calidad, ya que es fácil de reconocer, localizar e incluir en el diseño final de mitigación de ESD. Por otro lado, los fallos latentes y de alteración son mucho más difíciles de diagnosticar porque el DUT sigue funcionando, con pocos o ningún signo de daño físico. Los fallos latentes a menudo no son visibles a simple vista y dan lugar a un dispositivo debilitado que funciona en el momento de la prueba y se deteriora con el tiempo debido al uso continuado, a menudo funcionando mal o fallando cuando está en manos del consumidor. Los fallos por perturbación se deben a sobrecorrientes que no dañan físicamente el DUT, pero comprometen las propiedades semiconductoras de los componentes, lo que conduce a un comportamiento impredecible y a la pérdida de datos durante el uso. Los fallos latentes a veces pueden identificarse con un aumento, pero los fallos por perturbación son casi imposibles de detectar durante las pruebas.
Dado el elevado coste en tiempo y materiales que suponen las pruebas de hardware de ESD, así como la dificultad para localizar fallos latentes y de alteración, la simulación de pruebas de ESD resulta extremadamente valiosa, ya que permite identificar con precisión los puntos susceptibles de sufrir daños por ESD y, por lo tanto, ayuda a optimizar las medidas de mitigación de ESD durante el diseño del producto. En respuesta a esta creciente necesidad, se han incorporado nuevas funciones de simulación de ESD al paquete de software de simulación electromagnética de onda completa de Remcom, XFdtd®. Mediante la función mejorada de formas de onda definidas por el usuario de XFdtd, los ingenieros pueden importar formas de onda ESD definidas por diversas normas de ensayo y utilizarlas para crear fuentes de corriente ESD en un proyecto de XFdtd. En este punto, se pueden crear modelos de simulador/pistola ESD y utilizarlos para excitar la geometría del DUT en los puntos de interés, simulando y analizando los campos electromagnéticos (EM) y los flujos de corriente resultantes (véase la figura 1).
Figura 3: Definición de sensor de ruptura dieléctrica.
Para resolver el reto de determinar si se ha producido un fallo por descarga electrostática (ESD) y en qué punto, se ha añadido un nuevo parámetro de material, la rigidez dieléctrica, a las definiciones de materiales eléctricos de XFdtd. La rigidez dieléctrica de un material define el campo eléctrico máximo que puede soportar sin sufrir una ruptura dieléctrica (es decir, sin perder sus propiedades aislantes). Al añadir el parámetro de rigidez dieléctrica a XFdtd, es posible monitorizar los bordes de las celdas FDTD en busca de posibles descargas durante simulaciones transitorias utilizando un sensor de campo cercano de descarga dieléctrica (véase la Figura 3). El sensor indica al motor de cálculo de XFdtd que monitorice los bordes de las celdas en busca de campos eléctricos que superen la rigidez dieléctrica de sus materiales constituyentes, registrando los casos en los que es probable que se produzca una descarga dieléctrica. El sensor requiere que el usuario defina la rigidez dieléctrica del espacio libre, utilizada para todos los bordes que no contienen un material definido. La rigidez dieléctrica del espacio libre por defecto está fijada en 3 MV/m, la rigidez dieléctrica del aire a nivel del mar. El sensor también permite al usuario definir un rectángulo delimitador para restringir el volumen supervisado en busca de ruptura dieléctrica. El uso de esta función ahorra recursos de cálculo al definir las áreas específicas de interés, en lugar de examinar todo el dominio de cálculo.
Al finalizar una simulación FDTD, se pueden visualizar los bordes de las celdas que superan sus respectivas rigidez dieléctricas, tal y como se muestra en la figura 4.
Figura 4: Zonas de riesgo de ruptura dieléctrica identificadas durante las pruebas simuladas de descargas electrostáticas.
También se ha incorporado a XFdtd una función para supervisar componentes electrónicos específicos que se someten a cargas superiores a sus parámetros nominales de tensión y corriente de entrada, datos que pueden consultarse en las fichas técnicas de los componentes. Los resultados posteriores a la simulación identifican aquellos componentes que pueden sufrir daños permanentes debido a límites de seguridad inadecuados (véase la figura 5).
Figura 5: Resumen de los componentes que superaron los parámetros de diseño nominales durante las pruebas simuladas de descargas electrostáticas (ESD).
Aunque la simulación no puede ni debe sustituir por completo a las pruebas de hardware, estas nuevas funciones computacionales proporcionan a los ingenieros especializados en ESD una mayor comprensión de los posibles puntos de fallo por ESD, lo que permite optimizar los diseños de mitigación de ESD antes de pasar a la fase de prototipado del hardware. Remcom cree que esta capacidad reducirá los costes de desarrollo de productos y el tiempo de comercialización, al tiempo que mejorará la fiabilidad de los productos y la confianza de los consumidores. Estas nuevas funciones sientan las bases para capacidades multifísicas adicionales, incluyendo la descarga de plasma y la simulación térmica para modelar la corriente y el calor generados por las descargas de chispas. La combinación de estas técnicas computacionales permitirá analizar los flujos de corriente posteriores a una ruptura dieléctrica inicial, prediciendo con mayor precisión los fallos dieléctricos y de los componentes del circuito.
