Septiembre, 2003 por Kevin McCarten


 

Resumen

El debate sobre el almacenamiento en "cajas secas" o con desecante de los dispositivos sensibles a la humedad (MSD) ha aumentado en los últimos años con la introducción de nuevas normas industriales conjuntas IPC, como IPC/JEDEC J-STD-033a y J-STD-020. Cada vez hay más recursos sobre el tema, muchos de ellos contradictorios, disponibles en Internet. Los fabricantes están tomando conciencia de las posibles ventajas del almacenamiento en condiciones de humedad ultrabaja, pero hay muchas ideas erróneas e incertidumbres sobre el uso y la funcionalidad adecuados de estos dispositivos, incluidas las expectativas exageradas de resultados.

Las cajas secas pueden implementarse en varios puntos dentro del entorno de fabricación; para el inventario a medio-largo plazo, o para la manipulación a corto plazo en la planta de producción, y en algunos casos (con ciertas condiciones) como un proceso de sustitución del horneado. Las placas desnudas, los componentes en bruto y las placas de circuito impreso parcialmente ensambladas pueden beneficiarse del almacenamiento en condiciones de humedad ultrabaja.

Dependiendo de la aplicación (es decir, a corto plazo, a largo plazo, "horneado"), los artículos almacenados dentro, y su condición al entrar en el almacenamiento en seco, se colocarán varias cargas en los armarios de almacenamiento; sin embargo, en todos los casos las expectativas del usuario seguirán siendo las mismas: un tiempo de recuperación corto después de la apertura de la puerta, y un entorno de humedad ultra baja (1% - 5% RH) mantenido constantemente. Si no se evalúa adecuadamente la carga que se colocará en una aplicación de caja seca en particular, y se examinan las variaciones de caja seca disponibles (es decir, N2 "goteo", N2 purga, multidesecadores, adición de calefacción, o una combinación de cualquiera de ellos, etc.) es casi seguro que los fabricantes no estarán satisfechos con sus resultados observados, y no estarán almacenando sus dispositivos de forma segura.

Métodos disponibles de almacenamiento en seco

Existe una variedad de opciones de "almacenamiento en seco" que satisfacen las especificaciones actuales de la industria. Los métodos que se utilizan habitualmente, pero no se limitan a ellos, son: MBB (bolsas de barrera contra la humedad), armarios de N2, cajas de aire seco y armarios secos desecantes.

Muchas instalaciones de fabricación de placas de circuito impreso ya utilizan uno o varios de los métodos mencionados anteriormente. Sin embargo, en algunos casos, los métodos elegidos se aplican sin una evaluación de su eficacia real en el entorno o la aplicación específicos para los que fueron concebidos. No siempre se tienen en cuenta variables como la frecuencia con la que se accederá al inventario almacenado, si los materiales de embalaje son higroscópicos, si las piezas han sido preacondicionadas, etc. Igualmente importante es que estos dispositivos de almacenamiento rara vez se revisan o auditan para comprobar su eficacia después de la instalación, y normalmente están tan desordenados que se sabe que son menos eficaces de lo requerido.

No es raro ver que las bolsas de barrera contra la humedad permanezcan sin cerrar durante largos periodos de tiempo en una planta de producción con mucho trabajo, que las bolsas de gel de sílice se utilicen sin saberlo "pasadas de moda" o que se almacenen en contenedores que no son herméticos.

El cálculo utilizado para determinar el volumen de gel de sílice necesario para mantener el nivel de humedad relativa (HR%) requerido dentro de un MBB se basa en un nivel de actividad del que se espera que el gel sea capaz. La manipulación o el almacenamiento inadecuados de las bolsas de gel de sílice significan que el nivel de actividad se degradará.

Con frecuencia, los armarios de N2 y de aire seco se utilizan con puertas que ya no sellan bien cuando se cierran como resultado del uso excesivo o del abuso, lo que hace que sean menos eficaces de lo necesario y aumenta los costes de funcionamiento. Debido a la naturaleza pasiva de estos "dispositivos", rara vez se supervisan, mantienen o evalúan para determinar si funcionan de forma adecuada.

Los armarios secos desecantes, aunque son relativamente nuevos en Norteamérica, han sido populares en la industria y en la corriente principal de Asia durante décadas, como resultado del clima húmedo. La gran variedad de aplicaciones de los productos de control de la humedad en esa parte del mundo ha dado lugar a una serie de innovaciones y avances en la tecnología de desecación que permiten la adaptación práctica a la industria de fabricación de productos electrónicos.

Sea cual sea el método elegido, las expectativas serán las mismas: la garantía de que el nivel de humedad relativa prescrito se mantiene en todo momento, proporcionando a las valiosas existencias sensibles a la humedad la protección necesaria.

Historia del armario seco desecante

En 1974 se desarrolló la primera caja seca con desecante auto-refrescante para el mercado de consumo. Este dispositivo utilizaba cantidades predeterminadas de gel de sílice que se refrescaba periódicamente mediante un calentador en un circuito temporizado.

En 1976, la I+D introdujo el uso de zeolitas sintéticas (tamices moleculares) en sustitución del gel de sílice.

En 1982 se concedió una patente a una empresa japonesa por su nuevo diseño de secador desecante de humedad ultrabaja. Muchos de los futuros diseños de la competencia tendrían una serie de similitudes con esta unidad recién patentada.

En 1987, Texas Instruments (Kyusyu, Japón) colabora con un fabricante líder de cajas secas para diseñar el primer armario seco de humedad ultrabaja para su uso dentro de sus instalaciones de fabricación de productos electrónicos. Estos armarios están diseñados para mantener entornos constantes de 10%, 3% y 1% de HR, y se instalan para proteger los dispositivos sensibles a la humedad. Antes de esto, la mayoría de las aplicaciones de los armarios secos eran residenciales/de consumo o dentro de la industria óptica (para evitar el crecimiento de hongos).

Más información sobre las zeolitas (tamices moleculares)

Los tamices moleculares son desecantes con algunas propiedades diferentes a las del gel de sílice. Con la apariencia de pequeñas perlas opacas de color rosado, los tamices moleculares son silicatos metalaluminosos cristalinos altamente porosos producidos sintéticamente. Tienen muchas cavidades internas que están unidas por aberturas de ventana de diámetros precisos. Son estos diámetros (medidos en Ã...ngstroms) los que clasifican los tamices moleculares - 3Ã..., 4Ã..., 5Ã..., y 10Ã... (también conocido como 13X). La adsorción sólo se produce para las moléculas con diámetros más pequeños que estas aberturas de la cavidad. Las moléculas más grandes quedarán excluidas de la adsorción. Se adsorben preferentemente las moléculas de mayor polaridad. Esto hace que los tamices moleculares sean ideales para la adsorción del agua del aire, ya que las moléculas de agua son polares y muy pequeñas. Los tamices moleculares adsorben las moléculas de agua de los líquidos hasta niveles muy bajos, a menudo sólo una parte por millón1. Las zeolitas presentan algunas propiedades atractivas como desecantes para su uso en la protección de los TME, por ejemplo;

  Alta tasa de adsorción a bajas humedades relativas
  Amplio rango de temperatura de adsorción (Funcionan más eficazmente como adsorbentes de humedad a temperaturas más altas (superiores a 25°C) que el gel de sÃlice).
  Absorben el vapor de agua más rápidamente que el gel de sílice.
  Reducen el vapor de agua a niveles mucho más bajos que el gel de sílice, por lo que su uso es esencial cuando se requiere un producto o una atmósfera muy seca.
  Capacidad de mantener la forma física y el tamaño incluso cuando está saturado
  Propiedades de baja generación de polvo
  Toxicidad cero
  Químicamente inerte
  Excelente capacidad de regeneración

Selección adecuada de armarios

Desde 1987, la demanda del mercado asiático ha crecido y, con ella, el número de proveedores. Hoy en día hay muchas empresas en todo el mundo, ya no sólo en Asia, que suministran armarios secos desecantes.

Muchos de estos armarios se diseñaron originalmente en Asia para el mercado en general en esa parte húmeda del mundo, con aplicaciones tanto de consumo como industriales en mente. Hasta hace poco, muchos de ellos sólo ofrecían armarios con especificaciones de nivel de humedad relativa mínima superiores a las exigidas por los fabricantes de productos electrónicos; normalmente ~30% de humedad relativa, en parte debido a sus propias limitaciones tecnológicas y/o a diversas protecciones de patentes concedidas a otros fabricantes. (Las patentes originales han caducado recientemente o lo harán en breve). Sin embargo, algunos de estos fabricantes están comercializando ahora sus productos específicamente para la protección de los TME con la industria electrónica.

A medida que ha aumentado la comprensión y la aceptación del cuidado y la manipulación adecuados de los MSD en la industria del montaje de placas de circuito impreso, también ha crecido la demanda de armarios secos, y con ese aumento de la demanda ha aumentado el número de fabricantes que promueven productos capaces de alcanzar niveles de humedad relativa del 5% y del 10%.

Algunos de los armarios son capaces de cumplir las especificaciones mucho más estrictas requeridas por los ensambladores de placas de circuito impreso para satisfacer la norma IPC/JEDEC J-STD-033a (1-10% de HR) con más facilidad que otros.

El gráfico (Fig. 1) que aparece a continuación es un ejemplo real de dos armarios de diferentes fabricantes, ambos con una especificación de funcionamiento del 1% de humedad relativa. Las mediciones se realizaron 60 veces por hora durante un periodo de 24 horas. Los armarios estaban "sobrecargados" (Fig. 2); lo que impedía una adecuada circulación del aire y agravaba la situación eran las cajas de cartón que retenían fácilmente cualquier humedad introducida en los armarios al acceder a ellos.

Comparación de armarios secos
Armario seco

¿Cómo funcionan los armarios secos desecantes?

Los armarios secos de autorreciclaje dependen únicamente del desecante para reducir los niveles de humedad, el nitrógeno no es necesario para su funcionamiento estándar. Los armarios secos rejuvenecen (reciclan, refrescan) su desecante deteniendo rutinariamente la desecación del armario, sellando el material desecante y encendiendo un calefactor de baja potencia integrado en el desecante para expulsar la humedad capturada. El dispositivo que almacena y refresca el desecante suele denominarse "unidad de secado". Durante el proceso de refresco se comprobará la eficacia de la unidad de secado del desecante. Por lo general, una pequeña cantidad de humedad volverá a entrar en el armario, lo que provocará un aumento a corto plazo de los niveles de humedad. El aumento de los niveles de humedad en el interior del armario y el tiempo que transcurrirá antes de que se complete el reciclaje (permitiendo que se reinicie la desecación del armario) están relacionados de nuevo con la eficacia de la tecnología del secador en cuestión. Algunos fabricantes informan de que los niveles de humedad aumentan hasta un 4% durante el proceso de reciclaje.

Algunos modelos de armarios utilizan los datos recogidos por los sensores de humedad de bucle cerrado instalados en el interior del armario para determinar cuándo y cuánto tiempo de reciclaje de desecante debe ser, sobre la base de un punto de ajuste seleccionado digitalmente por el usuario. Otros fabricantes que utilizan una tecnología de control analógica más sencilla suelen "cablear" el punto de ajuste de HR en la fábrica, proporcionando un circuito de temporizador para gestionar el reciclaje del desecante, provocando un reciclaje de duración máxima cada vez que se renueva el desecante. Un secador de desecante típico necesitará aproximadamente 45 minutos cada 6 horas para recargar el desecante completamente saturado, aunque algunas unidades de secado necesitan hasta 70 minutos para completar su proceso de recarga. Es importante tener en cuenta que durante este tiempo la unidad de secado no estará desecando el armario.

Selección adecuada de armarios

Con respecto al problema ilustrado anteriormente en las figuras 1 y 2, según el usuario, sus objetivos no se cumplieron. El usuario tiene razón en que tenía expectativas directas de una HR constante del 1%. Este tipo de expectativa no es infrecuente, como tampoco lo es la frustración y la decepción que suele producirse cuando los medidores de HR muestran regularmente niveles de humedad crecientes, y nunca parecen estabilizarse en el punto establecido. Sin embargo, el problema puede residir en una determinación menos que adecuada de la carga que se impondría a los armarios.

Para mantener eficazmente el nivel de HR deseado, debe tenerse en cuenta la "carga" que deberá soportar un armario. Para evaluar completamente la "carga" se deben examinar las siguientes cuestiones;

  ¿Se abrirá el armario con frecuencia? ¿Cuántas veces al día? ¿Cuántas veces por hora?
  ¿Está el inventario "acondicionado" (seco), o recientemente expuesto a altos niveles de HR (saturado)?
  ¿Cuánto tiempo permanecerá el inventario en el armario?
  ¿Qué otros materiales de embalaje se almacenarán en el armario?
  ¿El armario estará situado en una zona de inventario/almacenes o en la planta de producción?
  ¿Cuántas existencias va a almacenar realmente en un momento dado?
  ¿Cómo se presentará el inventario? (cajas, bolsas, bobinas, bandejas, tubos, montados en alimentadores P&P, etc...)
  Lugar de instalación

A la hora de elegir entre los distintos fabricantes para cualquier aplicación de armario seco, es importante evaluar el grado de estanqueidad del propio armario. La mayoría de los fabricantes ofrecen datos que ilustran la rapidez con la que el entorno del armario se degradará durante un corte de energía simulado. Estos datos darán una buena indicación de la capacidad del armario para contribuir a limitar la carga del secador desecante.

Tan importante como la estanqueidad del armario es su capacidad de "recuperación". El tiempo de recuperación puede definirse como el tiempo necesario para que el armario vuelva a su punto de ajuste después de una introducción de humedad en el armario. Hay una variedad de enfoques para minimizar el tiempo de recuperación, algunos fabricantes emplean una variedad de métodos para ayudar al armario a recuperar sus niveles de HR de punto de ajuste, entre estos enfoques están los siguientes;

  Diversos grados de circulación de aire forzado provocados por la apertura de las puertas de los armarios.
  Emplear una, dos o incluso tres unidades de secado en un solo armario.
  Añadir elementos calefactores al diseño de los armarios.
  Un goteo lento y constante de N2. (aproximadamente 1/10 del volumen de la cabina de N2 estándar)
  Purga del armario N2 activada por un microinterruptor en la puerta del armario.

La adición de cualquiera de las opciones anteriores o cualquier combinación de ellas tendrá un efecto sobre los tiempos de recuperación que el armario será capaz de proporcionar. Por supuesto, cada una de las opciones lleva aparejado un coste, que en algunos casos se cobra una sola vez y en otros se añade a los costes de funcionamiento cada mes. Algunas de las opciones pueden añadirse sobre el terreno como una actualización, otras requerirán una instalación en fábrica y deberán solicitarse en el momento de pedir el armario.

Las cuestiones mencionadas anteriormente relativas a la carga también influirán en la facilidad de recuperación de un armario. Por ejemplo, considere un armario seco situado en una zona de inventario/almacén y cargado al 50% con inventario que ha estado almacenado en seco durante los últimos 120 días; por tanto, bien acondicionado/seco. Si se abren dos de sus puertas de tamaño 1/6 durante 45 segundos para sacar los artículos, el tiempo de recuperación será mínimo. Si ese mismo armario estuviera vacío en la planta de producción y los niveles de HR estuvieran estables en su punto de referencia y se abrieran dos puertas de tamaño 1/6 durante los mismos 45 segundos para introducir una base de alimentación pick and place completa con alimentadores acoplados y componentes en cinta de papel que hubieran estado en la planta de producción durante las 8 horas anteriores (50% de HR, 73 grados F), el tiempo de recuperación sería considerablemente mayor en comparación con el primer ejemplo, y muy probablemente inaceptable.

Por lo general, los armarios situados en la zona de inventarios o almacenes son de acceso menos frecuente, es más probable que su contenido haya estado almacenado en seco durante periodos prolongados y suele estar ya acondicionado. La carga adicional que supone para el armario la introducción de una pequeña cantidad de humedad (como en los ejemplos anteriores) será ligera y el tiempo de recuperación puede ser intrascendente, ya que el inventario ya está bien acondicionado y es posible que no se acceda al armario durante otras 8 horas o más. Sin embargo, en un entorno de producción ajetreado, no es raro que se acceda al armario seco cada 20 minutos o más para recuperar o devolver el inventario. Si el tiempo de recuperación de un armario es de 20 minutos, está claro que no sería eficaz contra la carga que supone la apertura frecuente de las puertas para realizar su función principal: proteger las piezas de niveles de humedad peligrosos. La respuesta más común ofrecida por los fabricantes de armarios para reducir los tiempos de recuperación es la adición de una segunda unidad de secado desecante. Esta solución reduce el tiempo de recuperación al duplicar efectivamente la actividad desecante disponible en el armario.

Otra ventaja de tener dos unidades de secado por armario es que el sistema de control evitará que ambos secadores reciclen su desecante al mismo tiempo. De este modo, se garantiza que un secador siempre estará desecando activamente el interior del armario en cualquier momento. Al considerar armarios con un solo secador es importante recordar que no habrá secado en el interior del armario durante la fase de reciclaje (que puede ser de hasta 70 minutos cada 6 horas). Si se accede a la puerta de un armario con una secadora durante la fase de reciclaje, los niveles de humedad aumentados en el interior del armario permanecerán hasta que la unidad de secado vuelva a estar "en línea". Cabe destacar que algunos secadores desecantes que funcionan con sensores de humedad de bucle cerrado finalizarán el reciclado y volverán a poner los secadores en funcionamiento lo antes posible una vez que se detecte cualquier aumento de la humedad del armario.

Algunos fabricantes también han optado por ofrecer modelos con tres secadores por armario, triplicando la actividad del desecante. Todos estos secadores funcionan en tándem para garantizar que un mínimo de dos secadores estén recogiendo activamente la humedad del interior del armario en todo momento.

Otras opciones que se ofrecen para minimizar los tiempos de recuperación son las variaciones de los sistemas de purga de N2. Al principio, esto puede parecer una contradicción con el concepto de armario seco desecante. Sin embargo, la adición de un goteo lento de N2 o un sistema de válvula solenoide activado por el cierre de la puerta pueden ser mejoras prácticas para los lugares de instalación en los que el N2 está fácilmente disponible y se espera que el tráfico sea inusualmente alto. Los tiempos de recuperación se minimizan sustancialmente con la combinación de purga de N2 y secadores desecantes. El volumen total de N2 consumido es, según los informes, una media de 1/10 del de una cabina de N2 de tamaño similar.

En el mercado existen armarios secos aún más elaborados, algunos de los cuales ofrecen estanterías con calefacción. Estos sistemas, aunque son considerablemente más caros que un armario seco básico, ofrecen excelentes tiempos de recuperación y la ventaja añadida de proporcionar un horneado a baja temperatura (hasta 60 grados C.), preparando las piezas que van a entrar en producción.

Otras características de mejora del rendimiento que pueden considerarse opcionalmente y que pueden aumentar la eficacia de la instalación de un armario son la circulación forzada de aire y los sistemas de filtración HEPA capaces de cumplir las normas de las salas limpias de clase 100.

También hay otras opciones prácticas ofrecidas por varios fabricantes de armarios que pueden resultar valiosas para algunas aplicaciones. Estas son;

Los dispositivos de recogida de datos pueden ser un buen complemento. En todos los casos, los armarios se envían con algún tipo de lectura para proporcionar información sobre el nivel de HR del armario. Puede tratarse de un medidor analógico de tipo dial, de un medidor digital independiente o de una pantalla digital incorporada que proporciona datos de los propios sensores de los armarios. Sin embargo, en todos los casos, el equipo estándar incluido no proporciona más que una lectura constantemente actualizada, y las tolerancias de estos medidores pueden ser tan flojas como +/- 5% de HR. Además, el usuario no tiene ni idea de cuáles eran las condiciones en cualquier otro momento del pasado; no hay posibilidad de auditar los datos cuando se produce un problema. Los fabricantes ofrecen una variedad de soluciones de recopilación de datos como opciones, que incluyen (pero no se limitan a);

  Registradores de datos digitales portátiles que son independientes de los sistemas dentro del armario. Suelen ofrecer capacidad de descarga de datos.
  Registradores de gráficos tradicionales de papel y tinta
  Sistemas integrados de recogida de datos, que informan a través de una red, capaces de ser serializados y encadenados para la supervisión de instalaciones de varios armarios.

Algunos proveedores ofrecen opciones adicionales, como alarmas sonoras y torres de luz para avisar de aumentos inesperados de la humedad o cuando se deja la puerta del armario abierta involuntariamente. Al igual que varios dispositivos para realizar cambios de configuración básicos en el interior del armario.

Algunos proveedores disponen de una amplia selección de configuraciones y tamaños estándar que van desde los armarios de sobremesa hasta los de 32″ de profundidad (y más grandes) equipados con una selección de bases de alimentación pick and place para que el usuario pueda configurarlas. Otros fabricantes proporcionan una oferta más básica, sin embargo hay una colección de tamaños estándar que parece ser común entre todos los proveedores.

También debe investigarse seriamente la verificación de la certificación por parte de los organismos de normalización eléctrica norteamericanos. Debido a que la mayoría de los armarios secos desecantes se fabrican en este país, muchos de ellos no cuentan con las aprobaciones reconocidas adecuadas, como UL, CSA o CSA-US. Se conoce al menos un caso de un armario sin las aprobaciones reglamentarias adecuadas que se compró e instaló en Norteamérica. Después de la instalación, el nuevo propietario descubrió que la unidad no estaba aprobada para su uso y, tras un intento de certificación interna por parte de la agencia local, el armario falló como resultado de los componentes eléctricos de baja calidad. Los componentes eléctricos en cuestión fueron sustituidos / reconstruidos por el fabricante, pero no sin agravantes y pérdidas de tiempo considerables. También hay que señalar que actualmente sólo un pequeño número de fabricantes de armarios secos tienen oficinas de venta/apoyo en Norteamérica o acuerdos de venta establecidos para promover y apoyar sus productos a nivel local. La mayoría de los proveedores prestan servicio y asistencia directamente desde las oficinas asiáticas.

Conclusión

La compra de un armario seco con desecante puede ser un excelente comienzo o una valiosa adición a cualquier programa de TME; proporcionando un método de bajo coste, seguro y sin mantenimiento para proteger su valioso inventario sensible a la humedad. Una evaluación exhaustiva de la carga que se colocará en el armario de secado y una consideración adecuada del rendimiento esperado ayudarán a determinar qué armario será el mejor para la aplicación, asegurando que el armario desempeñe un papel positivo en la reducción de los defectos relacionados con la humedad. Por último, las variaciones de coste en el mercado son amplias, sin embargo, la simple selección de un armario seco basada únicamente en el coste, sin examinar factores como: ubicaciones de soporte local, aprobaciones reguladoras eléctricas norteamericanas, opciones disponibles (tanto instalables en fábrica como en el campo), rendimiento, innovación continua, etc., puede causar más frustración que el dinero ahorrado.