Analisis de corrosion metalica en la industria electronica de Mexicali

Resumen

La industria electrónica es considerada muy importante en la economía global. Este sector comprende dos áreas principales: análoga y digital, aplicada a sistemas industriales, comunicaciones; así como equipos médicos, aeroespaciales, de cómputo, y militares. En estas ramas se realizan en investigaciones, diseño, manufactura, operación, mantenimiento y desarrollo de nuevas tecnologías. Esto involucra a instituciones de gobierno y comerciales que analizan la fabricación de dispositivos y equipos electrónicos. En los materiales metálicos se presenta el fenómeno de la corrosión, originando deterioro en estos. Numerosas universidades e institutos de investigación y desarrollo de nuevas tecnologías, participan en esas actividades para evitar la presencia de corrosión.

Industria electrónica

Los avances tecnológicos en la industria electrónica exigen dispositivos electrónicos más pequeños, con mayor cantidad de componentes en sus encapsulados y el incremento de su funcionalidad. La tecnología Mosfet-Oxido-Semiconductor (MOS) desarrolla semiconductores de silicio con dimensiones de hasta 0.1 micrones. El número de funciones depende de la cantidad de componentes, que aumentan su capacidad de operación. La estructura del semiconductor de silicio protege los elementos internos de cambios climáticos, conexiones externas al chip y puede disipar el calor generado internamente. Una gran ventaja de usar materiales y estructuras metálicas de cobre para los circuitos integrados, es que aumentan la resistencia térmica del chip y tienen un rápido tiempo de respuesta. En la industria electrónica de la ciudad de Mexicali existe una gran variedad de dispositivos y equipos electrónicos que en ocasiones y aun en los interiores de empresas se exponen a ambientes sin control del clima y la contaminación del aire. Del total de empresas en esta ciudad, 80% son del ramo electrónico o tienen algún equipo electrónico según lo informado por la Asociación de Maquiladoras de Mexicali (AMAQ). Los equipos que realizan procesos de manufactura y los artículos electrónicos que se fabrican, se exponen a ambientes que afectan su rendimiento operacional por la presencia de corrosión debido a un proceso electroquímico o químico.

Metales usados en la industria electrónica

Dependiendo de las propiedades de los materiales, se menciona la aplicación de algunos en los procesos de manufactura como:

a. Plata y cobre. Recubrimientos metálicos depositados en conectores eléctricos, y en tableros electrónicos.

b. Estaño. Se utiliza en la conexión entre semiconductores empaquetados y circuitos integrados, con soldadura.

c. Oro y cromo. En circuitos híbridos como memorias electrónicas y en dispositivos de mayor potencia eléctrica y menor tamaño.

Corrosión en dispositivos y equipos electrónicos

La corrosión es una de las principales causas de deterioro de materiales. Este fenómeno electroquímico debe ser controlado para evitar pérdidas humanas y económicas, evaluando los materiales seleccionados y diseño de equipos de la industria electrónica. Cuando un material se introduce en un medio acuoso, se genera un ataque electroquímico y combinado con otros factores, causa deterioro y fallas eléctricas en dispositivos y equipos electrónicos. La corrosión se analiza desde perspectivas químicas, físicas y metalúrgicas, como factores del medio ambiente al que se exponen los componentes de esta industria. En los últimos años se ha incrementado el uso del cobre por su eficiente conductividad eléctrica y térmica y aplicación de recubrimientos con nitruros.

Vinculación de la industria con la educación

La cooperación entre el sector industrial y las instituciones de educación superior de la ciudad de Mexicali, ha conllevado a mejorar los niveles educativos. Este factor es importante por la interrelación de conocimientos, experiencia y practicas profesionales. Este tipo de materiales son de gran utilidad y con el desarrollo de nuevas tecnologías se mejoran sus propiedades eléctricas. El objetivo principal de este análisis es en dispositivos y equipos electrónicos que controlan operaciones de sistemas industriales existentes y evaluar nuevos materiales; y en la ciencia de los materiales analizar estructuras existentes y nuevas. Se realizan estudios de nuevos materiales de cobre, plata y estaño que forman matrices con oxido de silicio para mejorar las propiedades de conductividad eléctrica como la velocidad de respuesta, y con recubrimientos con nitruros, que mejoran la resistencia a la corrosión, además reduciendo costos y tamaño de dispositivos y equipos. Se utilizan varias técnicas experimentales de deposición de películas a nivel micro y nano, siendo una de ellas de importancia entre ellas la deposición química de fase vapor (CVD, Chemical Vapour Deposition, para evaluar el desarrollo de nuevos materiales y realizar examinaciones luego de su exposición de estos en ambientes áridos (Mexicali). Además se realizan simulaciones de laboratorio de distintos ambientes de la Republica Mexicana. Los factores climáticos y ambientales originan ambientes agresivos que deterioran los materiales usados en la industria electrónica y disminuyen su rendimiento operativo. Los resultados de estas investigaciones se usarán para proponer nuevos materiales. Existen diversos sistemas de programación (software) que apoyan a este tipo de análisis: MatLab, evalúa modelos matemáticos con los cuales se conoce el mejoramiento de las propiedades eléctricas. Se pueden usar programas para examinar propiedades físicas y químicas, como el Wein2k y el CrystalMaker, y con ello conocer las características de los nuevos materiales: conductores, semiconductores y aislantes que mejoren las operaciones de la industria electrónica, con la realización de un proyecto de investigación.

Análisis de microscopia y espectroscopia de materiales

Los análisis de microscopia de barrido electrónico (MBE, Scanning Electron Microscopy, SEM), y de espectroscopia de electrones Auger (Auger Elecrtron Spectroscopy, AES) o XPS (XRay Photoelectron Spectroscopy), son de gran importancia para conocer los agentes agresivos que reaccionan con los materiales y generan su corrosión. Con esto se determinan la composición química de los productos de corrosión, grosor de las películas y los tipos de corrosión que se presentan. Estos análisis son a nivel micro y ano escala y se observa con detalle lo que ocurre con la corrosión en los equipos electrónicos de la industria electrónica, para buscar métodos que inhiban la corrosión.

Elaboración de proyectos de análisis de materiales

El programa de un proyecto a desarrollar en el ramo de la industria electrónica consta de tres etapas:

1. Evaluación de materiales existentes y desarrollo de nuevos con un programa (software) de análisis de cristalografía utilizando el programa Wein2k en la plataforma UNIX y Crystal Marker. Se determinarán y mejorarán las propiedades mecánicas y eléctricas de estos materiales existentes y de nuevos (con recubrimientos) para conocer su dureza y conductividad eléctrica en base al Band gap (Diferencia de energía entre la banda de valencia y de conducción de metales; semiconductor o aislante), de macro, micro y nano dispositivos y equipos electrónicos.

2. Desarrollo de nuevos materiales con la técnica de deposición: Deposición Química a Vapor (CVD, Chemical Vapour Deposition) para desarrollar un recubrimiento que mejore las propiedades de dureza y resistencia a la corrosión. Los recubrimientos se evaluarán en interiores de plantas industriales de los ambientes mencionados y serán analizadas con técnicas de microscopia y espectroscopía (Figura 1). Las figuras 1a y 1b representan la morfología de los productos de corrosión de un tablero electrónico con material de cobre, que a simple vista no se observo nada pero presento fallas eléctricas. Las técnicas de análisis se mencionan anteriormente: SEM (1a), de donde se toma una región de la muestra analizada y se observa con la espectroscopia Auger (1b) a un nivel mas pequeño.

3. Análisis de corrosión de materiales en empresas de Mexicali (exposición en ambientes de interiores) para conocer los niveles de corrosividad que afectan a estos materiales y desarrollo de nuevos materiales, con una mayor resistencia a la corrosión. Los métodos de medición de corrosión en dispositivos y equipos electrónicos son:

1. Examinación de superficie por métodos cualitativos: observaciones microscópicas con microcopio óptico y Scanning Electron Microscopy (SEM) y cuantitativos: Electron Difraction X Ray (EDX) y espectroscopia Auger y XPS.
2. Análisis por métodos cuantitativos: gravimétrico, electroquímico, galvanostatico y potenciostatico

Figura 1. Análisis de productos de corrosión en tableros electrónicos con material de cobre de la industria electrónica de Mexicali: (a) SEM 1500X y (Ob) Auger.

Referencias

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12. Zlatev R., Valdez B., Stoycheva M., Vargas L., Lopez G., Schorr M.; Simpsoium 16: NACE "Corrosion and Metallurgy"; IMRC 2009, Cancun, Mexico.

Ver diccionario detallado

Autor:

Dr. Gustavo Lopez Badilla,

Escuela de Ingenieria, CETYS