Limpieza del hardware de electrónica espacial

La contaminación superficial por partículas micrométricas, agentes microbiológicos, adsorbato molecular y otros, representa un peligro significativo en muchas áreas de la industria. Por ejemplo, un alto nivel de limpieza es un requisito crítico que cualquier dispositivo de EEE debe cumplir en cualquier etapa de desarrollo: desde el proceso de fabricación de componentes individuales, antes de la encapsulación, hasta el ensamblaje final de la placa de circuito impreso. Esto se debe a que los materiales extraños micro y nanométricos pueden producir corrosión, migración electroquímica, delaminación o causar cambios paramétricos. Estos y otros fenómenos inducidos por la contaminación son responsables del rendimiento deficiente, los resultados incorrectos de las pruebas y, lo que es más importante, la falla catastrófica de unidades completas. Además de estos efectos adversos, los contaminantes no conductores también pueden contribuir a la descarga electrostática, especialmente en el entorno espacial. Por lo tanto, esta es una preocupación vital para las diferentes agencias aeroespaciales, militares y espaciales nacionales e internacionales, que han adoptado un protocolo estricto sobre esta cuestión. En particular, el “Product Cleanliness Levels and Contamination Control Program” (IEST-STD-CC1246D) adoptado por la “Defense and Logistics Agency” (Agencia de Defensa y Logística de los Estados Unidos), la “Process Specification for Cleaning of Hardware” (PRC-5001, Rev. F) emitida por la NASA y, principalmente, la “Cleanliness and contamination control” y la “Ultracleaning of flight hardware” (ECSS-Q-ST-70-01C y ECSS-Q-ST-70-54C, respectivamente) desarrolladas por la ESA, establecen específicamente los niveles de limpieza aceptables de acuerdo con las aplicaciones y componentes a los que se dirigen, así como los protocolos de limpieza preferidos.

Métodos de limpieza convencionales

Las especificaciones de ECSS describen detalladamente los diferentes procedimientos recomendados, tales como métodos de limpieza con chorro de arena, mecánicos, químicos, solventes y térmicos. No obstante, deben seleccionarse cuidadosamente en función del contaminante objetivo, la naturaleza química y física del elemento contaminado y la fase de tierra. En particular, la norma ECSS-Q-ST-70-54C calienta específicamente sobre los posibles efectos perjudiciales de procedimientos de limpieza inadecuados, especialmente en el caso de componentes delicados (por ejemplo, los relacionados con ácidos y bases fuertes, el uso de disolventes orgánicos sobre componentes plásticos, o métodos térmicos sobre componentes sensibles a la temperatura).

Por otro lado, la eliminación adecuada de contaminantes micro y submicrométricos es siempre una tarea difícil debido a las muy fuertes interacciones físico-químicas que desarrollan con la superficie: unión covalente, unión iónica, fuerzas de van der Waals, unión de hidrógeno, dipolo e interacciones electrostáticas, o una combinación de estas. Por ejemplo, van der Waals fuerza linealmente las escalas con el diámetro de las partículas, mientras que el peso disminuye con el diámetro cúbico. Por lo tanto, la relación fuerza/peso de van der Waals aumenta considerablemente a medida que se reduce el diámetro de las partículas y alcanza valores de 108 para los sistemas submicrométricos, como se ilustra en la figura. . Todos ellos son factores que aumentan la energía necesaria para la eliminación cuando se consideran métodos puramente físicos y que implican el uso de disolventes más fuertes, lo que a su vez aumenta el riesgo de daños en los materiales de base. Además, los disolventes convencionales también pueden dejar residuos adicionales y ser ineficaces en el caso de componentes de forma compleja, incluidas las cavidades micrométricas. En resumen, la mayoría de los enfoques no son lo suficientemente eficaces como para alcanzar los niveles de limpieza que exigen muchas aplicaciones espaciales.

plasma cleaning EEE parts

Por qué Plasma?

plasma cleaning electronic deviceUna descarga de plasma consiste en un gas parcialmente ionizado a nivel local donde la especie cargada generada exhibe un comportamiento colectivo. Desde el punto de vista de la alta ionización y nivel energético de las especies involucradas se considera el cuarto estado de la materia. Bajo condiciones específicas, las descargas de plasma se caracterizan por la falta de equilibrio térmico entre los electrones libres “calientes” y el resto de las especies pesadas (átomos, iones, moléculas y radicales) que definen la temperatura del gas. Esto permite inducir reacciones químicas altamente energéticas (p. ej. 2CO2 → 2CO + O2 (135 kcal/mol) a temperatura ambiente, gracias a la interacción con los electrones libres “calientes”. Por lo tanto, los procesos de plasma están presentes en diferentes etapas de fabricación de componentes microelectrónicos, incluyendo la eliminación final de residuos fotoresistentes. Por otro lado, también se utilizan métodos de tratamiento con plasma para aumentar la humectabilidad de la superficie, lo que se traduce en una notable mejora del subllenado durante los procesos de envasado de flip-chip. De forma similar, las descargas de plasma se utilizan para la activación de placas de circuitos impresos antes del encapsulación. Además, se encuentran aplicaciones para la desoxidación del contacto de oro para mejorar el alambrado.

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Limpieza por Plasma

Las especificaciones de la ESA indican que la limpieza por plasma es un método ventajoso para la eliminación eficiente de contaminantes orgánicos a niveles ultralimpios. Entre otras características, representa un proceso muy suave, sin disolventes y a temperatura ambiente para la eliminación de contaminantes superficiales de superficies delicadas. Debido a la alta reactividad y energía de las especies generadas, los procesos de plasma pueden cubrir una variedad de aplicaciones, desde el pulverizado de superficies inorgánicas hasta la funcionalización por plasma blando de materiales orgánicos. Las características del plasma (por ejemplo, distribución de energía de electrones, distribución de energía de iones, tiempo de residencia) que regular la entrega de energía y la intensidad de las interacciones del plasma son controladas por la presión, la combinación de gases de plasma y la potencia inyectada.

Debido a su alta reactividad, el oxígeno es uno de los gases preferidos para la limpieza con plasma. Para este gas los mecanismos que intervienen en el proceso de limpieza por plasma son los siguientes:

  1. La excitación por plasma siempre implica la emisión de fotos ultravioletas a energías suficientemente altas para inducir laplasma discharge electronics fragmentación de los límites orgánicos de los contaminantes (que son lábiles) sin afectar a los sistemas inorgánicos. El bombardeo de iones de baja energía induce un efecto similar.
  2. Las moléculas de O2 dosificadas en la descarga de plasma se disocian y conducen a la generación de especies cargadas (por ejemplo, O2-, O-, O2+, O+) y activadas. Estas especies activadas son moléculas o átomos que en el ambiente plasmático muy energético se promueven a un nivel de estado cuántico más alto y son muy reactivos hacia los fragmentos moleculares generados en el paso 1.
  3. La reacción entre los fragmentos moleculares y las especies plasmáticas da lugar a la formación de moieties orgánicas de bajo peso molecular con una presión de vapor bastante alta que pueden ser bombeadas a la atmósfera.

Dependiendo del material de base utilizado y de la contaminación deseada, se pueden utilizar otros gases. Así, el hidrógeno (H2), que es un potente agente reductor, se utiliza para limpiar metales de las películas de óxido. Por otro lado, el argón (Ar), que no es químicamente reactivo, genera iones más pesados que ejercen un efecto de microarenado donde inciden sobre la superficie. Esto limpia la superficie sin modificar el estado de oxidación. El plasma de argón o en combinación con otros gases es capaz de eliminar incluso siliconas y fibras.

Los procesos de limpieza por plasma están destinados a reaccionar con la capa de contaminación sin afectar a la película subyacente. Esto hace necesario seleccionar la combinación adecuada de gases, las condiciones de plasma y la concepción de una configuración adecuada del reactor de plasma (por ejemplo, para evitar un bombardeo iónico excesivo). En este sentido, los procesos de limpieza por plasma empleados en Alter Technology se llevan a cabo en un reactor de plasma remoto específicamente concebido por el grupo de Nanotecnología de Superficies del Instituto de Ciencia de Materiales de Sevilla para regular con precisión la interacción plasma-sustrato que ha demostrado su compatibilidad con sustratos delicados[DOI 10.1039/C4TC00294F].

La imagen muestra un ejemplo del rendimiento de la limpieza por plasma cuando se aplica a un sistema ASIC que presenta una gran acumulación de residuos orgánicos desconocidos dentro de las zanjas. Las imágenes de la parte superior corresponden a una zona no tratada y a una zona tratada, mientras que las imágenes de la parte inferior muestran el efecto en diferentes fases del tratamiento con plasma.

plasma cleaning

Remember

“In all the cases, the parts were selected, ordered, received, tested, packed, and stored with a periodic verification (when required), supplying the components to the different equipment manufacturers through programmed deliveries”.

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