Calidad de agua adecuada para la limpieza de componentes

Dr. Steffen Orben - Socio gerente

Sistema de intercambio iónico para el suministro de agua en sala limpia en la FH Kaiserslautern / Ubicación Zweibrücken (Foto: W. Pfeifer)

Resinas de intercambio iónico (Foto: Orben)

Cartuchos de resina de intercambio iónico (Foto: Orben)

Regeneración del Harz (Foto: Orben)

La preparación de componentes para pasos posteriores de procesamiento y la limpieza de los productos interesan a todas las empresas de fabricación. Una limpieza exhaustiva significa para un fabricante de productos una superficie libre de grasa. Otro no quiere encontrar rastros de minerales en la pieza después de la limpieza, ya que incluso las pequeñas incrustaciones podrían inutilizar los productos. Para todas las aplicaciones se aplica: el resultado de la limpieza solo puede ser tan bueno como el último enjuague.

El agua limpia no es lo mismo que agua pura

Por lo tanto, el agua del grifo a menudo no es suficiente para limpiar componentes. En su lugar, se necesita agua desmineralizada. Limpia mejor las contaminaciones que el agua del grifo, en la que están disueltos sales y otras sustancias. La concentración de sales se determina midiendo la conductividad eléctrica del agua. Se expresa en microsiemens por centímetro [μS/cm]. El agua del grifo promedio tiene aproximadamente 700 μS/cm. Los sistemas de tratamiento de agua pueden eliminar sales del agua y reducir la conductividad. El usuario puede elegir entre diferentes procedimientos que le proporcionan distintas calidades de agua.

Diferentes caminos hacia un objetivo

La ósmosis inversa desala el agua mediante filtración muy fina. El agua del grifo pasa con presión a través de una membrana semipermeable que retiene las sales. El agua pura pasa a través de ella. Se obtiene agua con aproximadamente 30 μS/cm, una fracción de la conductividad del agua de origen, pero aún no cumple con muchos requisitos de limpieza técnica. Por eso, la ósmosis inversa generalmente se usa como pretratamiento para el intercambio iónico, cuando hay una gran necesidad de agua totalmente desmineralizada y se quiere prolongar la vida útil del cartucho de intercambio iónico.

La desionización (desmineralización) completa mediante cartuchos de intercambio iónico elimina los iones de las sales disueltas en el agua. Los resinas de cationes y aniones se hacen pasar con agua y retienen los componentes cargados eléctricamente. El resultado es un agua con aproximadamente 0,1 μS/cm, mucho más libre de sales que mediante ósmosis inversa. Un cartucho de 40 litros produce en promedio 5.000 litros de agua totalmente desmineralizada a partir del agua del grifo. Las resinas pueden regenerarse varias veces. Los costos de inversión y los requisitos de manejo son relativamente bajos. Se requiere un proveedor con servicio en el lugar y documentación confiable de los lotes. Los costos operativos solo surgen por el servicio de reemplazo de los cartuchos.

La calidad tiene su precio. Esto es especialmente cierto para los costos de adquisición y operación de los sistemas de limpieza. Quien ahorra en desmineralización puede posteriormente lamentar pérdidas de calidad y mayores costos de seguimiento.

¿Quién necesita agua totalmente desmineralizada?

Las calidades de agua necesarias varían según los requisitos del producto de diferentes empresas de fabricación. También, la cantidad de piezas producidas influye significativamente en la cantidad diaria de agua de proceso requerida.

En una sala limpia de una universidad se fabrican prototipos de microsistemas. Aquí se crean estructuras muy finas y circuitos electrónicos en la escala de micrómetros. Los requisitos de pureza para la fabricación y la limpieza final son altos. Para componentes micromecánicos o microelectrónicos, análisis y experimentos, se requiere agua totalmente desmineralizada. Incluso las incrustaciones minerales más pequeñas entre las pistas de los productos podrían causar fallos y destrucción de las piezas. Los cartuchos de intercambio iónico suministran agua de proceso con una conductividad inferior a 0,1 μS/cm. La capacidad de desmineralización de los cartuchos disminuye con el tiempo. Sin embargo, en producción en serie cero, se necesitan resultados reproducibles. Esto se logra mediante el uso de dos cartuchos idénticos que garantizan una calidad constante del agua. Cada vez más iones se unen a las resinas del primer cartucho. Cuando se supera un umbral definido de conductividad, se cambia al segundo cartucho. El cartucho gastado puede reemplazarse rápidamente. El consumo de agua en la sala limpia de prototipos es relativamente bajo. No sería rentable implementar medidas adicionales de tratamiento de agua en este punto.

Para laboratorios con alta demanda de agua, se recomienda un sistema combinado de tratamiento de agua. La ósmosis inversa mejora inicialmente significativamente la conductividad del agua del grifo. El intercambiador de iones posterior lleva el agua a la calidad de proceso y tiene por ello una vida útil mucho más larga.

En laboratorios de salas limpias que deben cumplir requisitos de higiene especiales, a menudo se realiza también la desinfección del agua mediante radiación UV-C. Los patógenos como bacterias, virus o algas, que se transmiten a través del agua, representan un gran problema para muchos procesos. La tecnología UV elimina estas contaminaciones, que aún pueden estar presentes en el agua pura, sin añadir productos químicos.

La máxima limpieza, incluso en producción en serie

En la fabricación de semiconductores se requiere un entorno de sala limpia para proteger componentes altamente complejos de contaminantes y mantener su funcionalidad. A pesar del entorno de sala limpia, todavía existen muchas fuentes de contaminación. Las principales causas son el personal en la línea de producción, el aire ambiente y los productos químicos utilizados en el proceso. Muchas veces, se trata de contaminantes microscópicos como partículas, contaminaciones moleculares por hidrocarburos de las bombas o contaminaciones iónicas, por ejemplo, por soldadura manual. Estas se adhieren a la superficie de las obleas de silicio y pueden tener efectos negativos en los productos. Por ejemplo, pueden causar efectos de sombreado durante la exposición de la máscara fotográfica sobre las obleas de silicio. También, los iones acelerados en procesos de implantación pueden mantenerse alejados de la superficie de las obleas. Las partículas atrapadas pueden hacer que las capas depositadas se agrieten en estos lugares. Las contaminaciones moleculares difunden en las capas. La adhesión de capas posteriores puede deteriorarse, así como sus propiedades eléctricas.

Una secuencia típica de limpieza puede ser la siguiente: primero, las obleas se limpian en un baño ultrasónico con una solución de agua y detergentes ultrasónicos y de red, eliminando partículas de la superficie. Los metales y contaminaciones moleculares se unen parcialmente mediante el detergente. Luego, se eliminan contaminaciones orgánicas como grasa o aceite con acetona o etanol. Esto deja residuos de carbono en la superficie. Finalmente, con agua totalmente desmineralizada se enjuagan las contaminaciones iónicas y se secan en una secadora bajo atmósfera de nitrógeno. Después de cada paso del proceso, las obleas se enjuagan con agua pura. Por eso, la fabricación de semiconductores requiere una gran cantidad de agua pura, que debe estar casi libre de contaminantes. El agua totalmente desmineralizada, y en función del producto y uso también agua desinfectada por UV, es imprescindible en estos procesos.

¿Mucho ayuda mucho?

Las calidades de limpieza y las cantidades de agua necesarias varían mucho según el producto y la industria. Sin embargo, se recomienda a todos los usuarios que evalúen la inversión en tratamiento de agua. Los intervalos de mantenimiento de los sistemas de limpieza pueden ampliarse, y se pueden reducir los aditivos de limpieza. Mejores resultados de limpieza conducen a una mayor calidad de los productos. La prevención evita retrabajos.