Selección sistemática de materiales para aplicaciones en salas limpias

Figura 1: Vista de la cámara de muestra abierta del PET con muestra incorporada (©: Materiales GmbH)

Tabla 1: Visión general específica del sector sobre tipos críticos de contaminación, adaptada de [1]

Figura 2: Resultados de una medición de la carga de partículas en una muestra de PEEK utilizando el tribómetro de emisión de partículas (aquí con el ejemplo de partículas de tamaño > 0,3 μm)

La selección de materiales es uno de los pasos decisivos en la ingeniería. En una época en la que aplicaciones cada vez más complejas y exigentes plantean requisitos cada vez mayores a los materiales utilizados, la cuidadosa selección de estos se convierte en un desafío complejo. El proceso de selección de materiales comprende un análisis sistemático, en el cual primero se obtiene una visión general de las condiciones a las que estará expuesto el material en uso. En este proceso, además de los aspectos técnicos, también juegan un papel central factores ecológicos y económicos en la Ingeniería de Requisitos. Sobre la base de este pliego de condiciones, se investigan e identifican materiales adecuados que posean tanto idoneidad técnica como la posibilidad de fabricación económica de los componentes. De esta amplia preselección, mediante pruebas de materiales seleccionadas, se extraen los candidatos prometedores y finalmente se califican en pruebas prácticas o pruebas de campo.

Mientras que la funcionalidad, rentabilidad y sostenibilidad de los materiales son los factores determinantes para aplicaciones de ingeniería clásicas, la limpieza del material representa un requisito adicional e imprescindible para aplicaciones sensibles a contaminantes. Por lo tanto, debe considerarse en los procesos de selección.

Las series ISO 14644 y VDI 2083 describen requisitos y reglas para la operación de salas limpias. La hoja 17 de la VDI 2083 describe procedimientos estandarizados para garantizar diferentes aspectos de la idoneidad de limpieza de los materiales. [1] Los parámetros considerados incluyen el comportamiento de emisión de partículas, la desgasificación, la descarga electrostática (ESD), la resistencia a productos químicos y corrosión, así como la facilidad de limpieza. En la Tabla 1 se presenta una visión general de las necesidades sectoriales relacionadas con los tipos de contaminación y su importancia relativa.

Las siguientes secciones describen los diferentes tipos de contaminación, métodos y posibilidades de su evaluación en el marco de la selección de materiales.

Emisión de partículas

La pureza del aire según DIN EN ISO 14644-1 define las clases de salas limpias en función del contenido de partículas en el aire. Los materiales pueden albergar en su superficie partículas que provienen de la fabricación o del aire circundante. En particular, en el caso de componentes en los que las superficies se alojan relativamente entre sí, se produce la emisión de nuevas partículas. La magnitud de la formación de partículas depende de diversos factores, como la combinación de materiales, la textura superficial, o la carga, tipo y velocidad del movimiento.

Una posibilidad de comparación relativa de la emisión de partículas bajo cargas y velocidades definidas es el espectrómetro de emisión de partículas (PET), desarrollado por Materiales GmbH en colaboración con el Centro de Competencia en Tribología de Mannheim (ver Figura 1). Este banco de pruebas tribológico puede operarse en configuraciones de bola sobre disco o pasador sobre disco. La simplicidad geométrica de las muestras permite comparar teóricamente cualquier combinación de materiales. El principio de prueba sencillo permite variar la carga y la velocidad para aproximarse a una carga realista. Las partículas se generan en un entorno encapsulado y se dirigen mediante aire comprimido a un contador de partículas, que registra seis tamaños diferentes de partículas (>0,3 μm, >0,5 μm, >1,0 μm, >3,0 μm, >5,0 μm y >10 μm). A partir del conjunto de partículas transportadas en un volumen de aire predeterminado en un tiempo determinado, se puede clasificar en una clase de sala limpia.

La Figura 2 muestra resultados de medición ejemplares de una muestra de polieteretercetona (PEEK) para partículas con un diámetro > 0,3 μm. Se observa la medición de referencia tomada y la formación de partículas en la medición real, una combinación de materiales de PEEK y acero inoxidable 1.4125 con una carga de 25 N y una velocidad de 30 rpm.

Desgasificación (“Outgassing”)

Además de la contaminación particulada, las contaminaciones químicas también pueden ser responsables de que un material no sea apto para salas limpias. El "Outgassing" se refiere a la liberación de sustancias volátiles, generalmente orgánicas (VOC), de los materiales, como por ejemplo los ftalatos, silicatos o aminas, que a menudo se emplean como aditivos y plastificantes. La desgasificación afecta frecuentemente a materiales orgánicos como plásticos y adhesivos, selladores o recubrimientos. También puede contaminar sistemas técnicos y dañarlos. Las sustancias liberadas pueden depositarse en superficies, afectando, por ejemplo, la funcionalidad de equipos sensibles y, en particular, sistemas ópticos. Además, la desgasificación puede causar contaminación del aire en interiores o aumentar la presión en salas limpias y atmósferas de vacío, afectando negativamente la calidad y productividad del producto. [2, 3]

Dependiendo del sector y la aplicación, los métodos de investigación utilizados varían. La norma VDA 278 [4], desarrollada por la Asociación de la Industria Automotriz, es un método estándar para determinar la proporción de sustancias volátiles condensables y no condensables que emiten materiales no metálicos. En su forma original, es un método estándar para garantizar la calidad del aire en interiores de vehículos. La prueba consiste en calentar una muestra en un tubo de desorción durante un período definido. La temperatura y la duración están especificadas en la VDA 278, pero pueden ajustarse a requisitos específicos. Un flujo de gas portador transporta las sustancias volátiles a un condensador, donde se concentran. Luego, el condensador se calienta, las sustancias se evaporan y se someten a separación cromatográfica acoplada a un espectrómetro de masas (GC-MS). Este método permite no solo determinar la cantidad de sustancias gaseosas, sino también identificar las sustancias químicas individuales. La norma ASTM E595 regula un método para la evaluación de emisiones en condiciones de espacio, en el cual los materiales se calientan en vacío a 125 °C durante 24 horas, registrando la pérdida de masa. Además, el aparato de medición determina la proporción de especies condensables y no condensables, así como la absorción de vapor de agua por la sustancia analizada.

Un tercer método para evaluar la desgasificación es el análisis de gases residuales (RGA).

Este método mide la desgasificación de un material a temperatura ambiente y en vacío mediante la ionización de las sustancias liberadas. El detector de iones identifica los iones y sus patrones de fragmentación, permitiendo identificar las sustancias neutras. Cuando se conoce la composición de la sustancia, se pueden aplicar coeficientes de calibración para determinar la composición relativa. El límite de detección es de 3 ng/cm³.

Descarga electrostática (ESD)

En cualquier lugar donde la contaminación particulada sea un problema, es esencial conocer las propiedades electrostáticas de los materiales utilizados. Si en una aplicación hay fricción entre materiales o un campo eléctrico actúa sobre ellos, puede producirse una carga electrostática. Esto hace que las partículas se adhieran a la superficie del material y puedan emitirse de forma incontrolada durante el uso. Dependiendo de la aplicación del material, debe distinguirse entre antielectrostático, conductor eléctrico, conductor a tierra y aislante electrostático. Para ello, se determinan parámetros como la resistencia superficial o la resistencia de paso según DIN EN 61340-5-1, DIN EN 1081 o SEMI E78-0309.

Resistencia a productos químicos y corrosión

En los diversos procesos realizados en salas limpias o para la limpieza de productos o conjuntos, los materiales están expuestos a diversos medios y sustancias. Por ello, la VDI 2083 hoja 17 considera el aspecto de la resistencia química y el comportamiento frente a la corrosión de los materiales. Para la prueba, los materiales se sumergen en la sustancia química correspondiente durante un tiempo definido y luego se examinan en busca de cambios. La evaluación generalmente se realiza mediante características visuales según DIN EN ISO 2812-1 o DIN EN. También pueden evaluarse cambios en las propiedades del material, como dureza o resistencia a la tracción. La definición de las condiciones de prueba no sigue una norma específica, sino que se establece según los requisitos de la aplicación individual.

Facilidad de limpieza

El procedimiento descrito en la VDI 2083 hoja 17 para verificar la facilidad de limpieza de los materiales se refiere exclusivamente a contaminaciones particuladas en superficies de materiales. Para poder evaluarlas, se considera la diferencia en la cantidad de partículas antes y después de la limpieza. Para ello, se cuentan las partículas en varias áreas de tamaño en la superficie. La cantidad de partículas antes de la limpieza se relaciona con la cantidad después, permitiendo determinar la eficiencia de limpieza, que puede clasificarse en un sistema de referencia. Además, se pueden determinar las clases de limpieza superficial según DIN EN ISO 14644-9 para clasificar los materiales. La limpieza de componentes para producción en serie generalmente se realiza en líneas de limpieza a medida, cuyo uso no es adecuado para probar nuevos materiales o evaluar ciertos riesgos de contaminación. Sin embargo, los procesos de limpieza también pueden simularse en un entorno de laboratorio reducido para reducir riesgos de contaminación y ahorrar tiempo, recursos y costos.

Otros aspectos de la limpieza de materiales

Certain condiciones de aplicación requieren consideraciones adicionales a los aspectos descritos en la VDI 2083 hoja 17. Por ejemplo, la luz ultravioleta se emplea para esterilización y visualización de contaminación en aplicaciones en salas limpias, y una incompatibilidad, especialmente de materiales orgánicos, con radiación enérgica puede conducir a procesos de degradación y, por tanto, a mayor desgasificación o formación de partículas. Lo mismo ocurre con atmósferas especiales que contienen especies reactivas. En el espacio, por ejemplo, los materiales están expuestos a especies reactivas de oxígeno en órbitas cercanas a la Tierra o a altas dosis de radiación enérgica, como UV, rayos X o gamma. En algunos procesos de fabricación de semiconductores, como la litografía EUV, los materiales entran en contacto con compuestos reactivos de hidrógeno. Todas estas condiciones pueden conducir a contaminación de dos maneras: por un lado, mediante la degradación de los materiales, lo que puede conllevar pérdida de propiedades además del riesgo de contaminación; por otro lado, incluso con compatibilidad del material base, pueden ocurrir reacciones con ciertos componentes del material (por ejemplo, aditivos o agentes de procesamiento), generando especies volátiles.

El análisis químico de trazas puede contribuir significativamente aquí, por ejemplo, para identificar componentes potencialmente críticos en los materiales o para determinar productos de degradación. Dependiendo del caso de uso específico, existen muchas posibilidades diferentes. Como ejemplos de varias técnicas, se pueden mencionar la espectrometría de masas (MS), análisis por fluorescencia de rayos X (XRF), espectroscopía infrarroja (IR) o espectroscopía de rayos X dispersiva en energía (EDX). La elección del método más adecuado es crucial, y un especialista experimentado puede ayudar en ello.

Materiales piensa en rendimiento y limpieza en conjunto

Los procesos de selección de materiales para su uso en salas limpias plantean un desafío complejo para las empresas. La experiencia de Materiales en sectores de alto rendimiento, como la tecnología de semiconductores o la aeroespacial, ha demostrado que tanto el rendimiento como la limpieza deben considerarse de manera conjunta y holística. Esto incluye los marcos legales y regulaciones que son de gran importancia en diferentes industrias de salas limpias. También es necesario comprender en detalle las propiedades de los materiales utilizados para lograr la mejor funcionalidad posible y evitar fallos costosos. Los especialistas de Materiales tienen experiencia en aplicaciones sensibles a contaminantes y disponen del conocimiento y del equipo de prueba específico necesarios para apoyar en la selección de materiales y en otras cuestiones relacionadas con los materiales. Además, los expertos de Materiales pueden asistir en cuestiones legales y formales relacionadas con la seguridad química. De este modo, se garantiza que todos los aspectos de los componentes y procesos que se realizarán en la sala limpia sean considerados y evaluados exhaustivamente.