Autores: Rubén Alfredo Parada Leyva, Gustavo López Badilla.
RESUMEN
En este estudio se presentan los resultados de la evaluación de los niveles de acidez en el interior de una empresa ubicada en la ciudad de Tijuana, al noroeste de México. Se analizó el nivel de pH oscilando entre 4 y 5 en procesos de manufactura de la industria electrónica de esa ciudad. El análisis mostró por medio de la Teoría Funcional de Densidad (TFD) información relevante en los cambios de densidad del cobre principalmente con los índices de energía de Fermi. Como primera etapa se desarrolló una correlación de las fallas eléctricas de computadoras personales, posteriormente se realizaron simulaciones con el programa Wein2k con los niveles de energía obtenidos de productos fabricados en buen estado y deteriorados. Una vez elaborados los procesos de simulación se obtuvieron microfotografías con la técnica de Microscopia de Barrido Electrónico (MBE, Scaning Electron Microscopy-SEM) para determinar y comprobar lo elaborado con la simulación fisicoquímica.
PALABRAS CLAVE: TFD, densidad, electrónica, microcomponentes, factores, climáticos.
INTRODUCCIÓN
La variación de la densidad electrónica causa modificaciones en las propiedades de conductividad eléctrica de los materiales usados en la industria electrónica (López Badilla et al., 2010). Esto origina que los dispositivos de altas frecuencias utilizados en sistemas de conectividad inalámbrica para internet de computadoras personalizadas no operen adecuadamente, causando interferencias al momento de ser usados por los clientes y generando pérdidas de señal en lugares donde se tiene acceso a la red inalámbrica para internet.
Al principio se consideró el lugar de acceso de internet en los Estados Unidos donde ocurría la falla, pero las pruebas indicaron que eran los microsistemas de la computadora personalizada. La Densidad Local de Aproximaciones (DLA) es una aproximación para el intercambio-correlación (Chigo y Rivas, 2004) de la energía funcional en la Teoría Funcional de la Densidad (TFD) que depende únicamente del valor de la densidad electrónica en cada punto en el espacio (y no, por ejemplo, derivados de la densidad de los orbitales). Dicha teoría tiende a fallar en ocasiones cuando se analizan metales de óxidos de transición (Johnson et al., 2009). Muchos enfoques pueden dar aproximaciones locales a la energía de los orbitales. Sin embargo, las aproximaciones locales abrumadoramente exitosas son aquellas que se han derivado de un modelo de gas electrónico homogéneo (GEH) (Tkatchenko y Scheffler, 2009). A este respecto, la DLA es generalmente sinónima de las funciones basadas en la aproximación GEH que luego se aplican a los sistemas realistas (moléculas y sólidos).
Gas de electrones homogéneo (GEH)
Esta técnica de aproximación desarrolla análisis de densidad de diversas maneras, el de mayor éxito se basa en el gas de electrones homogéneo. Este se construye cuando interactúan los electrones en un volumen de un material donde se observa cómo varían sus propiedades fisicoquímicas. Uno de los factores para modificar las características y que varíe la densidad de electrones en los materiales es la exposición a índices de contaminación atmosférica que afecta la carga eléctrica. Esto ocurre porque se generan movimientos de electrones dentro del material por el proceso de la corrosión en los dispositivos electrónicos, cambiado la intensidad de la densidad eléctrica y con ello la energía en las bandas de conducción de los microcomponentes usados en telefonía celular. Esta es una aproximación útil de cómo la energía total consta de contribuciones sólo a partir de la energía cinética y la energía de cambio de correlación, y que la función de onda se puede expresar en términos de ondas planas. En particular, para una densidad ρ constante, la densidad de energía acumulada en el proceso en los dispositivos electrónicos por la presencia de baja o alta acidez varía proporcionalmente de acuerdo a la forma en que se modifican los índices de la energía de densidad eléctrica (Fiolhais et al., 2003).
Acidez
El nivel de acidez en interiores de plantas industriales dedicadas a la manufactura de equipos electrónicos (teléfonos celulares) se caracteriza por generar ambientes agresivos que deterioran las conexiones y conectores eléctricos (Oxtoby et al., 2015). Esto origina las fallas eléctricas en los microcomponentes por la presencia de corrosión, que tanto preocupan a especialistas del área, gerentes y dueños de las empresas.
Los ácidos son almacenados en las plantas industriales, en lugares específicos, seguros y en ocasiones en zonas cerradas sin flujo de aire. Aun cuando los ácidos tienen la capacidad de resistir altos niveles de humedad relativa (HR) y temperatura, en ocasiones los niveles de estos parámetros climáticos mayores a 80% y 40° C en áreas de la empresa sin flujo de aire pierden algunas propiedades fisicoquímicas y generan imperfecciones por corrosión.
Los análisis de corrosión en el interior de las plantas industriales muestran que los ácidos se pueden identificar de acuerdo a su grado de acidez, agresividad y la generación del deterioro de las superficies metálicas de conexiones y conectores eléctricos de los dispositivos electrónicos. Los ácidos fuertes y algunos débiles concentrados son corrosivos y tienen un efecto adverso en la operación de microcomponentes electrónicos. La mayoría de los ácidos encontrados en la vida cotidiana son soluciones acuosas o se puede disolver en las películas visibles e invisibles de agua que se forman en las superficies metálicas (López Badilla et al., 2007).
Microelectrónica
La microelectrónica es un área muy importante en los procesos de manufactura de plantas industriales, representa la fabricación (o microfabricación) de diseños electrónicos de componentes muy pequeños. Estos dispositivos están manufacturados a partir de materiales semiconductores. Muchos de estos componentes de diseño electrónico normal están disponibles en un equivalente de microelectrónica. Incluyen transistores, condensadores, inductores, resistores, diodos, aislantes y conductores que se pueden encontrar en dispositivos electrónicos (López Badilla et al., 2010; Robaina et al., 2010).
Las técnicas únicas de cableado, como unión por hilo, son utilizadas en la microelectrónica por el tamaño inusualmente pequeño de los componentes, cables y conexiones. Esta técnica requiere equipo especializado y muy costoso. Los circuitos integrados digitales (CID) consisten en su mayoría de los transistores. Los circuitos analógicos comúnmente contienen resistencias y condensadores, además de otros componentes electrónicos como los inductores, que son usados en algunos circuitos analógicos de alta frecuencia, pero tienden a ocupar el área del microcomponente (chip) cuando se usa a bajas frecuencias y puede ser sustituido en muchas aplicaciones. Al mejorar las técnicas de fabricación de los microdispositivos electrónicos la escala de los componentes microelectrónicos continúa disminuyendo (Villa et al., 2009). En menor escala, el impacto relativo de las propiedades intrínsecas del circuito, como las interconexiones, puede ser más significativo. Debido a esto, en ocasiones, se presentan los efectos parásito y el objetivo del ingeniero de diseño microelectrónico es encontrar formas de compensar o minimizar estos efectos a un bajo costo.
Contaminación atmosférica
La contaminación atmosférica es el más visible de todos los procesos de corrosión: puentes oxidados, banderas, edificios y monumentos al aire libre. Un gran segmento de la industria usa pinturas en los procesos de fabricación y aplicación a los productos para la protección de metales, así como las operaciones a gran escala de la industria de la galvanización, que es un indicio de la importancia de controlar la contaminación atmosférica (López Badilla et al., 2010). Esto ocurre por la presencia de los VSA principalmente en los meses de febrero, marzo, noviembre y diciembre. Las pérdidas económicas causadas por la corrosión atmosférica son por la desaparición de una parte significativa de los materiales metálicos usados en la microelectrónica.
Todos los elementos metálicos que sufren de corrosión se eliminan y se convierten en componentes inutilizables como consecuencia de la corrosión, generándose pérdidas económicas para las empresas. La corrosión atmosférica genera grandes costos cuando ocurre en los procesos de manufactura industrial por la degradación del material (Robaina et al., 2010). Este tipo particular de degradación del material recientemente ha recibido más atención, sobre todo por la industria electrónica, debido a que la tecnología es cada vez más compleja con dispositivos más pequeños. Todos los tipos generales de ataque de la contaminación se producen en la atmósfera (López Badilla, 2008). Dado que el metal que se corroe no está bañado en grandes cantidades de electrolito, la corrosión atmosférica genera celdas de corrosión muy localizadas, a veces produciendo patrones difíciles de explicar.
DESARROLLO
Metodología
Este estudio se desarrolló con los requerimientos de una empresa del ramo electrónico, con presencia de fallos en los sistemas de telefonía celular y con corrosión uniforme y por picaduras en diferentes procesos de manufactura (ISO 9223, 1992). Como primera etapa se desarrolló un análisis de las fallas eléctricas correlacionándolas con los niveles de HR y temperatura por estaciones y principalmente cuando se presentaban los VSA (ISO 11844-1:2006, 2006). Posteriormente se evaluaron microdispositivos usados en los sistemas de comunicación de las computadoras personales evaluadas, con la técnica de MBE y se mostraron las microfotografías con los procesos de corrosión. La última etapa fue el análisis en el programa Wein2k donde se evaluó la energía de las bandas de conducción de los materiales usados en los dispositivos electrónicos. Se utilizó el programa MatLab para elaborar una correlación de los factores climáticos con las fallas eléctricas (ISO 11844-2:2005, 2005).
Resultados
La corrosión atmosférica afecta a la industria electrónica. Los contaminantes del aire en la zona noroeste de la República Mexicana donde está ubicada la ciudad de Tijuana con un ambiente marino, son iones cloruro (Cl-) provenientes de la brisa del mar y los sulfuros emitidos por algunas plantas industriales y el tráfico vehicular. La ciudad de Tijuana geográficamente está rodeada de pequeñas montañas y eso genera que los contaminantes del aire mencionados permanezcan por varias horas o días en la zona.
Correlación de fallas eléctricas y contaminación atmosférica
Las fallas eléctricas generadas en las computadoras personales disminuyeron el rendimiento productivo con lo cual se redujeron las utilidades de la empresa donde se realizó el estudio. La figura 1 muestra los niveles de fallas eléctricas, indicando con el color rojo los de mayor presencia de imperfecciones en las computadoras y con el color azul las de menor intensidad de fallas eléctricas en estos equipos. Los índices de la disminución de operatividad de las computadoras se correlacionaron con los niveles de HR y temperatura, indicando que con 50% de HR y 25° C se observan los índices más altos y a 55% y 8° C los niveles más bajos para la época de invierno (figura 1). Para el periodo de verano, los índices de fallas eléctricas mostrados indicaron a 50% de HR y 40° C el mayor grado de irregularidades y a 70% y 13° C los menores efectos de bajo rendimiento operativo (figura 2).
Figura 1. Correlación de fallas eléctricas de computadora personal con niveles de HR y temperatura en el interior de la planta industrial en la época de invierno (2011).
Microanálisis de contaminación en equipos electrónicos industriales
A nivel macro en ocasiones se observaban pequeños y diminutos puntos negros en algunas secciones de conductividad eléctrica de las computadoras personales. Esto conlleva fallas eléctricas y se evaluaron las áreas corroídas para detectar el deterioro de las microconexiones eléctricas, como se muestra en la figura 3 para el invierno y el verano. La figura 3a muestra la presencia de corrosión por picaduras en una unión metálica de un microcomponente electrónico y la figura 3b indica el desarrollo de corrosión uniforme. En cada caso la película de humedad visible formada en las superficies metálicas de las conexiones eléctricas fue parte del proceso de cada tipo de corrosión detectada. A medida que se incrementa la energía del intercambio de electrones mayor a la Energía de Fermi en las superficies metálicas de los materiales evaluados, tendían a aumentar los índices de corrosión y formarse procesos más complejos y difíciles de controlar.
Figura 3. Niveles de deterioro de conexiones eléctricas de microdispositivos usados en las computadoras personales durante (a) el invierno y (b) el verano (2011).
Evaluación de Aproximación de Densidad Local
El análisis de ADL se basa en el método de primeros principios de la TFD donde se evaluaron diez computadoras personales con esta técnica y se presentan los diversos índices de energía obtenidos por el proceso de corrosión en las zonas contaminadas de los materiales metálicos evaluados. Esto indicó que la energía sobrepasa los niveles de la Energía de Fermi (EF) en ambos lados (positivo y negativo). Esto representó una variabilidad en la energía, mostrándose las alteraciones de conductividad eléctrica que son las fallas eléctricas ocurridas en los equipos evaluados (ver figura 4). La Energía de Fermi representada a la mitad de la figura 4 indica que los niveles de energía del proceso en donde se generaba la corrosión no debían intercalarse en espacios menores y mayores a la Energía de Fermi, esto generaba corrosión y las fallas de operatividad del material evaluado.
Figura 4. Análisis de estructuras de banda de energía en un microdispositivo de una computadora personal manufacturada en la empresa evaluada en la época de invierno (2011).
CONCLUSIONES
La contaminación de microcomponentes se debe a los cloruros y sulfuros, es generada en microdispositivos electrónicos de computadoras personales y tuvo presencia en el interior de la empresa dedicada a la fabricación de este tipo de productos que se estudió para este trabajo.
Los casos de ocurrencia de fallas eléctricas en estos equipos electrónicos manufacturados con procesos de producción con niveles muy estrictos de supervisión no se relacionaban con esta contaminación hasta que se procedió a evaluar este factor.
Se considera que la materia prima estaba defectuosa pero era en la empresa donde se originaba esta problemática. Para esta investigación se realizó un microanálisis y evaluaciones con la técnica de correlación de ADL de la TFD, indicando cómo variaba la energía en las microzonas contaminadas.
BIBLIOGRAFÍA
Chigo, E. y Rivas-Silva, J. F. (2004). Fallas de la aproximación lda (local density approximation) en la teoría DFT (density functional theory) en la descripción de sistemas fuertemente correlacionados. Revista Colombiana de Física, 37(2).
Fiolhais, C., Nogueira, F. y Marques, M. (2003). A Primer in Density Functional Theory. Springer (Vol. 620). Springer Science & Business Media.
Johnson, E. R., Mackie, I. D. y DiLabio, G. A. (2009). Dispersion interactions in density functional theory. Journal of Physical Organic Chemistry, 22(12):1127–1135.
ISO 11844-1:2006. (2006). Corrosion of metals and alloys -Classification of low corrosivity of indoor atmospheres -Determination and estimation of indoor corrosivity. Geneva: ISO.
ISO 11844-2:2005. (2005). Corrosion of metals and alloys -Classification of low corrosivity of indoor atmospheres -Determination and estimation attack in indoor atmospheres. Geneva: ISO.
ISO 9223. (1992). Corrosion of Metals and Alloys. Corrosivity of Atmospheres. Classification, International Organization for Standardization. Geneva: ISO.
López Badilla, G., Valdez, S.B., Zlatev, K. R., Flores, P.J., Carrillo, B.M., Schorr, W. M. (2007). Corrosion of metals at indoor conditions in the electronics manufacturing industry). Anti-Corrosion Methods and Materials, 54(6):354-359.
López Badilla, G. (2008). Caracterización de la corrosión en materiales metálicos de la industria electrónica en Mexicali. (Tesis inédita de Doctorado). Baja California, México.
López Badilla, G., Reyes-Serrato, A. y Gamietea-Domínguez, A. (2010). La estabilización del zirconio con óxido de itrio versus bajos niveles de contaminación atmosférica. Revista Tecnología, Ciencia, Educación, 25(1):35-43.
López Badilla, G., Tiznado, H., Soto, G., De la Cruz, W., Valdez, B., Schorr, M. y Zlatev, R. (2010). Corrosión de dispositivos electrónicos por contaminación atmosférica en interiores de plantas de ambientes áridos y marinos. Nova Scientia, 5,3(1).
López Badilla, G., Valdez, S. B., Schorr, W. M., Tiznado, V. H. y Soto, H. G. (2010). Influence of climate factors on copper corrosion in electronic equipments and devices. Anti-Corrosion Methods and Materials, 57(3):148-152.
Oxtoby, D. W., Gillis, H. P. y Butler, L. J. (2015). Principles of Modern Chemistry. Brooks Cole. Cengage Learning.
Robaina, R. R., Alvarado, H. T. y Plaza, J. A. (2010). Planar coil-based differential electromagnetic sensor with null-offset. Sensors and Actuators A: Physical, 164(1):15-21.
Tkatchenko, A. y Scheffler, M. (2009). Accurate Molecular Van Der Waals Interactions from Ground-State Electron Density and Free-Atom Reference Data. Physical Review Letters, 102(7).
Villa, J. L., Sallán, J., Llombart, A. y Sanz, J. F. (2009). Design of a high frequency inductively coupled power transfer system for electric vehicle battery charge. Applied Energy, 86(3):355-363.
