ES2280955T3 - Cabinas secas para uso en la gestion de dispositivos sensibles a la humedad en la fabricacion de electronica. - Google Patents
Cabinas secas para uso en la gestion de dispositivos sensibles a la humedad en la fabricacion de electronica. Download PDFInfo
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Abstract
Una cabina que tiene un espacio interior cerrado para almacenar dispositivos de montaje en superficie, en un ambiente de baja humedad relativa, que comprende: un desecador, un generador de nitrógeno, o ambos, asociados con dicha cabina y transportables con ella, medios para recibir un suministro de aire comprimido que se comunica con dicho desecador o dicho generador de nitrógeno, o ambos, y medios para dirigir una corriente de gas seco desde dicho desecador o dicho generador de nitrógeno hacia el interior de dicha cabina para mantener un ambiente de baja humedad en dicho espacio interior.
Description
Cabinas secas para uso en la gestión de
dispositivos sensibles a la humedad en la fabricación de
electrónica.
La invención está relacionada con mejoras en el
campo del empaquetamiento y montaje electrónicos y con la soldadura
de circuitos integrados o dispositivos pasivos en placas de circuito
impreso.
La integración y miniaturización progresivas de
componentes para circuitos electrónicos se ha convertido en un reto
creciente para los límites de la tecnología de placas de cableado
impreso en los últimos veinte años. Las placas de circuito impreso
o placas de cableado impreso (PWB) como son denominadas más
comúnmente, juegan varios papeles clave. En primer lugar, los
componentes eléctricos, tales como los circuitos integrados
especialmente empaquetados, las resistencias, etc., están montados
o cargados en la superficie de la placa plana en forma de tarjeta
usualmente robusta. Así, el PWB sirve como soporte para los
componentes. En segundo lugar, al utilizar diseños de conductores
chapados o químicamente decapados sobre la superficie de la placa,
el PWB forma las interconexiones eléctricas deseadas entre los
componentes. Además, el PWB puede incluir una zona metálica que
sirve como disipador de calor.
El uso creciente de los circuitos integrados, y
la tecnología de montaje en superficie (SMT) ha acelerado la
densificación de los circuitos electrónicos. Los dispositivos de
montaje en superficie (SMD) son aplicados directamente a la
superficie del PWB y soldados utilizando la soldadura por reflujo en
fase de vapor (VPR), por infrarrojos (IR) u otras técnicas de
soldadura de masas. La SMT está revolucionando la industria de
fabricación electrónica reduciendo el coste de montaje alrededor
del 50%, aumentando la densidad de componentes en más del 40% y
mejorando la fiabilidad.
En un paquete convencional de SMD, se monta una
matriz de silicio en un eyector de troquel de un substrato orgánico
multicapa. Toda el área del eyector de troquel del substrato está
recubierta con un adhesivo que une la matriz de silicio con el
substrato. Desafortunadamente, la humedad del interior de un paquete
SMD de plástico tiende a vaporizarse y se expande rápidamente
cuando se expone el paquete a las altas temperaturas de la
soldadura VPR, IR o, si el paquete se sumerge en soldadura fundida,
soldadura por onda. Bajo ciertas condiciones, la presión de la
humedad y el vapor expandidos pueden originar que se despegue
internamente el plástico del chip y/o del substrato, fracturas
internas que no se extienden al exterior del paquete, daños en la
banda, estrechamiento de los hilos, levantamiento del adhesivo,
facturas en películas delgadas, o formación de cráteres por debajo
de las uniones. En el caso más severo, el esfuerzo puede dar como
resultado fracturas externas del paquete. Esto es denominado
comúnmente como fenómeno de las "palomitas de maíz" porque el
esfuerzo interno origina que el paquete se agrande y después se
fracture con un sonido audible de "explosión". Los
dispositivos de montaje en superficie (SMD) son más susceptibles a
este problema que las piezas con orificio pasante porque los SMD
están expuestos a temperaturas más altas durante la soldadura por
reflujo. La razón para esto es que la operación de soldadura debe
ocurrir en el mismo lado de la placa de circuitos que el dispositivo
de montaje en superficie. Para los dispositivos con orificio
pasante, la operación de soldadura ocurre por debajo de la placa de
circuitos, que apantalla los dispositivos de orificio pasante del
calor de la soldadura. Generalmente también, los SMD tienen un
espesor mínimo de plástico más pequeño desde el chip o la interfaz
del eyector de montaje hasta el exterior del paquete de
plástico.
Las causas más comunes del fallo del paquete de
SMD son las fracturas creadas en el material de adhesivo o el
despegue de la interfaz adhesivo-substrato. Tal
fallo es muy común en la prueba de las "palomitas de maíz",
que es una prueba sensible a la humedad. Los paquetes SMD
convencionales solamente pueden superar la prueba de sensibilidad a
la humedad de nivel 3 del Instituto para la Interconexión y
Empaquetamiento de Circuitos Electrónicos (IPC) y del Consejo de
Ingeniería de Dispositivos de Elección Conjunta (JEDEC). Algunos
paquetes avanzados pueden superar la prueba de sensibilidad a la
humedad de nivel 2, pero la prueba de sensibilidad a la humedad de
nivel 1 permanece extremadamente retadora.
La prueba de sensibilidad a la humedad de
IPC/JEDEC (la prueba de las palomitas de maíz) tiene 3 niveles. La
sensibilidad a la humedad de nivel 3 requiere que el paquete de SMD
sea sometido a 30ºC con una humedad relativa del 60% durante 192
horas, después se somete a tres ciclos de calentamiento de
IR/convección, que siguen requisitos específicos. La sensibilidad a
la humedad de nivel 2 requiere que el paquete sea sometido a 85ºC
con un 60% de humedad relativa durante 168 horas, después es
sometido a tres ciclos de calentamiento por IR/convección. El nivel
1, que es el nivel más alto de insensibilidad a la humedad, requiere
que el paquete sea sometido a 85ºC con un 85% de humedad relativa
durante 168 horas, y después sometido a tres ciclos de
calentamiento por IR/convección (véase el documento JEDEC nº
JESD22-A112-A
Moisture-Induced Stress Sensitivity for Plastic
Surface Mount Devices).
Se han utilizado diversas técnicas para limitar
la cantidad de humedad a la que está sometido un paquete SMD entre
la fabricación del paquete y el tiempo de soldadura de una tarjeta
de circuito impreso. Se han utilizado también técnicas para ayudar
a que el paquete SMD supere niveles más altos de la prueba de las
palomitas de maíz.
Para limitar la cantidad de humedad a la que
está sometido un paquete SMD antes de soldarlo a una placa de
circuito impreso, tales paquetes son empaquetados y transportados en
bolsas herméticas para impedir la absorción de la humedad del
ambiente. Para los paquetes de SMD que no están empaquetados en
bolsas herméticas, o que han estado sometidos al ambiente durante
algún tiempo, es una norma de la industria secarlos al horno antes
de su montaje sobre una superficie. Los pasos adicionales de colocar
los paquetes SMD en bolsas herméticas u hornearlos aumentan el coste
de fabricación de un dispositivo o un producto.
Los dispositivos plásticos y no herméticos de
montaje en superficie se pueden dañar seriamente por la sobrepresión
de la humedad absorbida cuando se suelda con reflujo. Para impedir
que suceda esto, los montadores han adoptado diversas soluciones
preventivas y reactivas. Una estrategia común implica almacenar los
dispositivos de montaje superficial en cabinas secas que puedan
mantener una atmósfera con menos del 5% de humedad relativa. Sin
embargo, para permitir un porcentaje tan bajo de humedad relativa
en un ambiente dinámico, se debe hacer barriendo las cabinas secas
con un alto caudal de gas seco (típicamente N_{2}). Como
resultado, operar tales cabinas se vuelve caro en términos de
costes operativos. En muchos casos, los requisitos de N_{2}
demuestran ser un obstáculo que impide el establecimiento del
proceso en una planta de fabricación.
El documento US 6.560.839, cedido a Integrated
Device Technology, Inc, protege también un componente sensible a la
humedad contra la exposición a la humedad por encima de un nivel
predeterminado de umbral, colocando el dispositivo en un recipiente
con un desecante y cerrando herméticamente después el recipiente.
Cuando los componentes sensibles a la humedad han de ser evaluados,
se abre el recipiente y se sacan los componentes del recipiente.
Tras la evaluación, los componentes son restaurados en el
recipiente, que se vuelve a cerrar herméticamente. Los pasos
anteriores son repetidos hasta que los componentes son colocados en
su recipiente para cada envío, o para su transporte fuera del
entorno de prueba local. El recipiente protector es cualquier tipo
de envase que haga mínima la exposición al medio ambiente de los
componentes sensibles a la humedad. Debido a la eficiencia en la
detención de la acumulación de humedad, no es necesario el paso de
horneado inmediatamente antes del envío. Obviamente, abrir,
comprobar y volver a cerrar repetidamente el recipiente son pasos
añadidos que aumentan los costes de fabricación y manipulación del
dispositivo.
En el documento
US-A-5603892 se divulga un sistema
para mantener componentes electrónicos, tales como chips de
circuitos integrados, en una atmósfera controlada libre de
contaminantes. Los componentes, que pueden ser montados en un
módulo de múltiples chips, son alojados en una envoltura cerrada
herméticamente, y se mantiene dentro de la envoltura una presión
positiva de un gas libre de contaminantes, tal como el nitrógeno
puro. Se dispone una fuente de gas presurizado, conectada de forma
controlable a la envoltura, y, preferiblemente, se utiliza una
válvula de escape para igualar la presión en la envoltura cuando es
necesario acceder al interior con fines de mantenimiento o
reparación.
Los equipos comercializados por Seika
Instruments utilizan un material auto-desecante para
secar la atmósfera de una cabina seca. Sin embargo, las cabinas de
Seika Instruments no mantienen el porcentaje de humedad relativa por
debajo del 5% en un entorno dinámico.
La presente invención está dirigida a una
novedosa cabina seca utilizada para almacenar los SMD con baja
humedad e impedir fallos inducidos por la humedad de los
dispositivos. Con el fin de reducir los costes asociados con
cabinas secas de la técnica anterior, la cabina de esta invención
consiste en construir cabinas de almacenamiento de N_{2} o gas
seco que incluyen un sistema de generación de N_{2} o gas seco. El
sistema auto-contenido de generación de N_{2} o
gas seco elimina la necesidad de un sistema centralizado de
nitrógeno o aire seco limpio. Esto disminuye los costes operativos
al tiempo que elimina otros costes de instalación asociados con una
infraestructura de N_{2}. La cabina se hace por tanto
independiente mediante la auto-producción de sus
necesidades de gas seco. Esto se realiza con un coste mínimo y
elimina otros costes de instalaciones costosas para la
infraestructura de N_{2}. El módulo adicional de secador de aire
comprimido o sistema de generación de membrana de N_{2} puede ser
instalado en todos los tipos de cabinas secas de almacenamiento,
pequeñas o muy grandes, que incluyen cabinas para almacenar
bandejas, bobinas, carros de alimentación, PWB montados en un lado,
o SMD.
La figura es una vista frontal y en alzado
lateral, en sección parcial, de una cabina seca de esta invención
que contiene una fuente de gas seco
auto-generadora.
La introducción de dispositivos de montaje en
superficie (SMD) ha contribuido significativamente al avance del
montaje electrónico. Los SMD de plástico, especialmente, han ganado
una popularidad extrema porque tales dispositivos ofrecen la
versatilidad y el bajo coste inherentes a los paquetes de plásticos.
Sin embargo, estos dispositivos tienen la desventaja de ser
sensibles a la humedad. La humedad de la atmósfera se difunde a
través del paquete permeable del SMD y, si el nivel de humedad
dentro del paquete alcanza un punto crítico, el dispositivo puede
dañarse cuando se sube la temperatura durante el proceso de
soldadura por reflujo. El rápido aumento y la alta presión del
vapor en el paquete, combinados con la desadaptación térmica fatigan
al componente. Los fallos típicos de los componentes incluyen la
fractura de la matriz, la corrosión interna, daños en los hilos de
unión y, en el caso peor, fracturas externas. Esto es denominado el
efecto de las palomitas de maíz debido a la explosión audible con el
fallo.
Para evitar los fallos inducidos por la humedad
y el efecto de las palomitas, es necesario cumplir escrupulosamente
con el tiempo límite con humedad recomendado por el fabricante del
componente. El nivel de sensibilidad a la humedad (MS) con el cual
se ha cualificado al producto (IPC/JEDEC
J-STD-033A) indica el tiempo límite
con humedad. En la práctica diaria, esto no es siempre evidente por
razones prácticas (seguimiento). A modo de precaución, y cuando ha
expirado el tiempo límite con humedad, las especificaciones
J-STD-033A recomiendan
"hornear" los componentes con el fin de eliminar la humedad que
han ganado por la exposición a la humedad ambiente. El horneado
según la norma se hace normalmente a una temperatura elevada durante
un periodo que varía entre 24 horas (125ºC) a 8 días (o más, a
40ºC). El horneado concierne normalmente sólo a los componentes de
nivel 3 a 6 debido a su relativamente corto tiempo límite en
humedad.
Aunque el horneado impide los fallos y el efecto
de las palomitas inducidos por la humedad, existen otras soluciones
que son más preventivas por naturaleza. La revisión del IPC/JEDEC
J-STD-033 de julio de 2002 elabora
soluciones alternativas. Las soluciones y estrategias típicas
implican frecuentemente el uso de cabinas secas que pueden mantener
una atmósfera con una humedad relativa inferior al 5%. Sin embargo,
pocas de las cabinas de almacenamiento existentes son capaces de
alcanzar y mantener ese nivel en un entorno de producción. Las
pocas cabinas que permiten tal porcentaje bajo de humedad relativa
lo hacen barriendo las cabinas secas con caudales muy altos de gas
seco (típicamente N_{2} desde una fuente criogénica, pero podría
usarse aire seco o N_{2} por membrana). Como resultado, la
operación con tales cabinas se hace costosa en términos de costes
operativos asociados con el uso del nitrógeno. A medida que las
cabinas secas ganan en adopción en los entornos de montaje de PCB,
emerge la necesidad de cabinas que tengan costes operativos
inferiores. Esto es particularmente crítico en plantas en las que
el nitrógeno no está disponible actualmente. Instalar una fuente de
nitrógeno centralizada puede ser costoso.
Esta invención reduce los costes asociados con
el funcionamiento adecuado de una cabina seca de almacenamiento
utilizada para la gestión de dispositivos sensibles a la humedad en
un entorno de montaje de PWB. La unidad de cabina de esta invención
tiene una fuente de gas seco auto-generadora que
solamente requiere algo de energía eléctrica y aire comprimido
fácilmente disponible. La unidad de cabina produce gas seco con un
coste marginal muy bajo. Consecuentemente, la caja o cabina seca
puede situarse en cualquier lugar de una planta de montaje de PWB y
no requiere la necesidad de un sistema centralizado de N_{2}.
La cabina seca de esta invención incluye un
sistema auto-contenido de generación de gas seco y
está indicada, en general, con la referencia numérica 10 en la
figura. La cabina 10 contendrá típicamente una puerta 12 de acceso
con un picaporte 13 para abrir y cerrar la puerta 12 y permitir el
acceso y salida desde el interior de la cabina 10. La puerta 12 de
acceso puede incluir una o más ventanas o lugares 14 de
visualización para permitir observar el interior de la cabina desde
el exterior. La cabina 10 contendrá típicamente una pluralidad de
estantes 16 para almacenar dispositivos de montaje en superficie.
Aunque se ilustra en la figura una cabina de forma rectangular o
caja, la forma particular de la cabina no forma una parte importante
de la presente invención. Aunque no está ilustrado, la cabina 10
puede incluir ruedas en la parte inferior de la misma para permitir
el desplazamiento fácil de la cabina por las instalaciones de
producción de SMT.
Típicamente, para mantener un ambiente de baja
humedad dentro de la cabina, la técnica anterior dirigía al
interior de la cabina caudales altos de gas seco, típicamente
nitrógeno, obtenido desde una fuente centralizada de nitrógeno, tal
como un sistema de suministro de nitrógeno o de generación de tipo
criogénico. En la cabina seca de la presente invención, se dispone
un sistema integrado de generación de gas seco dentro de la
estructura de la cabina. El sistema de generación de gas seco
recibe una fuente de aire comprimido en forma de fuente modular o
bien como fuente centralizada para proporcionar el gas seco deseado
dentro de la cabina. El uso de una fuente de aire comprimido
modular o centralizada y la generación del gas seco deseado en la
cabina, reduce considerablemente el coste de proporcionar al
ambiente deseado en el interior de la cabina seca con relación al
coste de proporcionar nitrógeno centralizado o fuentes generadoras
de nitrógeno de la técnica anterior.
De nuevo, haciendo referencia a la figura, el
aire comprimido de cualquier fuente disponible, ya sea un suministro
modular de aire comprimido o un sistema de aire comprimido
centralizado, entra en la cabina seca 10 a través de la tubería 20.
Una válvula 22 puede dirigir el aire comprimido a través de la
tubería 20 hacia un sistema 24 de secado del aire o un sistema 26
de generación de nitrógeno, o ambos, contenidos dentro de la
estructura de la cabina 10. El secador 24 de aire y el sistema 26
de generación de nitrógeno están construidos dentro de la base 18
de la cabina 10. La situación específica del sistema de formación de
gas seco dentro de la cabina 10 no es crítica para la invención.
La tubería 20 de aire comprimido está dirigida a
uno o ambos del secador 24 de aire y del generador 26 de nitrógeno
a través de la válvula 22. Si se dirige al secador de aire, el aire
comprimido entra a través de la válvula 22 en la tubería 28 y
después en el filtro 30 para eliminar los contaminantes contenidos
en el aire, tales como diminutas partículas y similares. Desde el
filtro 30, la corriente de aire comprimido entra en el secador 24
de aire a través de la tubería 31. El secador 24 de aire es un
desecador que incluye una masa de desecante, el cual elimina
sustancialmente todo el vapor de agua de la corriente de aire
comprimido que entra en la cabina 10 a través de la tubería 20.
Como se ha afirmado anteriormente, se desea mantener el ambiente en
el interior de la cabina 10 con una humedad relativa inferior al
5%.
En la lista siguiente, que no es exhaustiva, se
incluyen ejemplos de desecantes que pueden ser adecuados: alúmina,
óxido de aluminio, carbono activado, óxido de bario, perclorato de
bario, bromuro de calcio, cloruro de calcio, hidruro de calcio,
óxido de calcio, sulfato, glicerol, glicoles, hidruro de litio
aluminio, bromuro de litio, cloruro de litio, yoduro de litio,
cloruro de magnesio, perclorato de magnesio, sulfato de magnesio,
tamices moleculares, pentóxido de fósforo, hidróxido de potasio
(fundido, en barritas, etc), carbonato de potasio, resinas, gel de
silicio, hidróxido de sodio, yoduro de sodio, ácido sulfúrico,
silicato de titanio, zeolitas, bromuro de zinc, cloruro de zinc y
combinaciones de tales desecantes. Los desecantes pueden ser
utilizados de diversas maneras. Por ejemplo, el desecante puede ser
un sólido y/o un líquido. El desecante puede comprender también
parte de una solución acuosa.
Desde el secador 24 de aire, la corriente de
aire comprimido, ahora libre sustancialmente de todo el vapor
inicialmente contenido en ella, es dirigida hacia el interior de la
cabina para barrer la cabina y mantener un ambiente interno que
contenga menos del 5% de humedad relativa. Así, desde el secador 24
de aire, el aire seco es enviado a través de la tubería 32 hacia un
controlador 34 de flujo que puede ajustar el volumen de aire seco
dirigido al interior de la cabina a través de la tubería 36. El
controlador de flujo debe incluir también un interruptor de
conexión/desconexión para iniciar o detener el flujo de gas si se
desea. Desde el controlador 34 de flujo, y la tubería 36, el aire
seco es dirigido a una serie de inyectores 38 de gas seco. Los
inyectores 38 dirigen el gas seco, ya sea aire seco o, como se
explicará más adelante, nitrógeno, desde el generador 26 de
nitrógeno, hacia el interior de la cabina. El número exacto y el
tipo de inyectores de gas que dirigen el gas seco hacia el interior
de la cabina 10 no son críticos para esta invención particular, y
un experto en la técnica puede determinar la cantidad, el tamaño y
el tipo de inyectores de gas seco que serían requeridos para el
espacio interior individual de la cabina.
En la figura, se ilustra que el aire seco desde
el secador 24 de aire puede ser dirigido a un tanque 40 de
almacenamiento antes de ser dirigido a la tubería 32, y finalmente
hacia el interior de la cabina. El tanque 40 de almacenamiento es
opcional y puede ser utilizado para controlar con más precisión el
flujo de gas seco hacia el interior de la cabina 10. Así, a veces,
el ambiente dentro de la cabina 10 puede ser tal que no se requiere
utilizar gas adicional para barrer el interior de la cabina. En
tales ocasiones, el aire seco o el nitrógeno pueden ser almacenados
en el tanque opcional 40 de almacenamiento. Aunque se ilustra un
tanque de almacenamiento, puede utilizarse un tanque independiente
de almacenamiento para cada uno de los desecadores 24 de aire o
generadores 26 de nitrógeno. Además, también puede utilizarse un
solo tanque de almacenamiento con compartimentos herméticos para el
aire seco y el nitrógeno, respectivamente.
En lugar de eliminar el vapor de agua de la
corriente de aire comprimido, el gas seco, que es inyectado en el
interior de la cabina, puede ser nitrógeno formado por un generador
de nitrógeno contenido dentro de la cabina 10. Así, antes de esta
invención, el nitrógeno ha sido utilizado para barrer las cabinas
secas y mantener un ambiente de humedad relativa baja para el
almacenamiento de los SMD en las cabinas para un envío eventual.
Sin embargo, tales cabinas estaban unidas a una fuente centralizada
generadora de nitrógeno, lo cual puede ser muy costoso de construir
y mantener. Consecuentemente, en esta invención se incorpora un
generador modular de nitrógeno en la cabina seca 10 de esta
invención. El generador de nitrógeno se ilustra con la referencia
numérica 26 y comprende, generalmente, uno o más módulos de membrana
utilizados para separar el nitrógeno de la corriente 20 de aire
comprimido y para producir una corriente de gas de nitrógeno seco
concentrado. Por ejemplo, pueden utilizarse una o más membranas,
tales como las membranas de poliimida, policarbonato, nylon, 6,6,
poliestireno o acetato de celulosa. En esta invención, la tubería 20
de aire comprimido está dirigida al menos en parte por medio de la
válvula 22 a la tubería 42 y después a través del filtro 44 para
eliminar las partículas de la corriente de aire comprimido. Desde
el filtro 44 y la tubería 46, la corriente de aire comprimido es
dirigida al generador 26 de nitrógeno, ilustrado como módulos 27 y
29 de membrana, donde se trata el aire para separar el oxígeno del
nitrógeno en la corriente de aire y producir una corriente de
N_{2} altamente concentrado.
Las membranas permeables que pueden ser
empleadas al poner en práctica la invención serán empleadas
comúnmente en conjuntos de membrana situados típicamente dentro de
unas envolturas para formar un módulo de membrana que comprende el
elemento principal de un sistema de membrana. Como se comprende con
referencia a la invención, un sistema de membrana comprende un
módulo de membrana y varios de tales módulos, dispuestos para el
funcionamiento en paralelo (como está ilustrado), o bien en serie.
Los módulos de membrana pueden ser construidos convenientemente en
forma de fibra hueca, o devanados en espiral, en conjuntos de
membrana laminar plana plisada, o en cualquier otra configuración
deseada. Los módulos de membrana se construyen de forma que tengan
un lado de la superficie de alimentación del aire y un lado opuesto
de salida del gas filtrado. Para las membranas de fibra hueca, el
aire de alimentación puede ser introducido en el lado del lumen o en
el lado de la superficie exterior de las fibras huecas.
Se apreciará también que el material de membrana
empleado para la membrana de separación del aire puede ser
cualquier material adecuado capaz de filtrar selectivamente un
componente más fácilmente permeable del gas de alimentación, es
decir, del aire. Los derivados de la celulosa, tales como el acetato
de celulosa, el acetato butirato de celulosa y similares; las
poliamidas y poliimidas, incluyendo las poliamidas arílicas y las
poliimidas arílicas; las polisulfonas; los poliestirenos y
similares, son representativos de tales materiales.
Como se ha indicado anteriormente, las membranas
permeables que comprenden el sistema de membrana situado dentro de
la cabina 10 de la invención, pueden ser de cualquier forma que se
desee, siendo preferibles generalmente las membranas de fibra
hueca. Se podrá apreciar que el material de membrana empleado en
cualquier aplicación de separación de gas, puede ser de cualquier
material adecuado capaz de filtrar selectivamente un componente más
fácilmente permeable de una mezcla de gas de fluido que contenga un
componente menos fácilmente permeable. Los polímeros descritos
inmediatamente antes son ejemplos representativos de tales
materiales. Se comprenderá que en la técnica son conocidos otros
muchos materiales de membrana permeables y que son adecuados para su
utilización en la separación de aire. Como se ha indicado, las
membranas que se emplean al poner en práctica la invención, pueden
ser de cualquier forma que sea útil y eficaz para la separación de
aire que se lleva a cabo utilizando el sistema y el proceso de la
invención.
Una es la denominada "membrana compuesta",
en la cual la capa activa se coloca coextensiblemente contigua a un
substrato que estructuralmente sirve de soporte y que es normalmente
poroso. En una membrana compuesta, la capa activa y el substrato no
son elementos parciales de una sola capa monolítica. Normalmente son
producidos poniendo una capa sobre otra, tal como por laminación de
dos capas independientes. El substrato puede ser un material
selectivamente permeable al gas, pero típicamente no lo es. Como se
ha mencionado, debido a la porosidad, el substrato tiene unas
propiedades de separación del gas despreciables, y presenta poca
resistencia al flujo a través de la membrana. El substrato
proporciona principalmente una integridad estructural para la capa
activa que es normalmente, por sí misma, demasiado delgada para
formar una película auto-soportada, o para soportar
el gradiente de presión a través de la membrana impuesto durante el
funcionamiento rutinario.
Un tipo preferido de membrana es conocido como
membrana asimétrica. Esta membrana está caracterizada por una
estructura anisótropa en sección transversal normal a la dirección
del flujo filtrado. Típicamente, una membrana asimétrica tiene una
capa activa constituida por una película continua, densa y delgada
en una superficie, y una capa de soporte normalmente más gruesa,
coextensiblemente contigua a la película y tendiendo a ser
crecientemente porosa con la distancia a la película. La capa
activa y la capa de soporte de la membrana asimétrica están
compuestas normalmente por la misma sustancia selectivamente
permeable al gas. La película es normalmente inferior a 1/10 del
espesor de la membrana asimétrica. Típicamente, el espesor de la
película es alrededor de 50-3000 \ring{A},
preferiblemente alrededor de 50-1500 \ring{A} y
más preferiblemente alrededor de 50-1000 \ring{A}.
La membrana asimétrica puede ser monolítica o compuesta. Es decir,
en una membrana monolítica asimétrica, la capa activa y la capa de
soporte son partes de una estructura monolítica integrada. En una
membrana compuesta asimétrica, la membrana asimétrica incluye un
substrato contiguo a la capa de membrana asimétrica. Por ejemplo,
una membrana típica compuesta de fibra hueca puede estar formada
por un núcleo anular de un substrato poroso rodeado por una funda
anular coaxial de la membrana asimétrica. En una membrana asimétrica
compuesta, la capa no activa y la membrana asimétrica son
denominadas colectivamente algunas veces como la "capa de
soporte". La capa de la membrana asimétrica y el substrato tienen
típicamente composiciones diferentes.
Los materiales utilizados para las membranas de
separación de gas son frecuentemente de polímero. Se puede utiliza
una diversa variedad de polímeros para el substrato de soporte de
una membrana compuesta. Los polímeros de substrato representativos
incluyen polisulfonas, polietersulfonas, poliamidas, poliimidas,
polieterimidas, poliésteres, policarbonatos, ésteres de
copolicarbonatos, poliéteres, polietercetonas, poli(fluoruro
de vinilideno), polibenzimidazoles, polibenzoxazoles, derivados de
la celulosa, poliazoaromáticos, poli(óxido de
2,6-dimetilfenileno), poli(óxido de arileno),
poliureas, poliuretanos, polihidrazidas, poliazometinas, acetatos de
celulosa, nitratos de celulosa, etil celulosa, poli(óxido de
xilileno) bromado, poli(óxido de xilileno) sulfonado,
poliquinoxalina, poliamidoimidas, ésteres de poliamida, mezclas de
los mismos, copolímeros de los mismos, materiales sustituidos de
los mismos y similares. Esto no debe considerarse limitador, ya que
cualquier material que pueda ser fabricado en una membrana de
substrato anisótropo puede encontrar utilidad como capa de substrato
de la presente invención. Los materiales preferidos para la capa de
substrato incluyen composiciones y copolímeros de polisulfona,
polietersulfona, polieterimida, poliimida, poliamida y mezclas de
los mismos.
Hay una amplia gama de materiales poliméricos
que tienen propiedades deseables de filtrado selectivo del gas y
que pueden ser utilizados en la capa activa. Los materiales
representativos incluyen poliamidas, poliimidas, poliésteres,
policarbonatos, ésteres de copolicarbonato, poliéteres,
polietercetona, polieterimidas, polietersulfonas, polisulfonas,
poli(fluoruro de vinilideno), polibenzimidazoles,
polibenzoxazoles, poliacrilonitrilo, derivados de la celulosa,
poliazoaromáticos, poli(óxido de
2,6-dimetilfenileno), poli(óxido de fenileno),
poliureas, poliuretanos, polihidrazidas, poliazometinas,
poliacetales, acetatos de celulosa, nitratos de celulosa,
etil-celulosa, copolímeros de
estireno-acrilonitrilo, poli(óxido de xilileno)
bromado, poli(óxido de xilileno) sulfonado, policarbonatos
sustituidos con tetrahalógeno, poliésteres sustituidos con
tetrahalógeno, ésteres de policarbonato sustituidos con
tetrahalógeno, poliquinoxalina, poliamidaimidas, ésteres de
poliamida, mezclas de los mismos, copolímeros de los mismos,
materiales sustituidos de los mismos y similares. Además, los
materiales adecuados de la capa de separación de gas pueden incluir
los que se han encontrado útiles como capa densa de separación de
membranas compuestas de separación de gas. Estos materiales incluyen
polisiloxanos, poliacetilenos, polifosfacenos, polietilenos,
poli(4-metilpenteno),
poli(trimetilsililpropino),
poli(trialquilsiliacetilenos), poliureas, poliuretanos,
mezclas de los mismos, copolímeros de los mismos, materiales
sustituidos de los mismos y similares. Los materiales preferidos
para esta capa densa de separación de gas incluyen la poliamida
aromática, composiciones de poliimida aromática, polisulfona,
sulfona de poliéter y mezclas de las mismas.
Las membranas de fibra hueca con regiones densas
son las preferidas para la separación del gas. Las membranas
asimétricas de fibra hueca pueden tener la región discriminadora en
el exterior de la fibra hueca, en el interior (superficie del
lumen) de la fibra hueca, o bien estar situadas en alguna parte
interna a ambas superficies, la exterior y la interior, de la
membrana de fibra hueca. En el modo de realización en el que la
región discriminadora de la membrana de fibra hueca es interna a
ambas superficies de la membrana de fibra hueca, la superficie
interior (lumen) y la superficie exterior de la membrana de fibra
hueca son porosas, y así la membrana demuestra una capacidad de
separar los gases. En el modo de realización en el que los gases son
separados, las materiales poliméricos preferidos para las membranas
incluyen poliestercarbonatos, polisulfonas, polieteresulfonas,
poliimidas y policarbonatos. Los materiales poliméricos más
preferibles para las membranas de separación de gas incluyen los
policarbonatos y los poliestercarbonatos. Las membranas preferidas
de policarbonato y poliestercarbonato para la separación de gas
incluyen las descritas en las patentes de Estados Unidos n^{os}
4.874.401, 4.851.014, 4.840.646 y 4.818.254; las partes relevantes
de cada patente se incorporan en esta memoria como referencia para
todos los fines legales que pueden servirse con ello. En un modo de
realización preferido, tales membranas están preparadas por medio
del proceso descrito en la patente de Estados Unidos nº 4.772.392,
cuyas partes relevantes están incorporadas en esta memoria como
referencia para todos los fines legales que puedan servirse con
ello. Membranas particularmente útiles para la separación de aire y
la generación de una corriente de gas de N_{2} seco concentrado
son las membranas poliméricas de fibra hueca fabricadas por el
presente cesionario, Air Liquide, bajo el nombre comercial
MEDAL.
La corriente de gas de nitrógeno concentrado es
separada del aire comprimido y es sustancialmente seca, ya que el
vapor de agua es separado también de la corriente componente del
nitrógeno por la membrana. La corriente de gas de nitrógeno seco
que abandona el generador 26 a través de la tubería 48 puede ser
almacenada opcionalmente en el tanque 40 de almacenamiento antes de
ser dirigida a través de la tubería 32, del controlador 34 de flujo
y de la tubería 36 hacia los inyectores 38 de gas seco. De nuevo,
puede utilizarse un tanque independiente 40 para almacenar la
corriente de gas de N_{2} del generador 26 de nitrógeno relativo
al almacenamiento del aire seco desde el secador 24 de aire. Los
sistemas de generación de nitrógeno con un almacenamiento masivo y
control de flujo son conocidos en la técnica y están particularmente
descritos en las patentes de Estados Unidos n^{os} 5.266.101,
5.284.506, 5.302.189, 5.363.656, 5.439.507 y 5.496.388, cuyo
contenido completo se incorpora en esta memoria como referencia.
Aunque el sistema 26 de generación de nitrógeno
ha sido descrito como que comprende una o más estructuras de
membrana, o módulos de membrana, es posible formar una corriente de
gas de nitrógeno concentrado a partir del gas comprimido utilizando
absorbentes de partículas en sistemas conocidos de adsorción por
variación de la presión (PSA). Así, los adsorbentes de partículas,
tales como el carbono activado, geles de silicio, y tamices
moleculares, tales como la zeolita y silicatos de titania, es decir,
CTS-1, son conocidos para la separación del aire en
sus componentes individuales, incluyendo la formación de una
corriente de gas de nitrógeno concentrado. Consecuentemente, el
sistema 26 de generación de nitrógeno, que se incorpora en la cabina
10, puede incluir uno o más lechos de adsorbente el cual, en
condiciones de presión selectivas, puede adsorber oxígeno o
nitrógeno y producir una corriente de gas de nitrógeno seco
concentrado. El funcionamiento de los sistemas PSA es conocido en
la técnica, en los cuales se utilizan ciclos de presurización
(adsorción), despresurización (regeneración), y ecualización de la
presión para adsorber un componente gaseoso a partir de una mezcla y
regenerar el componente adsorbido del lecho adsorbente. La patente
de Estados Unidos nº 4.933.314 describe un particular tamiz
molecular de carbono utilizado para separar el nitrógeno o el
oxígeno del aire. La patente de Estados Unidos nº 5.288.888
dirigida a la producción de un producto enriquecido con nitrógeno,
haciendo pasar el aire a través de un lecho de zeolita machacada, y
la patente de Estados Unidos nº 6.068.682, que divulga tamices
moleculares de titanio cristalino, CTS-1, son
ejemplos de adsorbentes conocidos que pueden ser utilizados para
formar una corriente de nitrógeno concentrado a partir del aire.
Cada una de estas patentes de Estados Unidos enumeradas se
incorporan en esta memoria como referencia en su totalidad.
De forma similar al sistema de separación de
membrana, una corriente de gas de nitrógeno concentrado que abandona
un módulo PAS, puede ser almacenada opcionalmente en el tanque 40
de almacenamiento y ser dirigida después a los inyectores 38 de gas
seco a través de la tubería 32, del controlador 34 de flujo y de la
tubería 36.
Se comprenderá que, aunque la cabina seca 10 es
particularmente útil para almacenar dispositivos de montaje en
superficie durante o después del montaje, la cabina seca de esta
invención tiene una utilidad adicional para impedir que cualquier
tipo de dispositivo quede adversamente afectado por el aire húmedo
durante el almacenamiento o transporte antes de ser utilizado. En
particular, cualquier tipo de semiconductor, componente electrónico,
óptico o magnético y similares pueden ser almacenados en la cabina
10. El ambiente está libre de vapor de agua, el cual puede
filtrarse en cualquier empaquetamiento o por cualquier poro de la
estructura del dispositivo y originar daños permanentes durante el
almacenamiento o durante la instalación y utilización.
El gas seco, que ha sido barrido del interior de
la cabina 10 para mantener una humedad relativa muy baja en el
interior de la cabina, es liberado de la cabina a través de la
tubería 50. De nuevo, el control del aire comprimido a través de la
tubería 20, la válvula 22 o cualquier tanque opcional 40 de
almacenamiento y el controlador 34 del flujo, pueden mantener la
presión deseada y las condiciones de baja humedad en el interior de
la cabina 10. Así, un gas que abandona el interior de la cabina 10 a
través de la tubería 50 puede hacerlo en base continua o incluso
intermitente.
Aunque se han descrito e ilustrado varios modos
de realización preferidos de la presente invención, será evidente
para los expertos en la técnica que son posibles variaciones y
modificaciones sin apartarse del amplio alcance de la presente
invención, que estará limitada únicamente por el alcance de las
reivindicaciones anexas en este documento.
Claims (20)
1. Una cabina que tiene un espacio interior
cerrado para almacenar dispositivos de montaje en superficie, en un
ambiente de baja humedad relativa, que comprende: un desecador, un
generador de nitrógeno, o ambos, asociados con dicha cabina y
transportables con ella, medios para recibir un suministro de aire
comprimido que se comunica con dicho desecador o dicho generador de
nitrógeno, o ambos, y medios para dirigir una corriente de gas seco
desde dicho desecador o dicho generador de nitrógeno hacia el
interior de dicha cabina para mantener un ambiente de baja humedad
en dicho espacio interior.
2. La cabina de la reivindicación 1, que incluye
dicho generador de nitrógeno.
3. La cabina de la reivindicación 2, en la que
dicho generador de nitrógeno comprende una membrana capaz de separar
el aire para formar una corriente de gas de nitrógeno
concentrado.
4. La cabina de la reivindicación 3, en la que
dicha membrana comprende una membrana polimérica.
5. La cabina de la reivindicación 4, en la que
dicha membrana es una membrana polimérica de fibra hueca.
6. La cabina de la reivindicación 3, que
comprende una pluralidad de dichas membranas.
7. La cabina de la reivindicación 2, en la que
dicho generador de nitrógeno comprende un adsorbente de partículas
capaz de adsorber uno o más componentes del aire y formar una
corriente de gas de nitrógeno concentrado.
8. La cabina de la reivindicación 7, en la que
dicha corriente de gas de nitrógeno concentrado está formada por un
sistema de adsorción por variación de la presión.
9. La cabina de la reivindicación 1, que incluye
dicho desecador.
10. La cabina de la reivindicación 1, que
incluye dicho desecador y dicho generador de nitrógeno.
11. La cabina de la reivindicación 1, en la que
dicho desecador y/o generador de nitrógeno es una parte integrante
de dicha cabina.
12. La cabina de la reivindicación 11, que
contiene un controlador de flujo para variar el volumen de dicha
corriente de gas seco dirigida al interior de dicha cabina.
13. La cabina de la reivindicación 1, que
comprende además un medio de almacenamiento para almacenar dicha
corriente de gas seco desde dicho desecador, desde dicho generador
de nitrógeno, o desde ambos.
14. La cabina de la reivindicación 1, que
incluye además un filtro para eliminar partículas de dicho aire
comprimido recibido desde dicho suministro.
15. Un método para almacenar dispositivos de
montaje en superficie en el interior de una cabina y para mantener
una humedad relativa baja en el interior de dicha cabina que
comprende: dirigir un suministro de aire comprimido a unos medios de
formación de gas seco en forma de desecador o de generador de
nitrógeno, asociados con dicha cabina y transportables con ella,
formar una corriente de gas aire seco o una corriente de gas de
nitrógeno seco desde dichos medios de formación de gas seco, y
dirigir dicha corriente de aire seco o nitrógeno seco hacia el
interior de dicha cabina para mantener una humedad relativa baja en
el espacio interior de dicha cabina cuando almacena dichos
dispositivos de montaje en superficie.
16. El método de la reivindicación 15, que
comprende la formación de una corriente de gas de nitrógeno seco
dirigiendo dicha corriente de aire comprimido a dicho generador de
nitrógeno.
17. El método de la reivindicación 16, en el que
dicha corriente de gas de nitrógeno seco se forma por separación con
una membrana de dicha corriente de aire comprimido.
18. El método de la reivindicación 15, en el que
la humedad relativa en el interior de dicha cabina se mantiene en el
5% o por debajo.
19. El método de la reivindicación 15, en el que
dicha corriente de gas seco es una corriente de aire seco que se
forma dirigiendo dicha corriente de aire comprimido a dicho
desecador.
20. El método de la reivindicación 15, en el que
dichos medios de formación de gas seco son una parte integrante de
dicha cabina.
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