¿Cuándo es algo hermético, realmente hermético?

El sellado y el embalaje hermético evitan la penetración de humedad y gas, ayudando a proteger los componentes electrónicos contra fallas prematuras de componentes o del sistema. Pero, ¿qué significa realmente la hermeticidad, cómo se define y comprueba, y cuál es la diferencia entre un envase hermético y uno cuasi hermético?

"Hermético" es una palabra que suele usarse de forma indebida. Aunque a menudo se usa como sinónimo de términos tales como "estanco", la definición oficial se refiere a un sello que es hermético a los gases y que evitará que la humedad y los gases nocivos penetren en un envase electrónico sellado. También significa que el envase puede evitar que los gases, líquidos u otras sustancias se escapen.

 

¿Cómo afecta la humedad a los componentes electrónicos?

Incluso cantidades muy pequeñas de vapor de agua dentro de una carcasa o un sistema eléctrico pueden comprometer el rendimiento y la fiabilidad de los componentes eléctricos u ópticos encapsulados, por ejemplo, los chips semiconductores. Esta es la razón por la que los niveles de humedad interna deben mantenerse lo suficientemente bajos como para evitar la condensación, ya que sus consecuencias en los componentes electrónicos sensibles pueden ser graves y provocar fallos en los componentes o en todo el sistema. Los efectos incluyen:

  • Corrosión química que provoque daños en las interconexiones metálicas
  • Fugas eléctricas entre conductores o pasadores
  • Cortos eléctricos causados por el crecimiento dendrítico de la plata y el oro
  • Dispersión de la luz o deriva en la longitud de onda de los componentes fotónicos

 

Materiales de envasado y sellado hermético adecuados: vidrio, metal, cerámica

Solo los embalajes fabricados con vidrio, metal y cerámica se consideran herméticos. Todos estos materiales son inorgánicos, prácticamente no envejecen e, inherentemente, tienen niveles de permeación cercanos a cero. Dependiendo del diseño y la aplicación, un empaque hermético de alta calidad que use estos materiales puede mantener los niveles de humedad dentro de un empaque por debajo del umbral requerido de 5000 PPM (partes por millón) durante muchos años o incluso décadas (ver Fig. 1).

Sellado hermético de vidrio a metal

El sellado hermético con vidrio proporciona un aislamiento fiable y no permeable de los conductores, a la vez que permite la transmisión de energía eléctrica o señales.

Definición de "hermeticidad"

La prueba aceptada universalmente para determinar la hermeticidad es "MIL-STD-883 Test Method 1014". Desarrollado históricamente para probar componentes microelectrónicos relevantes para la seguridad en el ámbito militar, aeroespacial y en implantes médicos de clase III; este método se utiliza hoy en día también ampliamente como medida de confiabilidad en aplicaciones que incluyen bolsas de aire en automóviles, industria y energía, e incluso electrónica de consumo.

Para que se considere hermético, el contenido de humedad interno dentro de un envase de cavidad no debe superar las 5000 partes por millón (PPM) durante la vida útil del dispositivo. A 5000 PPM, el punto de rocío está muy por debajo del punto de congelación, lo que convierte cualquier humedad residual en cristales de hielo que no causarían corrosión. En comparación: incluso con niveles de humedad relativamente secos (por ejemplo, 8000 partes por millón), se formará condensación en el interior del envase a una temperatura de unos 5°C.

Gráfico que muestra que los sellos herméticos de vidrio a metal mantienen el contenido de humedad por debajo de los niveles críticos

Fig. 1: Los sellos herméticos de vidrio a metal están diseñados para mantener el contenido de humedad por debajo de los niveles críticos durante la vida útil de un dispositivo.

Cómo probar la hermeticidad

El método más común para probar la hermeticidad de un envase o sistema sellado es la prueba de "fuga fina", que mide la velocidad a la que el gas trazador helio se escapa de un paquete. En esta prueba, el envase está expuesto a una alta presión de helio que, en caso de fugas, provocaría la penetración de moléculas de helio en la carcasa. Posteriormente, el paquete se expone al bombeo en una cámara de prueba de vacío en la que se puede detectar la salida de helio. Según el índice de fuga de helio medido, se debe calcular el índice de fuga estándar (que se aplicaría en condiciones de funcionamiento "normales" de 25°C y presión atmosférica).

Si el envase no se expone a la presión del helio durante el tiempo suficiente, o si se ve comprometido hasta el punto de que el helio se escapa inmediatamente, la prueba de detección de fugas finas podría llevar a una conclusión incorrecta de que el componente es hermético al gas. Por este motivo, se requiere además una prueba de "burbujas" o "fugas grandes", que detecta cualquier fuga importante.

Con el método de prueba de helio, se pueden detectar incluso fugas ultrafinas. Sin embargo, esto solo es posible en condiciones de laboratorio y requiere largos ciclos de bombeo y medición. Además, los paquetes con cavidades o volúmenes pequeños requieren una hermeticidad al gas especificada más alta, ya que, de lo contrario, alcanzarían el umbral de 5000 PPM más rápido que aquellos con un volumen mayor. Por este motivo, el valor de hermeticidad especificado depende tanto de las condiciones de prueba como del diseño del envase.

 

Casi hermético, cuasi hermético o no hermético

Cuando se usa el término "casi hermético", "cuasi hermético", "cercano a hermético" o "no hermético", implica que el envase está hecho de materiales poliméricos o plásticos (por ejemplo, polímero de cristal líquido, o LCP), en lugar de vidrios, metales y cerámicas. Independientemente de si un paquete se denomina casi o cuasi hermético, siempre debe considerarse no hermético según la definición anterior.

Polímeros y epoxis: altas tasas de permeabilidad y envejecimiento natural

Aunque muchas aplicaciones cotidianas utilizan polímeros, epoxis o PEEK como materiales de sellado o envasado, no ofrecen una verdadera hermeticidad y siempre deben considerarse no herméticos.

La desventaja principal de estos materiales es que son de naturaleza orgánica, lo que significa que tienen una tasa de permeabilidad inherentemente alta. Envejecen de forma natural con el paso del tiempo y, con el tiempo, permiten que la humedad penetre en un sistema sellado. Este proceso de envejecimiento progresa aún más rápidamente bajo influencias ambientales como altas temperaturas, presión o productos químicos, lo que puede provocar graves problemas de fugas causados por los materiales de sellado.

Además, la desgasificación durante el proceso de curado o durante el funcionamiento puede comprometer el entorno, lo que provocaría tasas críticas de presión de vapor, niveles de humedad y condensación.

En la práctica, esto significa que los envases no herméticos se suelen utilizar para aplicaciones con requisitos operativos y de fiabilidad inferiores. Por otro lado, los componentes sellados herméticamente pueden satisfacer las necesidades mejoradas de longevidad, fiabilidad en entornos adversos, así como aumentos de rendimiento y eficiencia.

Pinzas viejas para ropa
Al igual que una pinza de lavado que se rompe debido a la exposición a los elementos, los materiales de embalaje basados en polímeros se vuelven quebradizos y se desgastan de forma natural con el tiempo, especialmente cuando se exponen a condiciones ambientales adversas.

¿Por qué las pruebas de fugas de helio son engañosas en caso de envases orgánicos?

El uso del método de prueba de fugas finas de helio para envases fabricados con polímeros, PEEK o plásticos no puede proporcionar resultados fiables por una razón importante: mide las fugas, pero no la permeación y, específicamente, no tiene en cuenta la alta tasa de permeabilidad de los materiales orgánicos a lo largo del tiempo, que es varios niveles de magnitud superior a la de los metales, los vidrios y la cerámica. Esto significa que un envase orgánico puede ser lo suficientemente "hermético al helio" en el momento de la prueba, simplemente debido a la exposición a un ciclo de prueba muy corto. Dado que los materiales poliméricos tienen una característica difusiva y absorbente inherente con una alta conductividad de permeación, los envases no herméticos pueden alcanzar niveles críticos de humedad después de un período que va de tan solo unos días a varias semanas. Esto se debe a la difusión de agua y otros gases a través de la estructura polimérica.

 

Conclusión: decidirse por lo hermético

La decisión de elegir un envase realmente hermético o no hermético suele depender de la sensibilidad de los componentes a la humedad y los gases nocivos, los requisitos de rendimiento, las especificaciones técnicas de diseño y las condiciones de funcionamiento. A menudo, la hermeticidad o un índice de fuga específico no son un requisito de calidad fijo, pero el sellado hermético puede permitir satisfacer otras necesidades, como la resistencia a temperaturas o presiones extremas, una longevidad superior, mayores exigencias en cuanto a rendimiento o eficiencia, o todas ellas al mismo tiempo.

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Elisabeth Fey, Global Marketing Communication Electronic Packaging
Elisabeth Fey

Jefa de Marketing Estratégico de Empaques para Electrónicos