Quando o hermético é realmente hermético?
“Hermético” é uma palavra que é normalmente usada incorretamente. Embora frequentemente usada como sinônimo de “estanque a ar”, a definição oficial se refere a uma vedação que é à prova de gás e impedirá que umidade e gases nocivos penetrem em uma embalagem eletrônica vedada. Isso significa igualmente que a embalagem pode impedir que gases, líquidos ou outras substâncias escapem.
Como a umidade afeta os componentes eletrônicos?
Mesmo quantidades muito pequenas de vapor d’água dentro de uma carcaça ou um sistema elétrico podem comprometer o desempenho e a confiabilidade dos componentes elétricos ou ópticos encapsulados, como, por exemplo, chips semicondutores. É por isso que os níveis de umidade interna devem ser mantidos baixos o suficiente para evitar até mesmo a condensação, pois suas consequências em componentes eletrônicos sensíveis podem ser graves e causar falha do componente ou do sistema completo. Os efeitos incluem
- Corrosão química, causando danos às interconexões de metal
- Vazamento elétrico nos condutores/pinos
- Curtos elétricos devido ao crescimento dendrítico da prata e do ouro
- Dispersão de luz ou desvio de comprimento de onda em componentes fotônicos
Embalagens herméticas e materiais de vedação adequados: vidro, metal, cerâmica
Apenas embalagens e vedações produzidas a partir de vidros, metais e cerâmica são consideradas herméticas. Esses materiais são todos inorgânicos, praticamente não envelhecem e têm níveis de permeação inerentemente próximos a zero. Dependendo do design e da aplicação, uma embalagem hermética de alta qualidade que use esses materiais pode manter os níveis de umidade dentro de uma embalagem abaixo do limite exigido de 5.000 PPM (partes por milhão) por muitos anos ou mesmo décadas (veja a fig. 1).
A vedação hermética com vidro fornece isolamento confiável e não permeável dos condutores ao mesmo tempo que permite a transmissão de energia elétrica ou sinal.
Definição de “hermética”
O teste universalmente aceito para determinar a hermética é o “Método de Teste 1014 MIL-STD-883”. Historicamente desenvolvido para testar componentes microeletrônicos relevantes para a segurança no setor militar, aeroespacial e em implantes médicos de classe III, este método atualmente também é amplamente usado como uma medida de confiabilidade em aplicações que incluem airbags automotivos, industriais e energéticas, e até mesmo em bens eletrônicos de consumo.
Para ser considerado hermético, o teor de umidade interna dentro de uma embalagem com cavidade não deve exceder 5.000 partes por milhão (PPM) durante a vida útil do dispositivo. Com 5.000 PPM, o ponto de orvalho está muito abaixo do ponto de congelamento, transformando qualquer umidade residual em cristais de gelo que não causariam corrosão. Comparativamente: mesmo em níveis de umidade relativamente secos – por exemplo, 8.000 partes por milhão – a condensação se formará dentro da embalagem a uma temperatura de cerca de 5 °C.
Fig. 1: As vedações herméticas entre vidro e metal são projetadas para manter o teor de umidade abaixo dos níveis críticos durante a vida útil de um dispositivo.
Como testar a hermética
O método mais comum para testar uma embalagem ou sistema vedado para hermética é o teste de “vazamento fino”, que mede a taxa na qual o hélio do gás rastreador escapa de uma embalagem. Nesse teste, a embalagem é exposta à alta pressão de hélio, o que, no caso de quaisquer vazamentos, pode levar à penetração das moléculas de hélio no invólucro. A embalagem é subsequentemente exposta ao bombeamento em uma câmara de teste de vácuo, na qual o hélio que escapa pode ser detectado. De acordo com a taxa de vazamento de hélio medida, a taxa de vazamento padrão (que seria aplicada em condições operacionais “normais” de 25 °C e pressão atmosférica) precisa ser calculada.
Se a embalagem não for exposta à pressão de hélio por tempo suficiente, ou se ela for comprometida com o ponto de fuga imediata de hélio, o teste de detecção de vazamento fino pode levar a uma conclusão incorreta de que o componente é estanque a gás. É por isso que é necessário um teste de “bolhas” ou “vazamento bruto”, que detecta qualquer vazamento grave.
Usando o método de teste de hélio, mesmo vazamentos ultrafinos podem ser detectados. No entanto, isso só é possível em condições laboratoriais e requer longos ciclos de bombeamento e medição. Além disso, as embalagens com pequenas cavidades/volumes requerem uma maior estanqueidade do gás especificada, pois, de outro modo, alcançariam o limite de 5.000 PPM mais rapidamente do que aquelas com um volume maior. É por isso que o valor de hermética especificado depende das condições de teste e do design da embalagem.
Quase hermética ou não hermética
Quando o termo embalagem “quase hermética” ou “não hermética” é usado, isso implica que a embalagem é produzida a partir de materiais poliméricos ou plásticos (por exemplo, polímero de cristal líquido ou LCP), ao contrário de vidros, metais e cerâmica. Quando é chamada de quase hermética, uma embalagem sempre deve ser considerada não hermética, de acordo com a definição acima.
Polímeros e epóxis: altas taxas de permeação e envelhecimento natural
Embora muitas aplicações diárias usem polímeros, epóxis ou PEEK como materiais de vedação ou embalagem, eles não oferecem uma verdadeira hermética e devem sempre ser considerados não herméticos.
A desvantagem central desses materiais é que eles são de natureza orgânica, o que significa que têm uma taxa de permeação inerentemente alta. Eles envelhecem naturalmente com o tempo e em algum momento acabam por permitir que a umidade penetre em um sistema vedado. Esse processo de envelhecimento avança ainda mais rapidamente sob influências ambientais, como alta temperatura, pressão ou produtos químicos, o que pode levar a graves problemas de vazamento causados pelos materiais de vedação.
Além disso, a desgaseificação durante o processo de cura ou durante a operação pode comprometer o ambiente, levando a taxas críticas de pressão de vapor, níveis de umidade e condensação.
Na prática, isso significa que as embalagens não herméticas são normalmente usadas para aplicações com menor confiabilidade e requisitos operacionais. Componentes hermeticamente selados, por outro lado, podem satisfazer as necessidades aprimoradas de longevidade, confiabilidade ambiental severa, bem como aumento de desempenho e eficiência.
Por que o teste de vazamento de hélio é enganoso no caso de embalagens orgânicas
O uso do método de teste de vazamento fino de hélio para embalagens feitas com polímeros, PEEK ou plásticos não pode fornecer resultados confiáveis por uma razão importante: ele mede o vazamento, mas não a permeação e, especificamente, não considera a alta taxa de permeação de materiais orgânicos ao longo do tempo, que é várias ordens de magnitude maior do que aquela de metais, vidros e cerâmica. Isso significa que uma embalagem orgânica pode ser suficientemente “estanque a hélio” no momento do teste simplesmente por causa da exposição a apenas um ciclo de teste muito curto. Uma vez que os materiais poliméricos têm uma característica difusiva e absorvente inerente com uma alta condutividade de permeação, as embalagens não herméticas podem atingir níveis de umidade críticos após um período de apenas alguns dias a várias semanas. Isso é causado pela difusão de água e outros gases através da estrutura de polímero.
Conclusão: decisão por herméticos
A decisão de optar por embalagens verdadeiramente herméticas ou não herméticas geralmente depende da sensibilidade dos componentes a umidade e gases nocivos, requisitos de desempenho, especificações de design técnico e condições de operação. Frequentemente, a hermética ou uma taxa de vazamento específica podem não ser um requisito de qualidade fixo, mas a vedação hermética pode vir a satisfazer outras necessidades, como resistência a temperaturas ou pressão extremas, longevidade superior, demandas aumentadas com relação a desempenho ou eficiência, ou todos eles ao mesmo tempo.
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Elisabeth Fey
Diretora de marketing estratégico da unidade Electronic Packaging