Cómo el pH de los Agentes de Limpieza Afectan el Rendimiento de la Producción

Por Debbie Carboni

En los últimos años, ha habido un enfoque significativo en el pH de los agentes de limpieza. Este movimiento ha sido impulsado por la noción del pH y su influencia sobre el medio ambiente y la compatibilidad del material en el ensamble. El reto es encontrar el equilibrio adecuado entre el diseño del agente de limpieza, el rendimiento y el impacto ambiental de todo el proceso de limpieza.

ENTENDIENDO EL pH
Los términos “ácido”, “alcalino” y “neutro” se refieren a posiciones en una escala de pH que va de 1 a 14. Un pH de 7 es neutro, mientras que los números menores de 7 son ácidos y mayores de 7 son alcalinos o básicos. El pH es una medida de la cantidad comparativa de hidrógeno libre e iones de hidroxilo en el agua. Es importante reconocer que, a diferencia de la escala de temperatura, la escala de pH es logarítmica. En otras palabras, cada número es 10 veces más poderoso o menos poderoso que el siguiente, y así sucesivamente. Por ejemplo, el pH de 9 es 100 veces más alcalino que un pH de 7, y el pH de 5 es 100 veces más ácido que el pH de 7, y así sucesivamente.

Figura 1: escala de pH con líquidos de uso diario

Esto no significa automáticamente que un pH de 5 o 9 sea malo, sino que es un indicador de cómo han cambiado los iones en el agua. Usamos productos con pH de 3 como cola carbonatada, a agua cara, con un pH de 10 en nuestra vida diaria. El impacto que tiene el pH en una persona o en el medio ambiente es solo una parte del panorama.

Las soluciones alcalinas cortan la suciedad, la grasa, las proteínas, los aceites y otros elementos orgánicos, mientras que los ácidos eliminan el calcio, el óxido y otros minerales. Los productos muy ácidos (por debajo de un pH de 3) se denominan corrosivos, y los que son muy alcalinos (por encima de un pH de 11) se consideran cáusticos. Los productos con valores de pH entre 6 y 9 se encuentran dentro del rango de pH neutro. Los productos que miden en cualquiera de los extremos de la escala de pH no se recomiendan para la limpieza de ensambles electrónicos debido a probables reacciones negativas.

pH DE AGENTES SOLVENTES DE LIMPIEZA
En los primeros días de la limpieza electrónica, los solventes eran los productos más utilizados. Los solventes que no contienen agua no tendrán un pH medible. El freón y el bromuro de n-propilo (nPB) fueron los productos favoritos por su capacidad para limpiar rápidamente. Sin embargo, ninguno de los dos es ecológico. El freón fue prohibido debido a sus propiedades de depleción del ozono y el nPB es un carcinógeno conocido. En 1987, con el Protocolo de Montreal, las industrias comenzaron a moverse hacia materiales semi-acuosos que fueron diseñados a partir de alcoholes modificados, terpenos o materiales a base de hidrocarburos. El contenido de agua de estas mezclas semi-acuosas les da un rango de pH neutro. Estos productos todavía se utilizan para la limpieza de ensambles en la actualidad, aunque debido a la evolución de los ensambles conjuntos, ya no se consideran la tecnología de limpieza líder. Estos materiales son mucho menos efectivos para las formulaciones de fluxes actuales, especialmente si son libres de plomo.

Los fabricantes encontraron estos productos compatibles con la mayoría de los metales. Sin embargo, la mayoría de los productos semi-acuosos contienen una capacidad tampón limitada o nula. Por lo tanto, tan pronto como la acidez del flux alcanza un cierto nivel de saturación en el baño de lavado, el pH se vuelve ácido, creando un problema de compatibilidad con metales sensibles. El otro reto es que muchos solventes tienden a ser agresivos con los plásticos y materiales similares que se usan con frecuencia ensambles. Además de los límites en el rendimiento de limpieza con solventes, la energía mecánica en un sistema de limpieza con solvente no es tan eficaz para eliminar los residuos por debajo de los dispositivos modernos de baja separación.

pH DE LOS AGENTES DE LIMPIEZA ACUOSOS
A medida que evolucionó la tecnología, los ensambladores se movieron hacia agentes de limpieza atomizables de base acuosa, que se percibieron como más amigables con el medio ambiente. Las primeras químicas acuosas tendían a ser altas en alcalinidad (por encima de 11) para ayudar con la limpieza, pero tenían una vida útil corta en el baño, poca compatibilidad con los dispositivos y eran duras con los equipos.

A medida a que la tecnología continuó avanzando, también lo hacía el agente de limpieza acuoso, más hacia el rango neutro. A primera vista, un agente de limpieza de pH neutro suena grandioso. Un agente de limpieza en el rango de pH neutro tiene el potencial de interactuar con metales, plásticos, epoxis y recubrimientos bajo condiciones de producción. En la mayoría de las aplicaciones, puede haber una reacción dañina más significativa de un agente de limpieza de pH 7 que de un agente de limpieza ligeramente alcalino. Las formulaciones neutras tienden a tener un poder de limpieza limitado. Es deseable una reactividad equilibrada y controlada, especialmente para eliminar la última generación de fluxes.

Puede ser deseable mantenerse cerca de un pH de 7.0, sin embargo, existen muchas ventajas en ser ligeramente alcalino. La alcalinidad leve permite la saponificación. Esta saponificación da como resultado una limpieza más rápida con menos energía, una mejor carga de suciedad (permite una vida útil más prolongada del baño) y una compatibilidad más estable durante la vida útil del baño cuando se amortigua para mantener el pH estable. Los aditivos funcionales están diseñados en las formulaciones para mejorar la compatibilidad de los metales y recubrimientos sensibles, en lugar de depender solo del pH.

Figura 2: Bloques de construcción del Agente de Limpieza Acuoso

Los agentes de limpieza acuosos equilibrados modernos se permiten por la complejidad del proceso de ensamble moderno. La soldadura en pasta, que es una combinación de ingredientes orgánicos e inorgánicos, se elimina de manera más eficaz con un agente de limpieza combinado. Los solventes se dirigen a los residuos no polares/inorgánicos, como resinas y colofonias, aceites y grasas, y los activadores disuelven los residuos polares/orgánicos, como huellas dactilares e ingredientes menores de la pasta, activadores del flux y sales. Estas mezclas químicas son con frecuencia una solución de dos fases, lo que permite que el solvente se atomice sin problemas de seguridad. Estos son naturalmente parcialmente solubles en agua y disuelven eficazmente todos los residuos de flux.   

PROCESO DE LIMPIEZA DINÁMICO
La limpieza es un proceso complejo y dinámico. El éxito se logra al comprender cómo el agente de limpieza contribuye o inhibe este proceso multifacético.

La energía mecánica variará de máquina a máquina. Si una máquina tiene una energía mecánica limitada, la solución suele ser aumentar el tiempo de exposición, la temperatura e incluso la concentración. Si bien el enfoque suele estar en la limpieza, es probable que sea más importante permitir el mismo enfoque en el enjuague.

COMPORTAMIENTO DEL BAÑO
El comportamiento del baño se define por cómo se comporta un agente de limpieza dentro del tanque de lavado, teniendo en cuenta la extracción, la carga de flux y las fluctuaciones de concentración a lo largo del tiempo. Debido a la dinámica del tanque de lavado, es fundamental comprender las razones y su impacto en todo el proceso. Como se  carga el flux en la solución de lavado es un componente crítico en el comportamiento del baño. Cantidades excesivas de flux pueden producir espuma en el lavado, mediciones de concentración irregulares, cambios de compatibilidad y un enjuague deficiente. Tradicionalmente, cuanto mayor es la alcalinidad, más fundente puede absorber. Con soluciones semi-acuosas, una vez que un baño de lavado alcanza un cierto porcentaje de carga de flux, el pH se desplaza hacia el rango ácido. Es en este punto que el baño de lavado comienza a atacar los metales sensibles (por ejemplo, cobre y aluminio). Hoy en día, con la química acuosa equilibrada moderna, el ataque de metales es mucho menos frecuente. Sin embargo, existe una clara diferencia en la forma en que una química de pH neutro reacciona y atrae el flux contra la química alcalina suave.

Figura 3: Absorción del flux basada en pH

Las imágenes de arriba muestran las reacciones de carga de flux en diferentes soluciones de solvente. El Solvente A muestra la reacción del flux absorbido en la fase del solvente, donde forma una capa que no se mezcla bien con la fase acuosa. En el Solvente B, el flux se dispersa tanto en la fase acuosa como en la del solvente, sin reacción hidrofóbica.

Desafortunadamente, las calificaciones o evaluaciones del proceso se realizan con mayor frecuencia en condiciones prístinas; baño fresco, máquina optimizada y vehículos de prueba cuidadosamente ensamblados, sin tener en cuenta la influencia de la producción en el producto final. Durante la calificación, la limpieza se mide mediante Cromatografía Iónica (IC, por sus siglas en inglés) y/o Resistencia de Aislamiento Superficial (SIR, por sus siglas en inglés). Hay poca consideración por la dinámica de un baño de lavado en las condiciones de producción, la influencia del flux y los cambios que pueden ocurrir con el tiempo. La solución de lavado no solo experimenta un cambio físico visual debido a la eliminación de la suciedad de los ensambles, sino que la solución de lavado cargada con flux afecta sustancialmente la capacidad de enjuagar completamente el sustrato. El comportamiento y las condiciones del baño de lavado influyen en la calidad y confiabilidad del producto final.

COMPATIBILIDAD
El pH de una solución es un factor que puede afectar una superficie. Con frecuencia, los productos de pH neutro “7” se consideran deseables/buenos, principalmente porque los fluidos corporales humanos están cerca del pH 7 y se considera que no causan irritación o daño a ninguna superficie. Los números en ambos lados con frecuencia, se ven negativamente tanto para los humanos como para la compatibilidad de la superficie. Sin embargo, la compatibilidad también está influenciada por las características químicas del material de limpieza, la temperatura de limpieza, la energía de impacto y el tiempo de exposición al proceso de limpieza, incluyendo los ciclos de retrabajo. Un producto que contiene altos niveles de solventes para ayudar a eliminar la suciedad inorgánica, puede provocar ataque a plásticos o metales. También pueden emitir humos que son intolerables, creando mezclas corrosivas o cáusticas y también pueden ser una amenaza para la calidad del aire. Las posibles interacciones entre estos factores son especialmente retadoras hoy en día con el amplio rango y uso de diferentes materiales.

Figura 4: Componente después de limpieza con CA #1

The crucial factor is to design a cleaning agent which is balanced. For example, take the 7 cleaning agents below. The cleaning agents range from pH 7.6 to 11, with various solvency and builders’ levels.       El factor crucial es diseñar un agente de limpieza balanceado. Por ejemplo, tome los 7 agentes de limpieza a continuación. Los agentes de limpieza varían el pH de 7,6 a 11, con varios niveles de solvencia y mejoradores.

Figura 5: Bloques de construcción de 7 agentes de limpieza

Si un agente de limpieza se diseña con un balance de solvencia, mejoradores (amortiguadores) e inhibidores, será compatible con un amplio rango de metales y plásticos durante la vida del baño, como se muestra abajo.

Figura 6: Componente después de limpieza con CA#2

Con el balance correcto, el agente de limpieza puede remover eficazmente los residuos de flux de no limpieza, proporcionar un rango de compatibilidad estable y amplio, enjuagarse fácilmente y ser amistoso con el medio ambiente. Demasiado o muy poco de un ingrediente puede afectar significativamente la compatibilidad.

AMIGABLE CON EL MEDIO AMBIENTE
Para que un agente de limpieza sea ecológico o “verde”, debe minimizar la carga para el proceso de limpieza Y el medio ambiente. Esto significa toda la huella dactilar del proceso de limpieza, no solo el agente de limpieza, sino también el consumo de energía de la máquina, las emisiones de COV y los flujos de desechos producidos por el proceso de limpieza. Si un agente de limpieza es eficaz a una temperatura y concentración más bajas, hay menos consumo de productos químicos, menos residuos producidos, menos COV emitidos y menos energía gastada para ejecutar el proceso de limpieza. Ser “verde” debe incluir todo el proceso de limpieza, no solo el pH

CONCLUSIÓN

Cuando un agente de limpieza es parte de un proceso de manufactura, existen varios retos que superar frente a un proceso “verdadero” sin limpieza. Por el contrario, el riesgo de confiabilidad puede ser mayor si no se utiliza la “limpieza”. La mayoría de los fabricantes de Clase 3 consideran que el riesgo de no limpiar es mayor que los retos de limpiar. Como resultado, la limpieza es necesaria o elegida. Todo se trata de balance.
La limpieza es un proceso dinámico; ninguna faceta proporcionará todas las respuestas. Solo balanceando la carga del flux, la temperatura, el tiempo de exposición, la energía mecánica y el agente de limpieza se puede lograr un proceso estable y confiable. Todas estas variables interdependientes afectan a todo el proceso de limpieza: lavado, enjuagado y medio ambiente. El impacto del pH de un agente de limpieza en todo el proceso de limpieza, tanto negativa como positivamente, es solo una parte de la historia. Establecer un proceso de limpieza confiable requiere una buena comprensión de todos los factores que influyen y definir el balance adecuado para alcanzar la confiabilidad del producto final.   

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