A fabricação de eletrônicos, PCBs e semicondutores frequentemente exige ambientes gasosos controlados para limitar a exposição indesejada ao oxigênio, dar suporte a operações de purga e manter condições de produção estáveis.
O nitrogênio é amplamente utilizado para essas finalidades porque não sustenta a combustão e é relativamente pouco reativo em muitas condições industriais normais.
Para instalações com demanda regular de nitrogênio, um gerador de nitrogênio PSA para fabricação de eletrônicos e semicondutores pode fornecer uma fonte de nitrogênio produzida no local a partir de ar comprimido. No entanto, o sistema correto deve ser selecionado de acordo com os requisitos reais do processo, e não apenas com base na pureza do nitrogênio.
Vazão, pressão no ponto de uso, umidade, controle de contaminação, monitoramento, redundância e requisitos de qualidade do gás a jusante podem afetar a adequação do fornecimento de nitrogênio a um determinado processo.
Para uma visão mais ampla desse setor, consulte as soluções da Lingyu para eletrônicos e semicondutores.
Por que o nitrogênio é utilizado na fabricação de eletrônicos e semicondutores
O nitrogênio pode ajudar a criar uma atmosfera controlada com baixo teor de oxigênio ao redor de produtos, equipamentos ou determinadas operações de fabricação.
A finalidade exata varia significativamente entre uma linha de produção SMT, um processo de PCB, uma operação de montagem eletrônica e uma instalação de semicondutores. As especificações de nitrogênio devem, portanto, ser definidas de acordo com cada processo, em vez de aplicar um único nível universal de pureza de “grau eletrônico” ou “grau semicondutor”.
Nitrogênio para soldagem por refusão e soldagem por onda
Uma das aplicações mais claras do nitrogênio na fabricação de eletrônicos é a soldagem em atmosfera de nitrogênio.
Durante a soldagem em alta temperatura, as superfícies metálicas e da solda podem oxidar. A redução do oxigênio ao redor da zona de soldagem pode ajudar a limitar a oxidação e favorecer condições de processo mais consistentes.
O nitrogênio pode, portanto, ser utilizado em:
- Soldagem por refusão
- Soldagem por onda
- Determinados processos de soldagem seletiva
- Outras operações de montagem em atmosfera controlada
O benefício real para o processo depende de fatores como liga de solda, fluxo, configurações do equipamento, concentração de oxigênio, perfil de temperatura, projeto dos componentes e requisitos de produção.
O nitrogênio deve, portanto, ser considerado uma variável de processo dentro do sistema completo de soldagem, e não uma solução isolada para defeitos de soldagem.
Nitrogênio para purga e atmosferas controladas
Instalações de eletrônicos e semicondutores também podem utilizar nitrogênio para deslocar o ar ou gases residuais de determinados equipamentos, linhas, invólucros ou espaços de processo.
As aplicações podem incluir:
- Purga de equipamentos
- Purga de linhas de gás
- Invólucros com atmosfera controlada
- Inertização de determinados recipientes de processo
- Procedimentos de manutenção ou partida
Em particular na fabricação de semicondutores, as especificações do gás podem variar amplamente entre os diferentes processos.
Algumas operações podem exigir limites de pureza e contaminação além das especificações gerais de um sistema industrial de nitrogênio PSA. Portanto, o responsável pelo processo deve definir os níveis permitidos de oxigênio, umidade, partículas, hidrocarbonetos e outros contaminantes relevantes antes da seleção do sistema de nitrogênio.
Nitrogênio para componentes e materiais sensíveis
Determinados materiais eletrônicos, componentes, produtos intermediários ou etapas de produção podem se beneficiar de uma menor exposição ao oxigênio ou à umidade.
Nessas aplicações, o nitrogênio pode ser utilizado como atmosfera protetora durante o manuseio, armazenamento, processamento ou embalagem.
A qualidade necessária do nitrogênio continua dependendo do produto e do processo reais. Um percentual elevado de pureza do nitrogênio, por si só, não determina sua adequação a todas as aplicações de eletrônicos ou semicondutores.
Como funciona um gerador de nitrogênio PSA
Os geradores de nitrogênio da Lingyu utilizam a tecnologia de Adsorção por Variação de Pressão (Pressure Swing Adsorption — PSA).
O gerador utiliza dois recipientes de adsorção preenchidos com peneira molecular de carbono (Carbon Molecular Sieve — CMS).
O ar comprimido entra em uma das torres, onde o oxigênio é adsorvido preferencialmente pela CMS, enquanto o nitrogênio atravessa o leito de adsorção como gás produzido. Ao mesmo tempo, a outra torre é despressurizada e regenerada.
As duas torres alternam automaticamente sob controle por PLC, proporcionando produção contínua de nitrogênio na pureza especificada.
Para uma explicação mais detalhada, consulte como funciona a geração de nitrogênio por PSA e por que ela utiliza CMS.
Selecione a pureza do nitrogênio de acordo com o processo real
Não existe um único requisito de pureza de nitrogênio para toda a fabricação de eletrônicos ou semicondutores.
A linha de geradores de nitrogênio PSA da Lingyu cobre aproximadamente 95% a 99,999% de pureza, com configurações disponíveis de 99%, 99,5%, 99,9% e 99,99%.
A especificação adequada deve ser baseada no nível de oxigênio residual permitido pelo processo e em outros limites de qualidade do gás.
Por exemplo, uma purga geral de equipamento pode apresentar requisitos diferentes daqueles do nitrogênio utilizado em soldagem com atmosfera controlada ou em um processo de fabricação particularmente sensível.
Os compradores devem, portanto, evitar selecionar automaticamente a maior pureza disponível.
Quando o nitrogênio com 99,99% de pureza pode ser avaliado
Um gerador de nitrogênio com 99,99% de pureza pode ser avaliado quando a especificação de oxigênio do processo for compatível com esse nível de pureza.
No entanto, 99,99% não deve ser tratado como um requisito universal para a fabricação de semicondutores.
A seleção correta deve considerar:
- Concentração máxima permitida de oxigênio
- Vazão necessária de nitrogênio
- Pressão no ponto de uso
- Requisito de umidade ou ponto de orvalho
- Limites de contaminação
- Cronograma operacional
- Requisitos de confiabilidade
Quando é necessário um nível muito baixo de oxigênio residual
Algumas aplicações especializadas podem exigir níveis de oxigênio residual inferiores aos que uma configuração PSA padrão consegue fornecer de forma economicamente adequada.
Para essas aplicações, o sistema de purificação por desoxigenação à base de carbono da Lingyu pode elevar o nitrogênio PSA com aproximadamente 99,9% de pureza para ≥99,999%, com oxigênio ≤10 ppm, CO₂ ≤5 ppm e ponto de orvalho atmosférico do nitrogênio ≤−60 °C.
Essa purificação adicional deve ser selecionada quando o processo real exigir.
Para mais informações sobre aplicações de alta pureza, consulte o guia de geradores de nitrogênio de alta pureza.
Mesmo uma pureza de nitrogênio ≥99,999%, por si só, não define todos os requisitos de qualidade do gás para todos os processos de semicondutores. Aplicações individuais também podem especificar umidade, partículas, hidrocarbonetos ou outros contaminantes.
Dimensione a vazão de nitrogênio de acordo com o perfil real de demanda
As instalações de eletrônicos podem apresentar perfis de demanda de nitrogênio muito diferentes.
Uma linha de soldagem pode ter um consumo contínuo relativamente previsível, enquanto a purga de equipamentos ou a partida simultânea de várias linhas de produção podem gerar picos temporários.
O dimensionamento do sistema deve, portanto, considerar:
- Consumo médio de nitrogênio
- Demanda máxima simultânea
- Número de linhas de produção
- Eventos de purga
- Padrões de turnos
- Expansão futura
- Capacidade de reserva necessária
Dimensionar o sistema apenas com base no consumo médio pode resultar em vazão ou pressão insuficiente durante períodos de pico.
A capacidade do gerador deve, portanto, refletir tanto a demanda normal de produção quanto condições de pico plausíveis.
Utilize armazenamento intermediário para melhorar a estabilidade do fornecimento
Um tanque pulmão de nitrogênio pode ajudar a gerenciar a diferença entre a produção estável do gerador e a demanda variável da produção.
A configuração do sistema PSA da Lingyu inclui equipamentos de armazenamento intermediário de ar comprimido e um tanque pulmão de nitrogênio, além de componentes de análise de nitrogênio/oxigênio e controle de pressão.
Durante períodos de menor demanda, o gerador pode reabastecer o nitrogênio armazenado. Quando ocorre um pico de curta duração, o tanque pulmão pode complementar a produção do gerador e ajudar a estabilizar a pressão de fornecimento a jusante.
O volume adequado de armazenamento deve ser calculado com base em:
- Capacidade do gerador
- Consumo de pico
- Duração do pico
- Pressão de armazenamento
- Pressão mínima aceitável no ponto de uso
O armazenamento intermediário deve complementar o dimensionamento correto do gerador, e não compensar um gerador de nitrogênio subdimensionado.
Separe a pressão de alimentação do PSA da pressão no ponto de uso
A pressão do nitrogênio no equipamento real de produção é outro parâmetro importante para a seleção do sistema.
O sistema PSA padrão da Lingyu utiliza pressão de entrada de ar comprimido de 0,5–0,8 MPa.
Essa é a pressão do ar de alimentação que entra no gerador de nitrogênio. Ela não deve ser interpretada como a pressão de nitrogênio automaticamente disponível nos equipamentos de soldagem, ferramentas de processo ou outros usuários a jusante.
O sistema de distribuição deve considerar:
- Comprimento da tubulação
- Reguladores
- Filtros
- Válvulas
- Vazão simultânea
- Perdas de pressão na distribuição
Se uma aplicação específica exigir uma pressão diferente, podem ser necessários regulagem, armazenamento ou aumento de pressão adequados a jusante.
A qualidade do ar comprimido faz parte do projeto do sistema de nitrogênio
A geração de nitrogênio por PSA depende de ar comprimido adequadamente tratado.
Umidade, óleo e contaminação por partículas podem afetar filtros, válvulas pneumáticas, CMS, analisadores e o desempenho do sistema a longo prazo.
Em instalações de eletrônicos e semicondutores, nas quais o controle de contaminação pode ser particularmente importante, o sistema de ar comprimido a montante deve ser avaliado em conjunto com o gerador de nitrogênio.
A linha de filtragem da Lingyu inclui etapas de filtragem AO, AA, AX e de carvão ativado para diferentes requisitos de tratamento.
Dependendo da configuração de tratamento necessária, um filtro de precisão para ar comprimido pode fazer parte do sistema de pré-tratamento do PSA.
Um sistema completo pode seguir esta configuração:
Compressor → reservatório → secador → filtragem → gerador PSA → tanque pulmão de nitrogênio → analisador → distribuição
O nível necessário de filtragem e secagem deve ser determinado tanto pelos requisitos do gerador quanto pelas especificações de fabricação a jusante.
Defina o ponto de orvalho do nitrogênio separadamente da pureza
A pureza e o grau de secura do nitrogênio são especificações diferentes.
O sistema PSA padrão da Lingyu fornece nitrogênio com ponto de orvalho ≤−40 °C nas condições operacionais especificadas.
Esse valor não deve ser automaticamente considerado suficiente para todos os processos de semicondutores.
Quando a umidade for crítica, o ponto de orvalho necessário deve ser especificado separadamente de acordo com os requisitos reais do processo ou do equipamento.
Isso é especialmente importante porque a seleção de um percentual elevado de pureza de nitrogênio não garante automaticamente o atendimento a um requisito específico de umidade a jusante.
Monitore a pureza e a vazão do nitrogênio
Para produção contínua, os operadores precisam saber se o fornecimento de nitrogênio permanece dentro da faixa operacional exigida.
O projeto PSA da Lingyu oferece monitoramento em tempo real da pureza e da vazão do nitrogênio.
A tela sensível ao toque exibe pressão, pureza, vazão e status operacional do sistema.
O sistema também possui um alarme para nitrogênio fora da especificação. Se a pureza permanecer abaixo do valor especificado durante o período predefinido, o sistema pode desligar automaticamente como medida de proteção.
Para processos de fabricação críticos, o projeto também deve determinar como os sinais do analisador, alarmes, intertravamentos e fornecimento de backup se integram ao sistema de controle da planta.
Planeje a confiabilidade e a redundância de acordo com o risco de produção
Instalações de eletrônicos e semicondutores podem operar com longos cronogramas de produção, tornando a disponibilidade do sistema de nitrogênio uma consideração importante.
A redundância necessária deve depender das consequências da perda do fornecimento de nitrogênio.
As possíveis medidas incluem:
- Armazenamento intermediário de nitrogênio
- Fonte de nitrogênio em espera
- Capacidade de geração de reserva
- Equipamentos críticos redundantes
- Estratégia planejada de manutenção
Nem todas as linhas de produção exigem o mesmo nível de redundância.
O projeto deve distinguir entre usuários de nitrogênio não críticos e processos nos quais a interrupção do nitrogênio possa parar a produção ou afetar a qualidade do produto.
Avalie o consumo de energia e o custo operacional total
A geração de nitrogênio PSA no local pode reduzir a dependência de cilindros ou de nitrogênio a granel fornecido externamente, mas o benefício financeiro depende de cada instalação.
Entre os fatores econômicos importantes estão:
- Consumo de nitrogênio
- Pureza necessária
- Demanda de ar comprimido
- Eficiência do compressor
- Custo da eletricidade
- Horas de operação
- Perdas no tratamento de ar
- Manutenção
- Armazenamento
- Fornecimento de backup
O processo otimizado de equalização entre pressões desiguais da Lingyu pode reduzir indiretamente o consumo geral de energia em aproximadamente 5%.
A economia real em comparação com o nitrogênio fornecido externamente continua dependendo das condições operacionais e dos custos específicos da instalação.
Para uma análise de custos mais ampla, consulte o guia de custos e ROI de geradores de nitrogênio.
Lista de verificação para seleção
Antes de escolher um gerador de nitrogênio PSA para fabricação de eletrônicos ou semicondutores, defina:
- Pureza necessária do nitrogênio ou nível máximo de oxigênio residual
- Outros limites necessários de contaminantes
- Vazão média e de pico
- Pressão no ponto de uso
- Ponto de orvalho necessário do nitrogênio
- Pressão e qualidade do ar comprimido existente
- Número de usuários de nitrogênio
- Horas de operação da produção
- Requisitos de armazenamento intermediário
- Requisitos de redundância
- Requisitos do analisador e do sistema de controle
- Crescimento futuro esperado da capacidade
Para uma estrutura de engenharia mais ampla, consulte o guia de seleção de geradores de nitrogênio PSA.
Requisitos de MES, SCADA e monitoramento remoto
Quando forem necessários monitoramento remoto ou integração de dados em nível de planta, os requisitos de comunicação devem ser definidos durante a engenharia do projeto.
A especificação do projeto deve identificar requisitos como:
- Interface de comunicação
- Pontos de dados necessários
- Protocolo de comunicação
- Sinais de alarme
- Requisitos de monitoramento remoto
- Permissões de controle
Essas funções devem ser confirmadas para a configuração efetivamente fornecida, em vez de se presumir que estejam incluídas em todos os sistemas padrão de geração de nitrogênio.
Conclusão
Um gerador de nitrogênio PSA para fabricação de eletrônicos e semicondutores pode fornecer uma fonte de nitrogênio no local para soldagem em atmosfera controlada, purga, inertização, suporte a equipamentos e outros processos com requisitos definidos de controle de oxigênio.
A principal decisão de seleção não é simplesmente escolher a maior pureza de nitrogênio disponível.
Um sistema confiável deve equilibrar:
Especificação do gás de processo → pureza e oxigênio residual → vazão → pressão no ponto de uso → controle de umidade e contaminação → tratamento do ar comprimido → armazenamento intermediário → monitoramento → redundância.
Quando esses requisitos são claramente definidos e considerados como um único sistema, a geração de nitrogênio por PSA pode proporcionar um fornecimento estável e controlável de nitrogênio para muitas aplicações de fabricação de eletrônicos e determinadas aplicações de fabricação de semicondutores.
Os equipamentos disponíveis podem ser consultados na linha de geradores de nitrogênio da Lingyu.
