PROJETO

I M E & I B M

TÍTULO: Nacionalização de "R- Packs "

AUTOR: Cirineu José da Costa - Cap Eng

ORIENTADOR: Mauro Baur – Engº da IBM

DATA : 06 DEZ 1983

AGRADECIMENTOS

Agradeço ao Major CELIO XAVIER e Major TULIO PINAUD MADRUGA pela orientação recebida sem a qual este trabalho não se concretizaria

Agradeço ao Engenheiro CARLOS ROBERTO CORREA

DA COSTA e ao Funcionário. JOÃO DE OLIVEIRA pela

cooperação durante a execução deste trabalho.

MINISTÉRIO DO EXÉRCITO

EME CTEx

INSTITUTO MILITAR DE ENGENHARIA

Seção de Engenharia e Ciências dos Materiais

PROJETO

IME/IBM

TiTULO:Nacionalização de "RPack"

Estagiário: Cirineu José da Costa- Cap Eng.

Orientador: Mauro Baur - Engenheiro

1. BASE TEÓRICA

1.1.Substrato para filme espesso

O substrato deve ter pureza de 94 a 96% e o restante de cálcio, magnésio e sílica.

1.2.Funções do substrato:

-suportar o circuito e possibilitar a sua montagem;

-proteger o circuito de danos mecânicos;

-dissipar calor;

-prover isolamento elétrico.

1.3.Propriedades:

-alta resistividade superficial e volumétrica;

-baixa constante dielétrica para evitar capacitância parasitária;

-variação dimensional despresivel até 1.000ºC;

-não reagir com o filme em altas e baixas temperaturas;

-grande resistência a abrasão;

-boa condutibilidade térmica.

1.4.Materiais mais usados:

-óxidos de berilo

-titanato de bário

-alumina

Obs: O berilo é usado em altas potencias por ter alta condutibilidade térmica

A alumina é, em geral, a mais usada (grãos de 3 a 5 microns).

1.4.Manufatura do substrato de alumina

O pó fino de alumina com aditivos é sinterizado a altas temperaturas depois

de ter sido prensado. Em geral é uma mistura de alumina, MgO e CaO. Durante a

moagem adiciona-se um pouco de água. Após a moagem o pó é seco, prensado e

sinterizado (processo DRY PRESS).

1.5.Tinta Condutora

Pode ser obtida por mistura de material orgânico, metálico e vidro.

1.5.1.Componentes:

-material orgânico: thinner para dar viscosidade e base orgânica para

aderir o filme ao substrato (metil, butil, propil, alcool, ésteres, etc.)

-material metálico: platina, paládio, ouro, prata ou mistura destes.

-vidro: fusão a 500/1000ºC de silicato de boro, óxido de bismuto ou Cd.

1.5.2.Resistividade:

Quando ρ ≤ 0,001 ohm.cm a tinta pode ser considerada condutora.

1.5.3.Características necessárias:

-alta condutividade necessitando menor DDP e gerando menor calor

-boa adesão

-não variar a condutibilidade com o tempo, temperatura, estocagem, etc.

V = r.i r = ρ (L / t.w)

1.5.4.Materiais condutores mais usados:

-Prata: ocorre migração sob altos campos eletromagnéticos e sob grande

umidade, baixando a resistividade da área para onde ela migra. Um campo de

/600 V/pol em 0,5 seg já é capaz de forçar a migração da prata. Ela também

dissolve-se rapidamente na solda fundida.

-Ouro: é difícil soldar ( má soldabilidade) e possui alto custo.

-Liga platina-ouro: não possui boa adesão ao substrato.

-Liga paládio-prata: é mais barata, tem boa adesão e soldabilidade ,mas apresenta o problema da migração da prata.

-Outros materiais: platina, paládio, Ir, Rh, rutênio, ósmio, etc.

1.6.Tinta Resistiva

1.6.1.Componentes:

-Aditivos orgânicos: os mesmos da tinta condutora.-Vidros: silicato de boro puro ou misturado com Cd ou Zn.-Metais: combinação de condutores, isolantes e semicondutores.Óxido de

tálio misturado com vidro de silicato de boro dá uma tinta com 50 ohm.cm a 1 x 107 ohm.cm (85 a 25% de tálio em peso). A secagem é feita a 550ºc e seu custo é mais baixo.

-Pd/PdO dá, misturado com Ag , uma resistência de 1 ohm.cm até 1 x 106 ohm.cm, sendo porém sensivel à atmosfera do forno de secagem.

1.7.Tinta Dielétrica

1.7.1.Aplicação:

Iisolantes nos cruzamentos de linha, selos protetores, etc .São bons

isolantes ( ρ≥ 1013 ohm. em).

1.7.2.Materiais usados: titanato de bário com pequenas particulas de vidro.

1.8. Diagrama de Fabricação

Ref-: HAMER,Dcnald W. - Thick Film Hybrid Microcircuit Technology.

TRITURAÇAO

VIDRO COMPONENTES ORGÃNICOS MATERIAIS FUNCIONAIS

MOAGEM MISTURA E MOAGEM

TESTE

AJUSTE

TINTA PRONTA

2.ANÁLISE MICROGRÁFICA E ESTUDO DA FALHA NA SOLDA DE PINOS ( GTE)

2.1.Ensaios Mecânicos

Foram feitos ensaios de tração nos pinos e ensaios de tração pino/solda.

2.1.1.Resultados dos ensaios de tração nos pinos:

PINO CARGA MÁXIMA (kg) RESUMOComwn 6,458 6,537 6,406 6,90 Carga média: 6,67 kg5 6,85 Desvio padrão:0,2ll74 6,60 Variância:0,04483 -,-2 6,831 6,85

21.2.Resultados de ensaios de tração pino/solda:

PINO CARGA MÁXIMA (kg) RESUMOComwn 6,408 7,807 6,686 6,30 Carga média: 6,425 kg5 6,50 Desvio padrão:0,591

4 6,00 Variância:0,3498

3 6,402 7,001 -.-

Obs:- Os gráficos de carga estão reunidos no Anexo "A".

2.2 .Ensaios Metalográficos

Foram feitos ensaios metalográficos com ataque de Nital a 3% e sem

ataque.Confirmou-sei que a solda utilizada é 63/37 (eutética de Pb-Sn). Nas microfotografias ela

apresentou inclusões de óxidos que fragilizam a solda.O RPack nº 02-lK_ que apresentava falha

na solda foi analizado em todos os pinos. Pelas fotos observou-se um gradiente de corrosão

crescente a partir do pino comum. O RPack nº 25-3K3 que não apresentava falha na solda

também foi analisado e observei depósito de solda homogêneo e algumas inclusões de óxidos.

As fotografias estão reunidas no Anexo "E".

2.3.Ensaio fora da estufa

Foi realizado com o RPack nº 8 - 10K. O componente foi ligado em carga levan-do-se em conta o poder de dissipação máximo aconselhável para a alumina que é de 0,,31 w/cm2. A área do substrato era de 1,,395 cm2 e foi submetido a uma potência de 0, 865 W a partir do dia 19 de agosto de 1983. Antes de ser ligado ele foi pesado e acusou 0,60604 g.Nos dias subsequentes foram feitas medições de temperatura e notei um gradiente de temperatura crescendo a partir do pino comum em direção ao 8º pino. Na área próxima do pino comum a temperatura oscilou entre 40/41ºC, na zona intermediária oscilou entre 43/45ºC e na área próxima ao 8º pino oscilou entre 47/48ºC.. No dia 05 de outubro de 1983 o componente foi desligado e pesado e acusou um peso de 0,60580 g, ou seja, houve uma perda de 2, 4x10-4 g e quando observado ao microscópio não apresentou sinais evidentes de defeitos nas soldas dos pinos.

2.4. Ensaios na Estufa

No dia 07 de novembro de 1983 o RPack nº 8 foi colocado na estufa a 100ºC, semCarga, a fim de observar-se o efeito do calor externo. Permaneceu na estufa até o dia 11 de novembro, totalizando 120 horas. Embora o tempo tivesse sido pequeno, pode ser observado o inicio de defeitos na solda, levando a crer que a geração de calor interno ( P= RI 2) no componente ligado, somado com a diminuição do poder de dissipação devido a temperatura da estufa em que eles foram testados na IBM (que diminui a troca por convecção), ocasionaram os defeitos na solda. A potência utilizada na IBM estava acima do poder de dissipação do substrato (0,31 W/cm 2). O substrato após retirado da estufa pesou 0,60707 g que representou uma perda de massa de 1,27 X 10-3 g, ou seja, 5(cinco) vezes maior que a perdida após 1000 horas do componente ligado em carga, que foi de 2, 4 x 10-4 g.

2.5.Conclusão

Conclui-se pois que para resolver esse problema será necessário aumentar a

área especIfica do substrato para que haja condições de dissipação da potência gerada.

Pode-se confeccionar o componente com uma área maior (desde que seja tecnicamente

viável) ou então recobri-lo com resina epóxi, aumentando a sua área útil de dissipação.

SentIu-se também a necessidade de ser melhorado o controle da oxidação do banho de

solda, afim de diminuir as inclusões de óxidos que alteram a composição do eutético.

GRADIENTE DE TEMPERATURA

Θ (ºC)

48

40

COMUM 1 2 3 4 5 6 7 8

3..ANÁLISE DAS ESPECIFICAÇÕES IBM PARA SUBSTRATO

(AMOSTRA IME/COBAM)

3.1..Teste de Pureza

Tanto a alumina da COBAM como a do IME tem pureza aproximada de 99,8%.

3.2.Peso especifico (g/cm3) - método sink e float

a.Usar a solução de CLERCI (formiato de talio malanato) de densidade 4,05

b.Diluir em água até conseguir a densidade de 3,75 indicado para substratos.

c.C olocar as amostras na solução. Se afundar ela é boa, se flutuar ela não

serve.

OBS-:Este teste não foi realizado por falta de material.

3.3..Impenetrabilidade Zyglo

a.lmergir 10 amostras em Ziglo ZL-1B (magnaflux) por 10 minutos. Cuidar para

expor todas as superficies do substrato.

b. Enxaguar em água co!'rente PO!' 10 minutos.

c.Secar em ar quente e inspecionar sob luz negra (ultra violeta).

d.Qualquer trinca aparecerá como uma linha luminiscente e as porosidades

aparecerão como concentrações de pontinhos luminiscentes.

e.Qualquer trinca ou porosidade inabilita a peça.

OBS-:Este teste não foi realizado por falta de material

3.4.Impenetrabilidade a Hélio

a. Usar 10 amostras e um detector HELIUM LE'AK (Veecs ou similar)

b.A peça é testada em área sólida (espessura 1,27 a 9,25 mm) com pressão de

hélio de 1 atm.

c.Após a exposição ao hélio ela é levada a um vácuo de 3xl0-4 torr por 15 seg

d.Se houver aumento na corrente iônica o componente será rejeitado.

OBS-:Este teste não foi realizado por falta de material.

3.5.Absorção de Água

a.Pese 10 amostras no ar conseguindo pelo menos 3 casas decimais de grama.

b.Imergir as amostras em água destilada.

c.Colocar num dessecador a vácuo mantido entre 10 e 20 torr por 30 minutos.

Remover as amostras e secá-tas individualmente com um pano limpo e seco de

linho puro.

d.Pesar cada amostra novamente.

e.Qualquer alteração no peso só será admitida se for menor que 0,001 g.

Qualquer diminuição no peso invalida o teste e ele deve ser repetido.

3.6.Força Flexional média

Foram realizados ensaios de flexão a 4 pontos, cujos gráficos estão reunidos no

anexo "c" e os resultados obtidos foram:

3.6.1.Amostras da COBAM:

P 1 = 6,304 Kg

6 6 6

PP

0,99

3,68

AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 AMOSTRA 3

0,99 0,975

3,68 4,665

Tf 1 = 3(P1.e)/(b.h2) = 3 ( 6,304 x 6) / (3,680 x 0,99 2 ) = 31, 4608

Tf 1 = 31,4608 kg/mm2

P 2 = 9,56 Kg

Tf 1 = 3(P1.e)/(b.h2) = 3 ( 9,56 x 6) / (3,680 x 0,99 2 ) = 47,7103

Tf 1 = 47,7103 kg/mm2

P 3 = 8,48 Kg

Tf 1 = 3(P1.e)/(b.h2) = 3 ( 8,48 x 6) / (4,665 x 0,975 2 ) = 34,4197

Tf 1 = 34,4197 kg/mm2

Tf médio = 37, 864 Kg/mm2 (o mínimo recomendado é 28 Kg/mm 2)

3.6.2.Amostras do IME:

P P

0,65

4,65

AMOSTRA 4 AMOSTRA 5 AMOSTRA 6

0,65 0,65

3,93 3,93

6 6 6

P 4 = 2,928 Kg

Tf 4 = 3(P1.e)/(b.h2) = 3 ( 2,928 x 6) / (4,625 x 0,674 2 ) = 25,0849

Tf 4 = 25,0849 kg/mm2

Obs-:Esta amostra apresentava uma pequena trinca mas foi ensaiada tendo em vista o pequeno nº de amostras disponíveis.

P5 = 3,776 Kg

Tf 5 = 3(P1.e)/(b.h2) = 3 ( 3,776 x 6) / (3,930 x 0,65 2 ) = 40,93 kg/mm2

Tf 5 = 40,93 kg/mm2

P 6 = 2,736 Kg

Tf 6 = 3(P1.e)/(b.h2) = 3 ( 2,736 x 6) / (3,93 x 0,65 2 ) = 29,6599

Tf 1 = 29,6599 kg/mm2

Tf médio = 31,8916 Kg/mm2 (o mínimo recomendado é 28 Kg/mm 2)

2.7.Dureza Rockwell Normal mínima

A dureza minima recomendada pela CMH-51731-300 é 78 RN. A medição feita na

escala 15 N acusou uma leitura de 92,5 em média para as amostras.

4. DETERMINAÇÃO DO MÓDULO DE ELASTICIDADE NAS AMOSTRAS DE ALUMINA DA COBAM E DO IME (MÓDULO DE YOUNG)

Embora não constasse na relação de propriedades, por ser um dado importante, consta no relatório o Módulo de Young (E). Os gráficos obtidos estão nos anexos "C" e "D".

4.1.Amostra da COBAM

Foram realizados ensaios a 4 pontos com as seguintes características:

-calibração do extensômetro = 10 mV/cm

-sensibilidade do extensômetro = 2,33 mV/micrometro

-velocidade de descida = 0,02 cm/min

No anexo "C" temos as curvas de rigidez da máquina, obtida fazendo-se a com-pressão apoio sobre apoio, e as curvas de flexão das amostras. No anexo "D" temos as curvas que representam o ensaio sem a influência da elasticidade da máquina, obtidas pela subtração: (curvas de flexão - curvas de rigidez).

Fórmula para o cálculo do módulo de elasticidade:

E=( (L-t) 2. (L + 2t).P) / 48.f.I onde:

L = distância entre os apoios externos= 18 mm

t = distância entre os apoios internos= 6mm

P = carga na viga em Newtons(N)

f = fator de conversão= x.C /S

x = distância da origem ao ponto considerado no eixo OX

C = calibração do extensômetro (mV/cm)

S == sensibilidadc do extensômetro (mV/micrometro)

I = (b h3)/12 (momento de inércia) cálculos:

f 1 = (x.C)/S = (7 em x 10 mV/em ) / (2,23mV/micrometro) =

f 1 = 31,390 micrometro

I = (3,68 . 0,99 3 ) / (12) = 0,29755836 mm4

P = 2,256 x 9,806 Kg m/s2 = 22,122336 N

E = ((18 - 6) 2 .(18 + 2x6). 22,l22336)) / (_48 x 31,390 x 0,29755836 x 10-9) =

E = 213,16 x 109 N/m2 = 213,16 GPa

4.2.Amostra do IME

f 2 = (x.C)/S = (24 em x 10 mV/em ) / (2,23mV/micrometro) =

f 2 = 107,62 micrometro

I = (3,93 . 0,65 3 ) / (12) = 0,0899397 mm4

P = 2,112 x 9,806 Kg m/s2 = 20,7103 N

E = ((18 - 6) 2 .(18 + 2x6). 20,7103)) / (_48 x 107,62 x 00899397 x 10-9) =

E = 192,57 x 109 N/m2 = 192,57 GPa

5.FABRICAÇÂO DAS PLACAS DE ALUMINA

As placas de alv.mina foram fabricadas no Laboratório de Materiais Cerâmicos do IME-, por prensagem e sinterização (Dry Press).

5.1.Prensagem

a.Velocidades utilizadas na INSTRON:

-velocidade de subida: 0,01 cm/min (low)

-velocidade da carta: 2,0 cm/min

-velocidade de descida: 0,05 cm/min

b.Dados caracteristicos utilizados (divulgação restrita)

-Permanência da carga: 2 minutos

-Calço: 5 mm (para enchimento)

-Carga máxima: 16 ton

-Medida da espessura após prensagem: 1,15 mm

5.2.Sinterização

Foi realizada em forno elétrico marca NETZCH com as seguintes características:

a.Pre-aquecimento:

Feito em estufa a 50ºC

b..Taxa de aquecimento:

Foi usada a taxa de 120ºC/hora

c. Patamar

pré-fixado no forno para permanecer 1 (uma) hora a 1600ºC-, temperatura na qual ocorre a sinterização do pó de alumina.

5.3.Alumina.

Utilizou-se a alumina A-16 superground da ALCOA-, misturada com POLIDOL (3%

do peso de alumina) e tricloroetileno (8 ml para cada 100 g de alumina).

Rio de Janeiro, 06 de dezembro de 1983.

CIRINEU JOSÉ DA COSTA - Cap Eng

Aluno do 5º Ano de Metalurgia do IME