PT1865760E

PT1865760E - Processo de brasagem

Info

Publication number: PT1865760E
Application number: PT07107629T
Authority: PT
Inventors: Robert Michael Hartung; Hans Ulrich Voeller
Original assignee: Centrotherm Thermal Solutions Gmbh & Co Kg
Priority date: 2006-06-08
Filing date: 2007-05-07
Publication date: 2011-01-12
Also published as: EP1865760A3; ATE484182T1; EP1865760A2; DE102006027027A1; ES2358996T3; EP1865760B1; DE502007005248D1

Description

ΕΡ 1 865 760/ΡΤ

DESCRIÇÃO "Processo de brasagem" 0 invento refere-se a um processo de brasagem sem chochos para brasagem por fusão peças de junção em vácuo num recipiente, tais como componentes eléctricos ou outros semelhantes em placas de circuitos impressos ou outros elementos de suporte, pelo carregamento do recipiente com as peças de junção a serem unidas e uma diminuição da pressão no recipiente, bem como um aquecimento simultâneo das peças de junção.

Para garantir uma brasagem por fusão sem chochos, o processo de brasagem deve ser realizado em vácuo, por exemplo, num recipiente (câmara que pode ser evacuada). Para este efeito, durante o processo de brasagem, isto é, na fase liquida da solda, a pressão é diminuída em relação à pressão normal de, pelo menos, 1CT3 mbar. Consegue-se deste modo que os chochos que se encontram na brasagem, que ainda aparecem à pressão normal, se possam escapar através da solda para o exterior. É necessário, além disso, libertar, tanto a superfície da solda como também a superfície das peças de junção, a serem soldadas, completamente do óxido, visto que, de outro modo, não é possível uma ligação metálica das peças de junção. Para a activação das peças de junção são normalmente utilizados fluxos decapantes químicos, compostos por materiais resinosos, com um suplemento de componentes ácidos.

No entanto, quando da brasagem com fluxos decapantes deste género aparecem vapores tóxicos e permanecem, geralmente, resíduos dos fluxos decapantes nas peças de junção, os quais requerem frequentemente um processo de limpeza adicional. A camada do fluxo decapante, numa placa guarnecida com circuitos impressos, pode, por exemplo, ser realizada por injecção e a seguir por pré-aquecimento da mesma para activação do fluxo decapante.

Uma outra possibilidade para activação da solda e da superfície das peças de junção em relação às camadas 2 ΕΡ 1 865 760/ΡΤ perturbadoras de óxido consiste na utilização de ácido fórmico de actuação por via húmida (HCOOH), ou de hidrogénio redutor. 0 teor de hidrogénio combina-se neste caso com o oxigénio da camada de óxido, formando água. No caso de um processo de brasagem a vácuo, a água no estado gasoso é então aspirada pela bomba de vácuo que, em qualquer caso, é necessária.

Um fluxo decapante semelhante é descrito na DE 695 22 993 T2, com ácido pimélico como componente activo primário. 0 ácido pimélico é um material sólido com uma temperatura de fusão particularmente baixa.

Uma outra variante é a redução das camadas de óxido com iões de hidrogénio. Neste caso para a activação do hidrogénio (separação de H2 em iões de hidrogénio) são necessárias temperaturas superiores a 350°C. Neste caso é, no entanto, desfavorável a utilização de hidrogénio, o que por motivos de segurança (formação de gás detonante) deve ser considerado como muito critico. Além disso, a maioria dos semicondutores após uma activação a temperaturas superiores a 350°C já não são funcionais. Com isto a utilização de hidrogénio para a redução das camadas de óxido é eliminada para muitos casos de utilização.

Numa activação quimica por via húmida com ácido fórmico permanece, após o ciclo de brasagem, sempre um resíduo de formiato (sal) na superfície. Eventualmente deve ser realizada uma limpeza adicional da superfície. É também eliminado, com isto, para muitos casos de aplicação este tipo de activação de superfície.

Em DE 696 03 418 T2 é descrito um método e um dispositivo para brasagem com estanho com um processo integrado de fusão a seco. O ponto de partida é, neste caso, uma mistura inicial, a qual contém um gás inerte e/ou um gás redutor e/ou um gás oxidante. Para esta mistura gasosa ser produzida, após conversão para uma saída de gás, é necessária uma mistura gasosa, a qual contém espécies gasosas excitadas ou instáveis e está essencialmente isenta de espécies carregadas electricamente. 3 ΕΡ 1 865 760/ΡΤ A produção de espécies gasosas excitadas ou instáveis é efectuada em, pelo menos, dois aparelhos, os quais estão, respectivamente, equipados com aberturas de saída de gás e ocorrendo, pelo menos, num aparelho uma descarga eléctrica. 0 tratamento das peças de junção com as mencionadas espécies de gás é efectuada a uma pressão atmosférica de, aproximadamente, 0,1 e 3 bar.

Como gases inertes são considerados, por exemplo, o azoto, o árgon, o hélio ou mistura dos mesmos. Os gases redutores podem ser o hidrogénio, o CH4, amoníaco, o SiH4 ou misturas dos mesmos, bem como gases oxidantes C02, N20, OH2 ou misturas dos mesmos. O teor de vapor de água na mistura final do gás deverá situar-se na gama de entre 500 ppm e 1000 ppm.

Este processo é muito caro devido ao equipamento técnico. Em qualquer caso, são necessárias três zonas para a realização do processo. Estas são: uma zona para o pré-aquecimento dos circuitos de ligação, mais outra zona para o tratamento bilateral dos circuitos de ligação com as misturas primárias de gás antes da brasagem e uma terceira zona para brasagem por ondas.

Em DE 695 24 421 T2 é descrito um fluxo decapante "Non-Clean" sem colofónia com um reduzido teor de VOC (compostos orgânicos voláteis), portanto com um teor reduzido de compostos orgânicos voláteis, o qual se baseia na utilização de um activador de ácido carbónico isento de halogenetos em combinação com acriloamina e água.

Todos estes processos têm em comum que os mesmos requerem custos elevados quando de produção do fluxo decapante, quando da preparação do processo de brasagem e também do tratamento posterior das peças de junção após o processo de brasagem. O invento tem portanto por objectivo criar um processo de brasagem por fusão sem chochos de peças de junção, o qual é fácil de realizar e após a execução do processo de brasagem não são necessários quaisquer tratamentos posteriores das 4

ΕΡ 1 865 76Ο/PT peças de junção e não originando o mesmo qualquer risco para o meio ambiente. O objectivo fundamental do invento é conseguido por meio de um processo de brasagem por fusão sem chochos de peças de junção em vácuo num recipiente, tais como componentes eléctricos ou semelhantes em placas de circuitos impressos ou outros elementos de suporte, pelo carregamento do recipiente com as peças de junção a serem unidas e a diminuição da pressão no recipiente, bem como um aquecimento simultâneo das peças de junção, por meio de ignição de um plasma ao ser atingida a pressão necessária para a ignição, ou a introdução de um plasma remoto no recipiente, a injecção de água no recipiente e a separação de iões de hidrogénio e de oxigénio pelo plasma, a activação da superfície das peças de junção e da brasagem por meio de oxidação e remoção da camada de carbono bem como a subsequente ligação de oxigénio da camada de óxido ao hidrogénio, a conclusão do processo de brasagem por fusão e a ventilação do recipiente após a expiração de um tempo de retardo predeterminado. 0 plasma inflamado no interior do recipiente é, de preferência, um plasma de baixa pressão na gama de frequências RF (kHz ... Mhz) . Em alternativa o plasma numa instalação de alta frequência é um plasma na gama GHz que pode também ser inflamado como plasma remoto numa antecâmara, ligada ao recipiente, sendo o plasma a seguir conduzido para o recipiente. A pressão no recipiente é além disso reduzida para uma gama de baixas pressões de, pelo menos, 1CT3 mbar.

Num desenvolvimento do invento as peças de junção são aquecidas progressivamente. De preferência as peças de junção são em primeiro lugar aquecidas a uma temperatura abaixo da temperatura da brasagem, para activação das superfícies das peças de junção por meio de iões de oxigénio e de hidrogénio e após um tempo predeterminado são aquecidas à temperatura da brasagem. Deste modo pode-se controlar a duração da activação das superfícies das peças de junção bem como o processo de brasagem por fusão. 5 ΕΡ 1 865 760/ΡΤ

Para obter uma remoção particularmente boa dos chochos na brasagem, a pressão no recipiente após ser atingida a temperatura da brasagem, pode ser temporariamente ainda mais reduzida.

Num outro aperfeiçoamento do invento a água é previamente aquecida antes de ser injectada no recipiente.

Para o aquecimento das peças de junção pode ser utilizada a irradiação de infravermelhos ou de halogéneo ou também um aquecimento por resistência.

Em alternativa as peças de junção também podem ser aquecidas por meio de aquecimento por contacto ou aquecimento por convecção.

Um aquecimento particularmente rápido e no ponto exacto das peças de junção pode ser atingido por meio de raios laser.

Com isto é também conseguida uma solução surpreendentemente simples, para o perito na técnica, do objectivo em que o invento se baseia, uma vez que no estado da técnica se parte, sem excepção, de misturas de fluxos decapantes de diferentes tipos e é aqui demonstrado que a água pura completamente suficiente como fluxo decapante no processo da brasagem por vácuo. 0 processo de acordo com o invento é principalmente também de custo reduzido, absolutamente inofensivo e extraordinariamente ecológico.

Além disso o processo de acordo com o invento pode facilmente ser integrado em processos de brasagem a vácuo e com custo reduzidos. 0 processo de brasagem pode além disso ser utilizado na aplicação de qualquer brasagem metálica em todas as peças de junção metálicas. Com isto, o processo de acordo com o invento é aplicável de modo absolutamente universal. 6 ΕΡ 1 865 760/ΡΤ Ο invento é em seguida explicado em pormenor com base num exemplo de realização. Nas respectivas figuras dos desenhos é mostrado: na Fig. 1 uma representação esquemática de uma instalação de baixa e de média frequência para brasagem por fusão; e na Fig. 2 uma representação esquemática de uma instalação de alta frequência para brasagem por fusão. 0 ponto de partida é uma instalação convencional de brasagem por fusão, a qual está disposta numa câmara que possa ser posta sob vácuo, por exemplo, num recipiente 1, de modo que se pode realizar um processo de brasagem em vácuo. As peças de junção FP a serem ligadas por brasagem estão assinaladas apenas de forma esquemática, dado que a sua configuração pode ser de escolha livre. As peças de junção FP podem, por exemplo, ser placas de circuitos impressos equipadas com pastilhas de semicondutores ou com elementos de componentes semicondutores FBGA ou serem outros componentes. Para a realização do processo de brasagem por fusão em vácuo, o recipiente 1 está ligado com uma bomba de vácuo 2, com a qual a pressão interna no recipiente 1 pode ser reduzida durante o processo de brasagem na fase liquida da brasagem para uma pressão de 1CT3 mbar ou menos. Deste modo os chochos que se encontram na brasagem podem escapar para o exterior para a atmosfera na câmara 1 (Fig. 1). Além disso encontra-se no recipiente 1 um dispositivo para a ignição durante o processo de vácuo de um plasma de baixa pressão na gama de frequências de kHz ... MHz. Para este efeito estão dispostos no recipiente 1 dois eléctrodos 3, 4, os quais estão ligados a uma unidade geradora 5, composta por um gerador de frequência 6 e um regulador 7 associado. É pulverizada água no plasma inflamado, durante o processo em vácuo, o que devido à baixa pressão na câmara se efectua sem qualquer bomba adicional. Para este efeito a água é introduzida a partir de um reservatório 8, através de um LMC 9 ("Liquid Massflow Controller" - regulador da quantidade de liquido) e de um bico ou lança 10, indicado esquematicamente, introduzido no recipiente 1. Em consequência da baixa pressão na câmara a 7 ΕΡ 1 865 760/ΡΤ água é aspirada pelo bico ou pela lança 10 e deste modo finamente pulverizada para o recipiente 1. A Fig. 2 mostra uma representação esquemática de uma instalação de alta-frequência para a brasagem por fusão com uma fonte de plasma 12 numa antecâmara 11, a qual está liqada ao recipiente 1. O plasma necessário é, neste caso, produzido na antecâmara 11 pela fonte de plasma 12, a qual está electricamente ligada à unidade geradora 5 e introduzido no recipiente 1 como plasma remoto. A água pulverizada no recipiente 1 é imediatamente dissociada nos seus componentes pelo plasma, isto é, em iões de hidrogénio e iões de oxigénio. O processo da activação das superfícies das peças de junção FP e da brasagem, que é agora efectuada, realiza-se em duas fases. Em primeiro lugar os iões de oxigénio reagem com a superfície por oxidação e remoção da camada de carbono de acordo com a fórmula C + 20 -> C02.

Na fase seguinte o hidrogénio existente com uma concentração mais elevada na água actua de forma redutora na superfície oxidada das peças de junção FP e da brasagem, quando o teor de hidrogénio se combinar com o oxigénio da camada de óxido formando água. A remoção da água do recipiente 1 efectua-se então, após o plasma ser desligado, por meio da bomba de vácuo 2 existente. O resultado é uma superfície optimizada para brasagem, dado que está absolutamente limpa e isenta de óxido. O processo de brasagem por fusão propriamente dito deve então ser efectuado imediatamente a seguir à activação da superfície ou em simultâneo com a mesma, de modo a excluir uma nova formação de óxido antes do processo de brasagem. Na próxima fase, o recipiente 1 é então ventilado, de modo que após um curto processo de arrefecimento o componente ligado por brasagem pode ser retirado.

Os passos do processo podem ser resumidos do seguinte modo: 8 ΕΡ 1 865 760/ΡΤ - carregamento do recipiente 1 com as peças de junção FP a serem ligadas (por exemplo, a placas de circuitos impressos equipadas com componentes), - redução da pressão interna do recipiente 1 e aquecimento simultâneo das peças de junção FP à temperatura de brasagem, - ignição de um plasma no recipiente 1 ao ser atingida a pressão de 3 - 10 mbar necessária para a ignição, ou introdução de um plasma remoto no recipiente 1, - injecção de água no recipiente 1 e sua separação em iões de hidrogénio e oxigénio, - activação da superfície das peças de junção FP e da brasagem por meio de oxidação e remoção da camada de carbono e a seguir combinação do oxigénio da camada de óxido com o hidrogénio, - conclusão do processo de brasagem por fusão e ventilação do recipiente 1. 0 aquecimento das peças de junção FP pode ser concretizado por meio de uma instalação de aquecimento 13 adequada, sendo o aquecimento efectuado por irradiação com raios de halogéneo ou infravermelhos ou outros meios adequados, no exterior ou no interior do recipiente 1.

As outras possibilidades de aquecimento das peças de junção no interior do recipiente 1 são o aquecimento por resistências, o aquecimento por contacto, o aquecimento por convecção, ou também aquecimento por meio de raios laser. A instalação de aquecimento 13 está portanto representada apenas de forma esquemática nas Figs. 1 e 2.

As vantagens especiais do processo de acordo com o invento são a utilização exclusiva de água como fluxo decapante, que está na prática disponível em qualquer lugar e a baixo custo e o facto de que a água pode ser armazenada sem qualquer risco da segurança e de forma ilimitada. A água é 9 ΕΡ 1 865 760/ΡΤ além disso em processos térmicos utilizável sem riscos de segurança, não sendo necessárias temperaturas mais elevadas para a activação das superfícies do que aquelas que, em todo 0 caso, são necessárias para o processo de brasagem por fusão. 0 processo não se restringe à utilização de uma determinada solda ou de uma determinada combinação metálica, mais sim é aplicável em todas as combinações metálicas de brasagem.

Finalmente o processo de acordo com o invento é absolutamente ecológico, dado que não são aplicados quaisquer ácidos.

Além disso o processo de acordo com o invento pode ser integrado sem problemas nos processos de brasagem a vácuo já existentes.

Lista dos números de referência 1 Recipiente 2 Bomba de vácuo 3 Eléctrodo 4 Eléctrodo 5 Unidade geradora 6 Gerador de frequência 7 Regulador 8 Reservatório

9 LMC 10 Bico, lança 11 Antecâmara 12 Fonte de plasma 13 Instalação de aquecimento FP Peças de junção

Lisboa, 2011-01-06

Claims

ΕΡ 1 865 760/ΡΤ 1/2 REIVINDICAÇÕES 1 - Processo de brasagem para brasagem por fusão sem chochos de peças de junção (FP) em vácuo num recipiente (1), tais como componentes eléctricos ou outros semelhantes em placas de circuitos impressos ou outros elementos de suporte, pelo carregamento do recipiente (1) com as peças de junção (FP) a serem unidas e a diminuição da pressão no recipiente (1), bem como um aquecimento simultâneo das peças de junção (FP) e a ignição de um plasma, caracterizado por a ignição do plasma no recipiente (1) ocorrer quando for conseguida a pressão requerida para a ignição no recipiente (1) ou o plasma entrar em ignição como um plasma remoto numa antecâmara (11) e depois introduzido no recipiente (1), a injecção de água no recipiente (1) e a separação dos iões de hidrogénio e de oxigénio pelo plasma, a activação da superfície das peças de junção (FP) e a brasagem por oxidação e remoção da camada de carbono, bem como a subsequente combinação do oxigénio da camada de óxido ao hidrogénio, a conclusão do processo de brasagem por fusão, e a ventilação do recipiente (1) após a expiração de um tempo de retardo predeterminado.
2 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o plasma inflamado no interior do recipiente (1) ser um plasma de baixa pressão na gama de frequências RF (kHz ... Mhz) .
3 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por o plasma ser um plasma de baixa pressão na gama de frequências GHz.
4 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por a pressão no recipiente (1) ser reduzida para 1CT3 mbar.
5 - Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por as peças de junção (FP) serem aquecidas progressivamente.
6 - Processo de acordo com a reivindicação 5, caracterizado por as peças de junção (FP) serem aquecidas, em ΕΡ 1 865 76Ο/PT 2/2 primeiro lugar, a uma temperatura abaixo da temperatura de brasagem para a activação das superfícies das peças de junção, aquecidas até à temperatura de brasagem, após um tempo predeterminado.
7 - Processo de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por, ao ser atingida a temperatura de brasagem, a pressão no recipiente (1) ser ainda temporariamente mais reduzida.
8 - Processo de acordo com a reivindicação 1 caracterizado por a água ser previamente aquecida antes de ser injectada no recipiente (1).
9 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por as peças de junção (FP) serem aquecidas por meio de irradiadores de infravermelhos ou de halogéneo.
10 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por as peças de junção (FP) serem aquecidas por aquecimento por resistências.
11 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por as peças de junção (FP) serem aquecidas por aquecimento de contacto.
12 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 até 8 caracterizado por as peças de junção (FP) serem aquecidas por aquecimento por convecção.
13 - Processo de acordo com uma das reivindicações 1 a 8, caracterizado por as peças de junção (FP) serem aquecidas por raios laser. Lisboa, 2011-01-06 ΕΡ 1 865 76Ο/PT 1/2 oi> • Τ-*ΗÇi.

ΕΡ 1 865 76Ο/PT 2/2 <Νsb