Circuitos integradosWafer de Si com cerca de 250 Circuitos integrados

CI ligado à leadframe por fios condutores psoldados nas extremidades(material solda: Au-Si, Pb-Sn, ou colagem com , gepoxy; material fios Au-Be, Cu ou Al)

Selecção de materiais

Em que material produzir determinada parte do componente?E como o fabricar? (ao material e ao componente muito embora em muitos casos oE como o fabricar? (ao material e ao componente, muito embora em muitos casos o fabrico de ambas as coisas ocorra em simultâneo).

Para responder a esta questão existe um conjunto de questões prévias:

•Quais são as necessidades em termos de desempenho (propriedades eléctricas,

mecânicas, ópticas, térmicas, químicas, etc)?, p , , q , )

•Quanto tempo terá de durar em serviço?

•Qual será o custo de produção aceitável?

•Quais as consequências de uma falha em serviço?

•O que acontecerá no final da sua vida em serviço? (reciclagem/ciclo de vida)

Estudo de caso: vamos continuar nos circuitos integrados

L dfLeadframe: selecção do material

1º passo: identificação dos requisitos dos materiais

1-condutividade eléctrica elevada (leadframe).

2-condutividade térmica elevada (leadframe e base).

3-Coeficiente de expansão térmica semelhante ao do Si (ou do SC utilizado no CI).3 Coeficiente de expansão térmica semelhante ao do Si (ou do SC utilizado no CI).

4-a leadframe deve ser resistente à corrosão e oxidação; deve manter as propriedades mecânicas inalteradas com os ciclos térmicos originados pela soldadura de contactos e encapsulamento.

2º Passo: consulta de bases de dados

p

5- devem ser baratas.

ou3º Passo: desenvolvimento do material

4º Passo: Solução (ou proposta de...)

Soluções

Na maioria das situações a solução a que se chega é uma solução ou de compromisso ou de opção por um requisito face a outro Isso é o que acontece aocompromisso ou de opção por um requisito face a outro. Isso é o que acontece ao optar-se por ligas à base de Cu ou por ligas à base de Fe-Ni para as leadframes: valorizamos as condutividades eléctricas ou a diferença entre os coeficientes de expansão térmica do Si e da leadframe?expansão térmica do Si e da leadframe?

Nota: coeficiente de expansão linear do Si 2.6x10-6°C -1

Encapsulamento

CRequisitos dos materiais para encapsulamento do CI:• Isolante eléctrico• Fácil aptidão à enformação em torno do CI, do leadframe e da base• Impermeabilidade• Capacidade de se ligar (“colar”) ao leadframe, CI, contactos etc;• Não necessitar, durante a aplicação, de temperaturas excessivamente elevadas;• Ter coefs de expansão térmica não muito diferentes dos coefs dos restantes materiais da

package

Encapsulamento: Soluções

Outro exemplo: Pilhas de combustível

Célula de combustível: dispositivo de conversão electroquímica que converte continuamente a energia química do hidrogénio e oxigénio em energia eléctrica e calor, produzindo água.

Reacções

Ânodo: H2 2H+(aq) + 2e-

Cátodo: 1/2 O2(g) + 2H+(aq) + 2e- H2O(g)

Tipos de Células de Combustível

AplicaçõesTípicas

EquipamentosElectrónicos

Portáteis

Carros, Barcos e Cogeração Doméstica

Geração distribuída, Cogeração, Autocarros

Potênciaem Watts 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M

Maior densidade de ê i B i Potencial para Maior eficiência

Principais Vantagens potência que as BateriasCarregamento mais

rápido

Potencial para Emissão zero

Maior eficiência

Maior eficiênciaMenos poluição

Silencioso

Gama deGama de aplicação dos

diferentes tipos de células de

DMFC AFC MCFC

SOFC

PEMFC

combustívelPEMFC

PAFC

Pilha de Combustível de Hidrogénio

1 Pl E t t i1. Placas Estruturais2. Placas Colectoras3. Placas Bipolares3. Placas Bipolares4. Vedante5. MEA (Membrane Electrode

Assembly)• Catalyst Coated Membrane

(CCM-PEM)(CCM PEM)• Gas Diffusion Layer (GDL)

Placas Estruturais

FunçãoFunçãoSuporte EstruturalCanalizar gases para oCanalizar gases para o interior da Célula

Material Utilizado: Aço Inoxidável ouAço Inoxidável ou alumínio

(rígido, tenaz, barato, fácil de enformar, ( gdenso/poucodenso)

Pl C lPlacas Colectoras

Função:Função:Fazer a condução dos electrões para o circuito peléctrico externo

Material Utilizado:Material Utilizado: Latão com banho de Ouro

(Porque não o cobre?)

Placas Bipolares

Função:Fazer a distribuição e gestão docombustível oxidante gases ecombustível, oxidante, gases elíquidos residuaisFazer a condução da correnteeléctricaFacilitar a dissipação de calorSeparar as células umas dasSeparar as células umas das outras

Material Utilizado: Compósito de Grafite de Matriz Polimérica

V dVedante Função:Função:

Selar a superfície de modo a não existirem fugas de gasesIsolante eléctrico

Material Utilizado:Kapton - Filme de poliimida revestido em ambos os lados comadesivo de siliconeadesivo de silicone

•Filme de poliimida

Membrana• Membrana

• Adesivo de silicones co e

MEA - Membrane Electrode Assembly

• Elemento chave da célula de combustível

Af d h d id d d ê i d id• Afecta o desempenho, densidade de potência e tempo de vida

• Materiais e técnicas de fabrico são factores essenciais nodesempenhodesempenho

Constituição da MEA:

• Catalyst Coated Membrane y(CCM)

• Gas Diffusion Layer (GDL)y ( )

Catalyst Coated Membrane (CCM)

Função:çCondução iónica (protões)Catalisar as reacções de electro-oxidação (â d ) l t d ã ( át d )(ânodo) e electro-redução(cátodo) Impermeável aos gases – Barreira à Difusão Gasosa

Material Utilizado:Membrana tipo Nafion® 111 revestido de ambosMembrana tipo Nafion® 111 revestido de ambos os lados com uma camada catalítica de nano-partículas de platina num suporte de partículas de carbonode carbono

Catalyst Coated Membrane (CCM)

• Características do Nafion® ouPerfluorosulphonic acid PTFE copolymerPerfluorosulphonic acid PTFE copolymer

– Estrutura fluorocarbonada idêntica à doTeflon®

–Clusters iónicos que consistem em iões deácido sulfónico (SO3- H+) ligados aos

l igrupos laterais

– O grupo SO3- está ligado ao grupo lateral,mas quando a membrana está hidratada osmas quando a membrana está hidratada, osiões H+ tornam-se móveis. Devido a estemecanismo o electrólito sólido é um

l t d t d tõexcelente condutor de protões..

Gas Diffusion Layer - GDL

Função:Função:Transporte de gases, líquidos e electrõesRemoção da água que se forma de modo aRemoção da água que se forma de modo a prevenir a inundação da célula Manutenção do nível de humidificação necessário da PEM para q e haja transportenecessário da PEM para que haja transporte iónico

Material Utilizado:Material Utilizado: Suporte de papel carbónico impregnada com PTFE

Controlo de qualidade

Identificação de modos de ruína ou mau desempenho em serviço

Optimização de materiais (selecção) + optimização (ou alteração) de procedimentos

Ex: desempenho da pilha de combustível

5,20

5,40

70

80

90

100

4,60

4,80

5,00

Tens

ão (V

)

30

40

50

60

Hum

idad

e do

Ar (

%)

4,00

4,20

4,40

0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 22500

10

20

30

Esta deixou de funcionar ao fim de

Tempo (Horas)

Pilha 1 Pilha 2 Pilha 3 Humidade do ar

funcionar ao fim de 1000h. Porquê?

Nº Pilha 500h 808h 1100h 1503h 1983h

1 - 200 μV/h - 100 μV/h - - -

• Taxas de decaimento parciais e totais:

2 - 200 μV/h - 100 μV/h - 60 μV/h - 50 μV/h -

3 - 200 μV/h - 100 μV/h - 50 μV/h - 40 μV/h - 60 μV/h

Caracterização da MEA

A

MM

C

C

b)a)

A

Pilha 1 808h

AA

M

Pilha 1 – 808h

Células com Células com M

C

a)

M

C

b)

melhor desempenho

pior desempenho

A

) b)

Pilha 2 – 1503h Existe fissuração na

interface entre aM

C

A

M

C

interface entre a membrana

catalizadora e o GDL

b)a)Pilha 3 – 2126h E agora? Como

actuar?

Lista de propriedades utilizadasLista de propriedades utilizadas frequentemente em selecção de materiais

Mais:

Propriedades ópticas (índice dePropriedades ópticas (índice de refracção, absortividade, reflectividade),

Propriedades magnéticasPropriedades magnéticas(campo coercivo, campo remanestcente, histerese),

Propriedades metalúrgicasPropriedades metalúrgicas(microestrutura, densidade de deslocações, etc)

...

Bases de dados/ fontes de informação

Outras BasesOutras Bases

Cambridge Materials Selector/ CES S l tCES SelectorVer: http://www.grantadesign.com/products/ces/