1. PROJETO
IME & IBM
TÍTULO: Nacionalização de "R- Packs "
AUTOR: Cirineu José da Costa - Cap Eng
ORIENTADOR: Mauro Baur – Engº da IBM
DATA : 06 DEZ 1983

2. 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.

3. 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

4. 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).

5. 1.4.Manufatura do substrato de alumina
O pó fino de alumina com aditivos é sinterizado a altas temperaturas depo-
is 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:
V = r.i r = ρ (L / t.w)
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.

6. 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
6
10 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.

7. 1.8. Diagrama de Fabricação
COMPONENTES ORGÃNICOS MATERIAIS FUNCIONAIS
VIDRO
TRITURAÇAO
MISTURA E MOAGEM
MOAGEM
TESTE
AJUSTE
TINTA PRONTA
Ref-: HAMER,Dcnald W. - Thick Film Hybrid Microcircuit Technology.

8. 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) RESUMO
Comwn 6,45
8 6,53
7 6,40
6 6,90 Carga média: 6,67 kg
5 6,85 Desvio padrão:0,2ll7
4 6,60 Variância:0,0448
3 -,-
2 6,83
1 6,85
21.2.Resultados de ensaios de tração pino/solda:
PINO CARGA MÁXIMA (kg) RESUMO
Comwn 6,40
8 7,80
7 6,68
6 6,30 Carga média: 6,425 kg
5 6,50 Desvio padrão:0,591
4 6,00 Variância:0,3498
3 6,40
2 7,00
1 -.-
Obs:- Os gráficos de carga estão reunidos no Anexo "A".

9. 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.

10. 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

11. 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.

12. 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:
6 6 6
P
P
AMOSTRA 1 AMOSTRA 2 AMOSTRA 3
0,975
0,99 0,99
3,68 3,68 4,665
P 1 = 6,304 Kg

13. 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:
6 6 6
P P
AMOSTRA 4 AMOSTRA 5 AMOSTRA 6
0,65 0,65 0,65
4,65 3,93 3,93

14. 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".

15. 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

16. 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

17. 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