PT538822E - Fluxo expumante para um processo de soldadura automatica - Google Patents

Description

DESCRIÇÃO "FLUXO EXPUMANTE PARA UM PROCESSO DE SOLDADURA AUTOMÁTICA"

Campo técnico A presente invenção refere-se a um processo para soldar um metal e a um fluxo espumante para um processo de soldadura automática. Técnica anterior A maior parte dos fundentes e dos produtos químicos para remoção de fundentes usados na indústria de fabricação de circuitos eléctricos, tais como equipamentos electrónicos militares, são contribuintes para a depleção do ozono da atmosfera, ou também considerados pelas organizações ambientais locais, como por exemplo o Air Quality Management District em Los Angeles, como poluentes do ambiente e perigosos para a saúde. Por exemplo, foi anunciado que os CFC (clorofluor-hidrocarbonetos), que são usados no desengorduramento por vapor, usado na limpeza de peças soldadas, nas quais se utiliza um fluente de resinas, são libertados para a atmosfera, mantendo-se na mesma como esgotador do ozono durante cerca de 100 anos. Outros produtos químicos, tais como fundentes de resinas, álcoois e similares criam riscos para a saúde e problemas, no seu descarte, para a indústria.

Para este importante problema os fundentes solúveis na água seriam uma solução simples. Porém, a maior parte dos fundentes solúveis na água são formulados com activadores 1 p U ^ adstrigentes, tais como ácido clorídrico e glicois complexos, que criam problemas importantes de limpeza e de resíduos no cartão de circuitos impressos e nos circuitos eléctricos e tendem a corroer severamente o metal que está a ser soldado, ou contaminam o dieléctrico, causando uma tendência para a electromigração.

Outros fundentes solúveis na água são formulados com isopropanol e/ou plastificantes, que levantam problemas de descarte e são prejudiciais para a saúde. O que se deseja é um fluxo para soldadura simples, não tóxico e não corrosivo, que produza juntas soldadas com elevado brilho metálico e excelente qualidade, quando usados em processos de soldadura automática.

Da patente EP-A-0 458 161 AI é conhecido um fluxo para soldadura, solúvel na água, que compreende um ácido orgânico e um suporte não tóxico, tal como a água. Além disso, o referido fluxo pode conter um odorizante, bem como produtos tensioactivos, tal como álcool etoxilado.

Apresentação da invenção

De acordo com a invenção, proporciona-se um fluxo para soldadura, espumante, que consiste essencialmente em pelo menos um ácido orgânico solúvel na água, com pelo menos dois grupos carboxílicos, água e um agente espumante, na forma de sulfonato de alquilo sódico. O fundente da invenção produz, por meio de arejamento, uma altura contínua de espuma que permite a soldadura automática que utiliza um fundente à base de água, em lugar dos fundentes líquidos do tipo glicol/álcool, que se 2 Γ u encontram normalmente nos fundentes comerciais. Como resultado da formulação única pode realizar-se a soldadura automática utilizando um fundente base de água, seguro ambientalmente. Além disso, este fundente evita a necessidade de solventes para eliminação do fundente, caros e perigosos para o ambiente, que compreendem clorofluorcarbonetos e/ou compostos orgânicos voláteis (VOC). 0 fundente é facilmente removido dos conjuntos de cartões de circuitos soldados, utilizando água e um composto tensioactivo. A junta soldada resultante apresenta um elevado brilho metálico e características eléctricas excelentes.

Breve descrição dos desenhos

As figuras dos desenhos representam: A fig. 1, uma vista em perspectiva, em parte com as peças separadas, que mostra um sistema de produção de fluxo espumante convencional; A fig. 2, uma vista em corte transversal do sistema de produção de fluxo espumante de acordo com a fig. 1; e A fig. 3, uma vista em alçado lateral de um sistema de soldadura por passagem sobre uma onda de solda fundida, que incorpora o sistema de fluxo das fig. 1 e 2.

Melhores formas de realização da invenção

Na fig. 1 está ilustrado um sistema de produção de fluxo espumante convencional. Uma caixa exterior, ou deposito do fundente (12), contém fundentes liquido (14) (que pode ver-se na fig. 2) . Numa chaminé (18) do fundente, está situada uma pedra de arejamento (16), por seu turno disposta no depósito de fundente (12) de modo a permitir que o fundente líquido do depósito de fundente se escoe constantemente na chaminé do 3 fundente, como for necessário. Um conector (20) para o ar, ligado a uma fonte de ar (não representada) e pressurizado até uma pressão controlada por meios de controlo (não representados), proporciona o arejamento do fundente líquido, como se vê mais claramente na fig. 2, para proporcionar uma altura de espuma (22) . É desejável que a altura da espuma (22) se estenda acima da parte superior (18a) da chaminé de fluente (18) . Desejavelmente, quando se usar em ligação com o sistema de soldadura por passagem de uma onda de solda representado na fig. 3, a altura da espuma (22) é de cerca de 1,27 cm (0,5"), designada por "A". No entanto, para outros sistemas de soldadura, essa altura pode ser diferente.

Os factores principais que definem a altura da espuma (22) incluem a composição do(s) agente(s) espumante(s) usada no fundente espumante, a concentração do(s) agente(s) espumante(s), a pressão do ar aplicada à pedra de arejamento e a estrutura física dessa pedra de arejamento. O fundente de acordo com a invenção consiste essencialmente em a) pelo menos um ácido orgânico solúvel na água, com pelo menos dois grupos ácidos carboxílicos, tais como o ácido cítrico, b) água e c) um agente espumante, na forma de um tensioactivo de sulfonato alquilo de sõdico.

Exemplos de ácidos orgânicos apropriados incluem ácido cítrico, acido málico, ácido tartárico, ácido glutâmio e ácido flático. Porém, os melhores resultados foram obtidos com ácido cítrico e, embora a classe de ácidos orgânicos atrás indicados seja utilizável, o resto da descrição que se segue dirige-se para a utilização de uma solução aquosa de ácido cítrico como fundente de soldadura, na soldadura com espuma. 4 Γ u ;.·

Sem subscrever qualquer teoria particular, parece que o ácido cítrico faz a quelação do óxido, mas não do metal de base. Como resultado, há pouca ou nenhuma corrosão do metal de base pelo fluxo da invenção. Assim, na medida em que os componentes da classe de ácidos orgânicos atrás indicada tenham um comportamento semelhante ao do ácido cítrico, então também esses componentes são incluídos no âmbito da invenção. 0 intervalo da concentração de ácido cítrico no fundente de soldadura pode ir de 0,5 % a 99,5 % (em peso). Uma concentração de peso pelo menos cerca de 5 % proporciona resultados da soldadura notavelmente melhorados, enquanto que as concentrações acima de 50 %, em peso, não proporcionam melhora adicional, sendo portanto preferido esse valor do referido intervalo. Uma concentração de pelo menos de cerca de 20%, em peso, assegura resultados da soldadura consistentemente melhorados e, por conseguinte, o intervalo mais preferido é entre 20 % e 50 %, em peso. A qualidade da água usada e a qualidade do ácido cítrico utilizado não têm importância na prática, embora para circuitos extremamente sensíveis possa ser desejável usar água destilada ou desionizada e um grau relativamente elevado do ácido cítrico para obter melhores resultados. A fonte do ácido cítrico também não tem importância, devendo ser consistente com as considerações anteriores, relativas aos circuitos eléctricos sensíveis, podendo compreender, por exemplo pó ou cristais produzidos comercialmente, ou mesmo sumo de frutos ou concentrado de sumo de frutos, tais como sumo de laranjas, de limões, de limas, de uvas, de ananases, de tomates e similares. Finalmente, o 5 ^ U, ^ fundente pode conter outros componentes, como impurezas acidentais ou deliberadas, na medida em que tais aditivos não tenham uma acção adversa aos resultados da soldadura. A concentração do agente espumante situa-se entre 0,0001 % e 5 %, em peso, em função do agente espumante particular ou da combinação de agentes espumantes seleccionados. De preferência, a concentração vai de 0,0002 a 0,04 %, em peso. A composição e a concentração do agente espumante tem de ser escolhida de modo a proporcionar uma altura da espuma de cerca de 1,27 mm (0,5"). Se a concentração for demasiado grande; se a concentração for demasiada baixa, não haverá suficiente para obter a altura de espuma (22). O agente espumante usado na presente invenção é um sulfonato de alquilo sódico que, de preferência é usado num intervalo de 0,0315 a 0,0385 %, em peso e, mais preferentemente, cerca de 0,035 %, em peso.

Podem juntar-se aditivos ao fundente, para finalidades específicas. Por exemplo, um produto odorante, tal como essência de gaultéria, essência de hortelã, ou essência de hortelã-pimenta, ao fundente para proporcionar um cheiro agradável para o utilizador. Um tal produto odorante é, tipicamente, adicionado numa quantidade de cerca de 1 a 30 ppm.

Pode adicionar-se um corante para fins visuais: isso permite ao operador ver um fundente, que de outro modo seja incolor. Para esse efeito pode adicionar-se cerca de 1 a 30 ppm de pelo menos um agente corante (pigmento corante estável com os ácidos, não fotorreactivo). 6 ψ'· 5^-—^ Ο fundente é, da maneira mais vantajosa usado na soldadura das ligações eléctricas de componentes electrónicos para cartões de circuitos impressos (PCB). Tais cartões de circuitos impressos tipicamente compreende linhas revestidas com cobre, que envolvem aberturas de passagem, que são cobreadas e que depois recebem um revestimento de estanho-chumbo sobre o cobre, no PCB, através das quais se estendem os condutores do componente. A solda utilizada durante a soldadura dos componentes é tipicamente uma solda de estanho-chumbo, e o fundente da presente invenção tem sido usado com êxito com soldas de estanho-chumbo 60-40, 63-37 e 96-4. Na maioria das aplicações, utiliza-se solda de estanho-chumbo 63-37. A fig. 3 ilustra um aparelho (24) comummente usado para soldar cartões de circuitos impressos, que utiliza a soldadura por passagem sobre um banho de solda. Como se vê, o aparelho incluí uma calha transportadora (26), que leva os cartões de circuitos impressos (não representados), à altura desejada, acima da unidade de fundente espumante (10) e da unidade (28) da onda de soldadura. Depois de passar sobre a unidade de fundente espumante (10), o PCB fica exposto a uma faca de fluxo de ar (30) , para superar o excesso de fundente do conjunto do PCB, um aquecedor auxiliar optativo (32) , e um pré-aquecedor (34) , para aquecer o cartão para condicionar o fundente e reduzir o choque térmico no cartão e nos componentes existentes no mesmo, antes de contactar com a onda de solda (3 6) . São controlados vários aspectos da operação a partir de um painel de controlo (38) . A temperatura da solda no vaso (28) da solda é também controlada pelo controlador de temperatura (40).

Embora o fundente da presente invenção se destine especificamente à utilização em operações com espuma, tais como 7 j- U, as usadas nos processos de soldadura automatizados atrás descritos, o fundente pode também ser aplicado por uma certa variedade de técnicas, tais como técnicas por ondas de soldadura, por pulverização ou por imersão. o fundente da presente invenção foi formulado para produzir um movimento rápido da espuma de fundente, que pode subir através da chaminé (18) do fundente, com uma força suficiente para produzir uma altura de espuma de fundente (22) de 1,27 cm (0,5") ou mais, considerando-se a altura livre (movimento rápido da espuma através de um abertura rectangular estreita, que sobe acima da superfície (18a) da chaminé superior), e quando a espuma desce, daí resultará um colapso oportuno das bolhas da espuma, suficiente para impedir que a espuma do fundente se junte e saia para fora da caixa (12) de suporte do fundente (a qual a loja o fundente (14) , a chaminé de formação da espuma (18) e a pedra de arejamento (16) ) . Esse colapso oportuno é substancialmente imediato, sendo designado por "corte rápido". Surpreendentemente, embora o corte rápido das espuma seja conhecido em fundentes à base de solventes, tal espuma não é geralmente conhecida nos fundentes de base aquosa. O fundente espumante é facilmente removido com a utilização de um sistema de limpeza aquosa, que pode conter tensioactivos para melhorar a limpeza, se se desejar. Podem adicionar-se agentes molhantes, não iónicas, tais como álcool ecoxilado, disponível sob a designação comercial de Triton X-100 em Rohm & Haas (Los Angeles, CA) até 0,1 %, em peso da solução de limpeza. O grau de limpeza e a necessidade de um agente tensioactivo dependem um pouco dos requisitos de limpeza do 8

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utilizador. Utilizando-se o álcool etoxilado, tal como Triton X-100, numa quantidade de cerca de 7,5 e 20 mega-ohms/cm, medida por lm amperímetro Omega, modelo 200) da Kenco Industries, Inc, Atlanta, GA) . Estes valores não são per si críticos , mas constituem directrizes para satisfazer especificações militares, para requisitos de limpeza para este sistema particular de ensaio.

Este fundente para soldadura, à base de água, produz uma boa altura da espuma do fundente sem qualquer decomposição notável, após semanas de uso. O fundente da presente invenção evita a utilização de componentes tais como glicois, álcoois ou outros compostos orgânicos voláteis (VOC) normalmente encontrados nos fundentes líquidos disponíveis no mercado. O fundente da presente invenção proporciona as vantagens seguintes:

Elimina as emissões prejudiciais para o ambiente normalmente associadas aos fundentes à base de resinas, espessadores do fundente (por exemplo isopropílico) e agentes de eliminação do fundente associados (tais como 1,1,1-tricloroetano). De facto, a limpeza do fundente é feita simplesmente em água quente ou fria e um tensioactivo (se for necessário). Assim, o novo fundente é seguro ambientalmente. 2. Proporciona ao pessoal de soldadura um fundente não tóxico, extremamente seguro e altamente eficiente. 3. A sua utilização reduz o actual tempo de soldadura em cerca de 50 %. Isso permite a soldadura automatizada. 9 usando a soldadura com fundente espumante, para avançar com uma velocidade normalmente duas vezes maior que os fundentes à base de resinas, sujeitando assim os componentes electrónicos ao calor da solda durante um lapso de tempo bastante mais curto. 4. Podem limpar-se os conjuntos de soldadura por passagem por uma onda de solda com água desionizada, eliminando assim os elevados custos de capital com o equipamento de limpeza por vapor. Eliminam-se assim também os custos decorrentes dos solventes de eliminação do fundente e os custos associados com a redestilação. 5. Com a utilização do fundente da presente invenção elimina a operação de desengorduramento, o tempo total de limpeza é reduzido cerca de 10 a 15 minutos. 6. A utilização do fundente da presente invenção elimina a necessidade do dispendioso controlo da utilização do equipamento exigido pelas organizações ambientais locais (tais como AQMD na bacia de Los Angeles). 7. A utilização do fundente reduz significativamente os resíduos que é preciso descartar e os custos da gestão dos resíduos; o fundente é biodegradável e solúvel na água. 8. A utilização do fundente da invenção proporciona juntas soldadas que apresentam um brilho metálico de alta qualidade e uma qualidade eléctrica excelente. 10

Aplicabilidade industrial 0 fundente para soldadura da presente invenção tem, como se espera, utilização nas operações de soldadura automática com espuma, comerciais e militares, em particular nos componentes eléctricos soldados, em cartões de circuitos.

Exemplos

Exemplo 1 (invenção):

Preparou-se uma solução de fundente, de base, constituída essencialmente por 46 %, em peso, de grânulos de ácido silícico, em água. Adicionou-se a esta solução o seguinte agente espumante: 0,035 %, em peso de sulfonato de alquilo sódico.

Exemplo 2 (comparação):

Preparou-se a solução de fundente, de base, como no exemplo 1. Adicionou-se a esta solução o seguinte agente espumante: 0,0036 %, em peso, de octil-fenoxi-polietoxi-etanol.

Exemplo 3 (comparação):

Preparou-se a solução de fundente de base de acordo com o Exemplo 1.

Adicionou-se a esta solução o seguinte agente espumante: 0,0030 %, em peso, álcool etoxilado.

Exemplo 4:

Avaliaram-se os fundentes preparados nos Exemplos 1 a 3, em termos de altura da espuma, do estado de rotura das bolhas, da longevidade, e do nível de limpeza. Os resultados estão indicados no Quadro I.

Quadro I. Resultado da avaliação dos fundentes espumantes

Exemplo Altura da espuma Estado de rotura das bolhas Longevidade (dias) Aceitação da limpeza1 Eficácia2 1 > 0,5" (1,27 cm) Bolhas pequenas que se rompem rapidamente > 5 passou 2 2 > 0,5" (1,27 cm) Bolhas médias que se rompem lentamente < 2 falhou 5 3 > 0,5" (1,27 cm) Bolhas grandes que se rompem lentamente < 2 passou 4 1

Intervalo de aceitação 7,5 - 20 ΜΩ/cm (Omega Meter) 2 1 = melhor

Exemplo 5:

Realizou-se um ensaio de espalhamento da solda/fluxo, para comparar a fórmula de fluxo de soldadura com e sem agente(s) espumante(s) . A comparação foi feita para determinar se o espalhamento da solda era afectada pelo(s) aditivo(s) espumante(s). As formulações dos fundentes incluíam as três formulações apresentadas nos exemplos 1 a 3 mais 46 %, em peso, de grânulos de ácido cítrico em água. 0 ensaio consistiu na colocação de anéis de 3/8" (9,5 mm) de diâmetro interior, de arame de soldadura sólido 60/40 com o diâmetro de 0, 060" (1,5 mm), num painel de cobre (de aproximadamente 2 x 2,5 x 0,060 polegadas (5,08 x 6,35 x 0,15 cm) . Colocaram-se três gotas de fundente no centro de cada anel. Aqueceram-se depois os espécimes de cobre, numa placa quente, acima da temperatura de fusão da solda. Retiraram-se os espécimes do calor, no ponto de liquefacção da solda, limparam-se e examinaram-se visualmente. O espalhamento da solda de cada uma das formulações do fluxo espumante dos exemplos 1 a 3 era comparável ao fluxo de ácido cítrico sem aditivos espumantes.

Portanto, apresentou-se um fluxo de soldadura espumante não tóxico, não corrosivo, apropriado para utilizar na soldadura de componentes eléctricos.

Lisboa, 16 de Agosto de 2001 0 AGENTE OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL

Claims (11)

1. REIVINDICAÇÕES

   Processo para a soldadura de um metal, que compreende a aplicação, numa superfície, de um fluxo de soldadura espumante, o aquecimento do referido metal até uma temperatura de soldadura desejada e a aplicação de solda na referida superfície, consistindo o referido fundente essencialmente em a) um ácido orgânico solúvel na água, que tem pelo menos dois grupos de ácido carboxílico, b) água e c) agentes tensioactivos de sulfonato de alquilo sódico a 0,0001% - 5,0 % em peso, que actua como agente de espumação.
2. 2. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual o referido agente de espumação tem uma concentração de 0,0315 % a 0,0385 %, em peso.
3. 3. Processo de acordo com as reivindicações 1 ou 2, no qual a referida superfície ê de cobre ou de cobre estanhado e a referida solda é uma solda de estanho-chumbo.
4. 4. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual o referido ácido orgânico é escolhido no grupo formado pelo ácido cítrico, o ácido málico, o ácido tartárico, o ácido glutâmico e o ácido ftálico.
5. 5. Processo de acordo com a reivindicação 1, no qual o referido ácido orgânico consiste no ácido cítrico.
6. 6. Processo de acordo com as reivindicações 4 ou 5, no qual a concentração do referido ácido cítrico, no fluxo espumante, vai de 0,5 % a 99,5 % em peso. 1 7. Processo de acordo com a reivindicação 6, no qual a referida concentração do ácido cítrico vai de 20 % a 50 %, em peso.
7. 8. Composição de fluxo espumante para soldadura, sem resinas, não tóxico e não corrosivo, caracterizado por a referida composição do fluxo de soldadura referido consistir em a) um ácido orgânico solúvel na água, que tem pelo menos dois grupos de ácido carboxílico, b) água e c) 0,0001 % a 5,0 %, em peso, de agentes tensioactivos de sulfonato de alquilo sódico, que actua como agente espumante.
8. 9. Composição do fluxo de acordo com a reivindicação 8, no qual a concentração do sulfonato de alquilo sódico é 0,0315-0,0385 %, em peso.
9. 10. Composição de fluxo de acordo com a reivindicação 8, na qual o referido ácido orgânico é escolhido no grupo formado por ácido cítrico, ácido málico, ácido tartárico, ácido glutâmico e ácido ftálico.

   Composição de fluxo de acordo com a reivindicação 8, no qual o referido ácido orgânico é constituído por ácido cítrico.
10. 12. Composição do fluxo de acordo com a reivindicação 11, no qual a concentração do referido ácido cítrico no fluxo de soldadura vai de 0,6 % a 99,5 %, em peso.
11. 13. Composição do fluxo de acordo com a reivindicação 12, no qual o referido ácido cítrico está presente numa quantidade que vai de 20 % a 50 % em peso. Lisboa, 16 de Agosto de 2001 0 WjENTg.OFICIAL DA PROPRIEDADE INDUSTRIAL 2