PT710522E

PT710522E - Formulacao de fluxos para soldadura

Info

Publication number: PT710522E
Application number: PT95306518T
Authority: PT
Inventors: Guilian Gao; Brenda Joyce Nation; Karen Marie Adams; Jay Deavis Baker
Original assignee: Ford Motor Co
Priority date: 1994-10-24
Filing date: 1995-09-15
Publication date: 2001-04-30
Also published as: EP0710522B1; DE69519148D1; US5443660A; CA2161154A1; EP0710522A1; DE69519148T2

Description

85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ

DESCRICÃO “Formulação de fluxos para soldadura”

Campo do invento O invento refere-se à formulação de fluxos para utilização na montagem de placas de circuitos electrónicos.

Antecedentes do invento

Na industria electrónica, são usadas soldas para a montagem de placas de circuitos electrónicos. Para funcionar com eficácia, a solda deve molhar o substrato com uma ligação forte e permanente aglutinante a ser formada. Com frequência, é utilizado um fluxo para melhorar a tarefa de molhar o substrato. A capacidade para remover as películas de óxido superficiais do substrato é uma outra característica desejável de um fluxo. Com frequência os constituintes da maioria dos fluxos são, por conseguinte, não só corrosivos mas também ionicamente condutores.

As junções de solda formam interligações entre vários níveis de um conjunto electrónico. Estas junções são feitas entre superfícies metalizadas soldáveis, tais como Cu, Cu revestido com Pb-Sn, Ni, ou Ni revestido com Au. As camadas metalizadas estão tipicamente fortemente contaminadas com óxidos metálicos, compostos de carbono e outros materiais, devido a exposição prolongada no ambiente de fabrico. Uma superfície metálica contaminada por esses materiais não pode ser molhada pela solda. No entanto, assim que esta contaminação da superfície é removida, a solda molha a metalização e forma uma junção de solda boa, a qual não só manterá os vários componentes electrónicos no lugar mas também dará passagem aos sinais eléctricos.

Historicamente, os óxidos têm sido removidos das superfícies metalizadas, usando processos de soldadura com a aplicação de fluxos. O fluxo (do termo latino que significa “escoamento”) é aplicado à superfície para auxiliar o molhar pela solda. Convencionalmente, um fluxo consiste em agentes activos dissolvidos ou dispersos num veículo líquido. O veículo para o fluxo é normalmente à base de álcool, com várias concentrações de ácidos ou sais como activadores. A função dos activadores é reduzir os óxidos metálicos básicos. Os activadores mais 2 85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ normalmente usados nos fluxos são: o ácido abiético (também presentes na resina), ácido adípico, e amino sais. O objectivo do fluxo é: (1) remover o óxido da metalização; (2) remover o óxido da solda fundida, a fim de reduzir a tensão superficial e aumentar a fluidez da solda; (3) inibir a oxidação subsequente das superfícies metálicas limpas durante a soldadura; e (4) auxiliar a transferência de calor para a junção durante a soldadura.

Depois da uma junção de solda ser formada, fica um resíduo de fluxo. O resíduo é constituído por um suporte, tal como uma resina que não se evaporou, e por depósitos de ácido ou de sais, e de óxidos retirados. O resíduo, se não for removido, pode ser prejudicial para a fiabilidade a longo prazo de um conjunto electrónico. A resina pode absorver água e tornar-se um condutor iónico, o que pode resultar em curtos-circuitos eléctricos e corrosão. O activador residual pode, com o decorrer do tempo, corroer os componentes soldados e causar interrupções no circuito. Além disso, o resíduo do fluxo, que ainda cobre todo o conjunto, está presente não só na superfície, mas também por debaixo dos componentes onde a verificação é difícil e o resíduo é difícil de remover. A prática corrente para remover o resíduo é seleccionar um fluxo que não necessita de ser limpo ou proceder à limpeza após a soldadura para remover o resíduo do fluxo. O utilização de fluxos, os quais deixam um resíduo benigno de fluxo pode evitar a limpeza após a soldadura. No entanto, a maioria dos fluxos que não necessitam de limpeza actualmente disponíveis, contêm uma percentagem muito alta de compostos orgânicos voláteis (COV), tal como o isopropanol, que são emitidos para o ambiente durante o processo de soldadura. Os COV são nocivos para o ambiente e são regulamentados pelo EPA e por muitos Estados. 3 85167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ

Se forem utilizados fluxos que deixem resíduos corrosivos e/ou higroscópicos, torna-se necessária a limpeza após a soldadura, utilizando cloro-fluoro-carbonelos (CFC), solventes orgânicos, soluçOes seml-aquosas ou água. Para este tipo de processo, além das emissões de COV do processo de soldadura, o processo de limpeza emite CFC e água suja. Todos estes aumentam a poluição do ambiente e os custos de produção. É conhecido que os microorganismos (micróbios, por exemplo bactérias, fungos e bolores) se podem desenvolver em fluxos aquosos. Os micróbios são muito possivelmente gerados por contaminações inadvertidas de fontes do meio ambiente: poeiras e partículas de sujidade que, por exemplo, transportam bactérias comuns do solo. A contaminação microbiana e os fluxos poderão, em circunstâncias especiais, afectar adversamente o processo de soldadura. Por exemplo, o crescimento microbiano consome o ácido adipico, convertendo-o em biomassa, C02, e possivelmente produtos do ácido adipico parcialmente oxidados. Por conseguinte, existe uma preocupação da capacidade de soldadura possa ser inibida pelo fluxo contaminado, que forma uma camada de biomassa ou biomateriais, tais como proteína, antes do contacto com a onda de soldadura. Os resíduos microbianos após a soldadura podem afectar a fiabilidade eléctrica e a boa adesão da camada configurada. Além disso, o consumo microbiano de ácido adipico podia desactivar o fluxo.

Uma abordagem para diminuir este problema é a utilização de certos produtos químicos biocidas. No entanto, muitos de tais produtos químicos hoje conhecidos tendem a ter um limite muito baixo de exposição ao homem e acabam por resultar em resíduos iónicos ou halogenetos.

Uma abordagem deste problema é sugerida pela patente US n°. 5 085 365. Essa referência descreve um fluxo de soldadura líquido, não corrosivo e não tóxico, que compreende um ácido orgânico e um veículo não tóxico, tal como água. Após a soldadura o fluxo requer limpeza com água desionizada ou outros solventes, os quais geram desperdícios e que requerem ser deitados fora. A patente US n°. 4 360 392 descreve uma composição de fluxo de soldadura, que tem como solvente uma mistura de água e um ou mais álcoois alifáticos. A patente US n°. 2 581 820 descreve o uso de água destilada num fluxo de soldadura. A patente US n°. 4 994 4 85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ 119 descreve um fluxo de soldadura solúvel em água, que contém água desionizada como solvente. A patente US n°. 3 925 112 descreve que pode ser adicionado um agente bacterlostático a um fluxo à base de água.

Em US-A-5 334 260 descreve uma formulação para fluxo para utilização na montagem de placas de circuitos electrónicos, que compreendem: um solvente tal como água desionizada, um ácido orgânico fraco, solúvel na água tal como ácidos glutáricos, succínicos ou adípicos, um agente tensioactivo livre de halogenetos e não iónico, e um biocida co-solvente não volátil de 1 a 5 % em peso. Se bem que sejam descritos vários agentes tensioactivos adequados, todos têm ' lima composição química bastante diferente da do agente tensioactivo não iónico, utilizado nesta formulação do invento a ser descrito daqui para a frente.

Obiecto do invento O invento proporciona um sistema de fluxo, o qual não emite qualquer ou emite muito poucos COV durante a soldadura, que deixa um resíduo benigno após a soldadura e que, por esse motivo, não requer limpeza após a soldadura. Além disso, a fim de reduzir as preocupações em relação à segurança do trabalhador, o fluxo não deverá ser inflamável.

Sumário do invento

De acordo com o presente invento, é proporcionada uma formulação de fluxo para utilização na montagem de placas de circuitos electrónicos, que compreende uma camada configurada, compreendendo a formulação: pelo menos 90% em volume de solvente, em que o solvente é predominantemente água desionizada; um ácido orgânico fraco, solúvel em água, o qual está presente na formulação até 5% em peso; entre 0,01% em peso e 0,05% em peso de 2,6,8-trimetil-4-noniloxipolietilenoxietanol; um co-solvente na formulação em cerca de 10% em peso. Achou-se que a formulação era compatível com as usuais camadas configuradas usadas nas placas de circuitos electrónicos. Além disso a formulação é benigna para o ambiente. Deste modo, o invento dispensa os passos de limpeza após soldadura, e proporciona uma formulação sem COV ou com pouco COV, sem necessidade de limpeza. Conservam-se os materiais e a energia associada à limpeza e evita-se a poluição e o desperdício, incluindo a emissão de compostos orgânicos voláteis (COV), emissões de cloro-fluoro-cabonetos (CFC), e o 5 85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ tratamento de água usada. Em regiões com regulamentos restritos sobre emissões de COV, o uso de fluxo sem COV ou com pouco COV poderá ser o único modo de cumprir os regulamentos.

Verificou-se que, utilizando a formulação de fluxo do presente invento, não é inibida a cura das camadas de silicone configuradas, que contêm um catalisador de platina, as quais vão encapsular a placa de circuitos. Este tipo de revestimento é muito sensível aos resíduos de fluxo. Espera-se também que o fluxo seja compatível com outros tipos de revestimentos, os quais são mais tolerantes em relação aos resíduos de fluxo, tais como o silicone e o poliuretano curados por UV. Qualquer fluxo benigno que permaneça não prejudicará a integridade da ligação entre o revestimento configurado e o conjunto da placa. Aís) melhoríes) maneirais) para realizar o invento A formulação de fluxo do invento inclui um solvente, um ácido orgânico fraco solúvel em água, um agente tensioactivo não iónico sem halogenetos, e um co-solvente biocida. A formulação é compatível com o revestimento configurado, o qual encapsula a placa de circuitos electrónicos. Adicionalmente, a formulação de fluxo é benigna para o ambiente e não são necessários passos para limpeza após a soldadura. O fluxo de soldadura descrito é utilizado para a soldadura com soldas de chumbo/estanho em metais como o chumbo/estanho ou cobre, para placas de circuito impresso, se bem que a formulação descrita pode ser adequada para outras aplicações. O solvente compreende maioritariamente água desionizada. Outros solventes adequados incluem álcool e éter. De preferência, o ácido orgânico compreende ácido adípico HOOC(CH2)4COOH. Podem ser usados outros ácidos orgânicos. Os mesmos incluem o ácido maleico, o ácido succínico, e o ácido glutárico. O agente tensioactivo compreende Tergitol TMN-6 (90% aquoso), disponível na Union Carbide Corporation. A sua fórmula geral estrutural é Ci2H250(CH2CH20)nH. Como o exemplo a ser descrito abaixo confirma, este agente tensioactivo é um dois mais eficazes agentes molhantes não iónicos e penetrantes 6 85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ disponíveis. Tem elevada solubilidade e capacidade de dissolução de gordura. O agente tensioactivo é higroscópico. Assim, o revestimento configurado serve para proteger a placa de circuito electrónico contra danos causados pela absorção de humidade.

De preferência, o co-solvente compreende um álcool alifático, tal como o isopropanol. Outros co-solventes adequados incluem o etanol, o butanol e o pentanol.

Para satisfazer o objectivo. de· não deixar resíduos corrosivos, a formulação do fluxo descrita utiliza concentração relativamente baixa e agentes activos benignos.

Verificou-se que o agente tensioactivo específico, seleccionado no âmbito das proporções descritas, tende a baixar a tensão superficial, de modo que a água possa molhar uma placa de circuito subjacente. Se forem utilizadas proporções mais elevadas do que as descritas, ficará um resíduo que, se não for removido, poderá produzir com a passagem do tempo efeitos prejudiciais. Por exemplo, os resíduos podem ser higroscópicos e promover electromigração.

Considera-se que a formulação do fluxo do presente invento pode, por causa seu carácter benigno, ser deixada ficar na placa do circuito impresso. Uma vez que o fluxo pode ficar na placa, serão também melhorados os passos de limpeza. Assim evitam-se as despesas relacionadas com isso, e os problemas com o deitar fora de desperdícios.

Para testar a fiabilidade electrónica e a compatibilidade dos fluxos com os revestimentos configurados, foi utilizado um procedimento com polarização em panela de pressão. O objectivo do teste foi assegurar a fiabilidade do produto no ambiente severo, ao qual os circuitos electrónicos, utilizados nos veículos automóveis estão expostos. Um procedimento experimental utilizava padrões intsrdigitados de teste. Os fluxos foram pulverizados num padrão de teste e tratados por calor para simular perfil efectivo de calor de soldadura. Foi então aplicado um revestimento configurado por cima do resíduo do fluxo, o qual foi curado. Após a cura, os padrões de teste foram sujeitos a um ambiente de alta temperatura e elevada humidade dentro da panela de pressão durante um dado período de tempo. Foi aplicada uma tensão de polarização entre as partes 85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ 7

interdigitadas para promover a electromigração e o crescimento dendritico. Foram então medidos electricamente os padrões de teste, para determinar o número de padrões curto-circuitados por dendritos metálicos, formados durante o teste acelerado. Se algum curto-circuito for detectado, o fluxo e o revestimento configurado são considerados como não compatíveis.

Nos ensaios a serem descritos abaixo, o revestimento configurado era um revestimento de silicone. É um material curado por calor, que contém um catalisador de platina.

As várias formulações listadas abaixo de fluxos à base de água, que não necessitam de limpeza, foram ensaiadas em relação à compatibilidade com o revestimento configurado: (Segue TABELA 1)

TABELA 1

Activador (% peso) Solvente (% volume) Agente tensioactivo específico Compativel ? 1% de ácido malónico 25% de IPA, 75% de água desionizada Nenhum Não 1% de ácido adípico 15% de IPA, 85% de água desionizada Nenhum Não 1% de ácido adípico 30% de IPA, 70% de água desionizada Nenhum Não 1% de ácido adípico 50% de IPA, 50% de água desionizada Nenhum Não 0,75% de ácido adípico 15% de IPA, 85% de água desionizada Nenhum Não 0,5% de ácido adípico 15% de IPA, 85% de água desionizada Nenhum Não 0,5% de ácido adípico 0,5% de ácido pimélico 15% de IPA, 85% de água desionizada Nenhum Não 1% de ácido adípico água desionizada Nenhum DF-16 Não 1% de ácido adípico água desionizada 0,02% de Triton DF-16 Não 1% de ácido adípico água desionizada 0,05% de Triton DF-16 Não 1 % de ácido adípico 10% de IPA, 90% de água desionizada 0,02% de Triton TMN-6 Não 1% de ácido adípico 5% de IPA, 95% de água desionizada 0,01% de Tergitol TMN-6 Não 1% de ácido adípico 5% de IPA, 95% de água desionizada 0,05% de Tergitol TMN-6 Não 1% de ácido adípico 5% de IPA, 95% de água desionizada 0,02% de Tergitol TMN-6 Sim

Como os resultados acima mostram, a única formulação que passou os rigorosos testee de compatibilidade foi a que contém 1% ácido adípico; 95% (vol) 9 85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ água desionizada; 5% (vol) isopropanol (IPA); e 0,02% Tergitol TMN-6. O Tergitol TMN-6 está disponível na Union Carbide. A sua família química são etoxilatos de álcool. O seu nome químico é 2,6,8-trimetil-4-noniloxipolietilenoxietanol. O álcool isopropílico é também conhecido como isopropanol, verdadeiro-propanol, álcool s-propilo, dimetilcarbinol, isool, petrool.

Usando as formulações de fluxo descritas, realizou-se um teste de capacidade de soldadura através da soldadura de módulos normais de controlo electrónico de motor, montados por meio de soldadura de onda. O fluxo foi pulverizado utilizando ó sistema de produção normalmente utilizado. Os módulos foram soldados com o perfil normal de calor de produção numa máquina de soldadura por onda, usando gás inerte, e fabricada pela Electrovert. A qualidade das junções soldadas foram examinadas usando um microscópio óptico e comparadas com junções soldadas executadas na produção normal com fluxos sem limpeza. Os resultados indicaram que a soldadura dos fluxos à base de água é comparável à formulação dos fluxos sem limpeza da produção normal.

Tendo em vista a acima referida descrição, torna-se evidente que a formulação do fluxo, descrita, é a de um fluxo sem limpeza, sem COV ou de baixo COV, sem resina. É à base de água. Contém solventes não voláteis de baixo ponto de ebulição e pode, opcionalmente, conter menos de 10% COV com efeito biocida, tal como o IPA, eliminando assim o problema da emissão de COV. A formulação descrita não é inflamável.

Todas as percentagens ou proporções aqui dadas são em peso, a não ser que sejam especificamente indicadas de outro modo.

Lisboa,

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Por FORD MOTOR COMPANY - O AGENTE OFICIAL -

EHG.e ANTÓNIO JOÀO DA CUNHA FERRE1RA Ag. 0|. Pr. Ind. *yo des Flores, 74 - 4.'

l£@Q LISBOA

Claims

85 167 ΕΡ Ο 710 522/ΡΤ 1/1 REIVINDICAÇÕES 1 - Formulação de fluxo para utilização na montagem de placas para circuitos electrónicos tendo um revestimento configurado, compreendendo formulação: pelo menos 90% em volume de solvente, em que o solvente é predominantemente água desionizada: ácido orgânico fraco solúvel em água, o qual está presente na formulação até 5% em peso; entre 0,01% em peso e 0,05% em peso de 2,6,8-trimetil-4-noniloxipolietilenoxietanol; co-solvente biocida, o qual está presente na formulação até 10% em peso.
2 - Formulação de fluxo de acordo com a reivindicação 1, em que o ácido orgânico fraco é o ácido adípico.
3 - Formulação de fluxo de acordo com a reivindicação 2, em que está presente na formulação 1% em peso de ácido adípico.
4 - Formulação do fluxo de acordo com qualquer das reivindicações anteriores, em que o co-solvente biocida compreende isopropanol.
5 - Formulação do fluxo de acordo com a reivindicação 4, em que está presente na formulação 5% em volume de isopropanol.
6 - Método para utilização na montagem de placas de circuitos electrónicos por soldadura dos componentes em conjunto, que compreende o aquecimento dos componentes a uma temperatura de soldadura desejada e a aplicação, às superfícies dos componentes aquecidos, de uma solda e fluxo com a formulação de acordo com qualquer das reivindicações anteriores. Lisboa, / '»·! asi Por FORD MOTOR COMPANY -O AGENTE OFICIAL-

ANTÓNIO J0Ã0 CUNHA FERREIRA Ag. Of. Pr. Ind. lus das Flores, 74 - 4.* ieoo LISBOA