AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DURANTE A CURA DE RESINAS EPOXÍ E DE POLIURETANO APLICADAS NO REVESTIMENTO DE COMPONENTES ELETRÔNICOS

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1 AVALIAÇÃO DO COMPORTAMENTO TÉRMICO DURANTE A CURA DE RESINAS EPOXÍ E DE POLIURETANO APLICADAS NO REVESTIMENTO DE COMPONENTES ELETRÔNICOS Caio M. Barroso 1 *, João P. da S. Bandeira 1, Rodrigo T. de Amorim 1, Jorge V. Lima 1, Alexandre de S. Rios 1, Ricardo F. Colares 1 e Alaim A. de A. Júnior 2. 1 Universidade de Fortaleza UNIFOR, Fortaleza CE, caiomouraob@gmail.com 2 Eletra Indústria e Comércio de Medidores Elétricos LTDA, Fortaleza CE Resumo: Revestimentos poliméricos são largamente utilizados em aplicações eletrônicas, devido a sua capacidade de vedação e por atuar como um isolante elétrico e térmico. Este estudo, desenvolvido a partir do Projeto MedNorma (Estudo e Desenvolvimento de Soluções Tecnológicas Inovadoras Aplicadas a Medidores de Energia Elétrica baseadas em Metrologia Científica e Industrial), tem como objetivo avaliar o comportamento térmico de sistemas de epóxi e de poliuretano durante a cura dos mesmos. A partir do encapsulamento de medidores eletrônicos de energia elétrica, com quatro diferentes sistemas poliméricos, sendo duas à base de epóxi e duas à base de poliuretano, foi possível determinar o perfil da distribuição de temperatura desses sistemas de revestimento, confirmando a hipótese de que sistemas baseados em resina epóxi desenvolvem maior exotermia se comparada aos sistemas à base de poliuretano. Palavras-chave: Comportamento térmico, revestimento de poliuretano, revestimento epóxi e componentes eletrônicos. Exothermal evaluation during the cure of epoxy and polyurethane resins applied in the coating of electronic components Abstract: Polymeric coatings are widely used in electronic applications, due to its ability to seal and act as an insulating electronic and thermal barrier. This study, based on the development of the MedNorma Project (Study and Development of Innovative Technological Solutions Applied to Electric Energy Device based on Scientific and Industrial Metrology), aims to evaluate the thermal behavior of epoxy and polyurethane system during curing of these reagent system. From the encapsulation of electronic energy devices, with four different polymer systems, two epoxy based and two polyurethane based, it was possible to determine the profile of the temperature distribution of these coating systems, confirming the hypothesis that epoxy-based systems develop higher exotherm compared to polyurethane-based systems. Keywords: Thermal behavior, polyurethane coating, epoxy coating and electronics components. Introdução Componentes elétricos e placas de circuito impresso estão frequentemente expostos à umidade, contaminantes iônicos, calor, radiação e esforços mecânicos que podem ser altamente prejudiciais aos dispositivos eletrônicos. Por conseguinte, é essencial que esses elementos sejam protegidos pela aplicação de revestimentos isolantes. Os materiais de encapsulamento são geralmente baseados em polímeros, tais como poliuretanos e epóxis, dos quais necessitam ser misturados com agentes de cura em corretas proporções estequiométricas, fornecendo proteção ambiental e ligações químicas proporcionalmente bem formadas. Dessa forma, é possível prolongar significativamente a vida útil dos componentes e seus circuitos eletrônicos, e até mesmo evitar curtos circuitos e a corrosão de elementos condutores [1-4,8]. Os sistemas à base de epóxi têm sido usados por muitos anos devido à combinação de baixo custo, facilidade de processamento e satisfatórias propriedades térmicas, elétricas, mecânicas, além de proteger componentes eletrônicos da umidade. O processo de cura geralmente ocorre lentamente, especialmente quando pequenos volumes de resina são envolvidos. Poderão ser utilizados 1212

2 endurecedores para a aceleração da cura, entretanto, alguns desses agentes proporcionam elevada exotermia durante as reações de polimerização [2,3]. Os revestimentos baseados em poliuretanos, geralmente sistemas bicomponentes, quando devidamente aplicados e curados, combinam numerosas propriedades vantajosas, dentre elas a boa adesão em metais e plásticos, alta resistência à abrasão e estabilidade eletrolítica. Durante a cura, os poliuretanos apresentam baixa temperatura de reação exotérmica e o calor gerado, mesmo nos sistemas de cura rápida, não se mostraram prejudiciais nos projetos nos quais eles foram aplicados [3,4]. Qualquer que seja o sistema polimérico de revestimento, um dos fatores relevantes para a determinação do composto apropriado para o encapsulamento de eletrônicos é a taxa geração de calor proveniente das reações de polimerização desses compostos, uma vez que uma elevada exotermia poderá danificar equipamentos eletrônicos e induzir tensões mecânicas elevadas, tanto nos componentes quanto no circuito impresso, devido às dilatações oriundas do aumento de temperatura. Logo, este estudo tem como objetivo realizar um comparativo entre o comportamento térmico de sistemas de poliuretano e de epóxi durante a cura em componentes eletrônicos. Experimental Materiais Para o estudo, foram considerados quatro sistemas de encapsulamento, com propriedades mecânicas e elétricas semelhantes, a serem aplicados sobre o PCB (Printed Circuit Board) dos medidores eletrônicos de energia elétrica Eletra Energy Solutions (modelo ARES 7021). São eles: Revestimentos epóxis SQ 2119 (proporção de mistura em massa de 100:12) e SQ 2121 (proporção de mistura em massa de 100:10), ambos com o endurecedor SQ 3131, do fabricante Silaex Química; Revestimento poliuretano Alifar U2896E/HU01 (proporção de mistura em massa de 100:20), do fabricante ELANTAS; Revestimento poliuretano Scotchcast 40 (proporção de mistura em massa de 100:42), do fabricante 3M do Brasil. Produção das amostras Os compostos de encapsulamento tiveram a resina e o endurecedor dosados de acordo com as proporções definidas pelos seus fabricantes, com o auxílio de uma balança Marte (modelo MS 20K1; precisão de 0,1g), e misturados mecanicamente por cerca de 1 minuto. Em seguida, as os compostos foram despejados manualmente sobre o PCB dos medidores elétricos até que cobrisse toda a placa, de forma homogênea e uniforme (Fig. 1). Todas as amostras produzidas tiveram a mesma quantidade de revestimento aplicado. (a) (b) (c) (d) Figura 1. Medidores eletrônicos revestidos: (a) Alifar U2896E, (b) Scotchcast 40, (c) SQ 2119, (d) SQ

3 Análise termográfica Para a aferição do comportamento térmico ao longo da reação exotérmica da polimerização das resinas com os seus respectivos endurecedores, usou-se um termômetro de infravermelho Fluke (modelo VT04A; precisão de ±2ºC) controlado pelo software Smartview. As amostras foram posicionadas horizontalmente, à cerca de 30 cm do termômetro, com a emissividade (ɛ) (capacidade de emissão de energia por radiação da sua superfície) ajustada em 0,95 [5]. Efetuouse a captura das imagens até que os sistemas de encapsulamento atingissem o seu pico exotérmico. Os testes foram executados no Laboratório de Química da Universidade de Fortaleza, à temperatura ambiente (25± 5ºC). Resultados e Discussão A partir da Fig. 2, percebe-se que os sistemas epóxis Silaex SQ 2119 e Silaex SQ 2121, ambas processadas com o endurecedor SQ 3131, à base de dietilenotriamina (DETA), desenvolveram uma elevada exotermia durante as reações de polimerização da resina com o endurecedor. No caso do revestimento SQ 2119 com o endurecedor SQ 3131, o pico exotérmico aproximou-se de 140ºC. Esse endurecedor é à base de aminas alifáticas primárias altamente reativas, com cinco átomos de hidrogêneo livres para a formação de ligações cruzadas, logo, quando processado junto à resina, mesmo à temperatura ambiente, fará com que o sistema cure, produzindo elevada exotermia [4,6-7]. Figura 2. Comportamento térmico dos compostos epóxis: (a) Silaex SQ 2119 com SQ 3131, (b) Silaex SQ 2121 com SQ Já pela Fig. 3, é possível confirmar a hipótese de que os revestimentos baseados em poliuretano, mesmo os de cura rápida, desenvolvem menor exotermia quando comparada aos sistemas epóxis [8,10]. Os compostos Scotchcast 40 e Alifar U2896E aproximaram-se de 50ºC, um valor bem distante da temperatura de 140ºC desenvolvida nos sistemas epóxis. 1214

4 Figura 3. Comportamento térmico dos compostos poliuretânicas: (a) 3M Scotchcast 40, (b) Elantas Alifar U2896E. Adicionalmente, a distribuição de temperatura (Fig. 4) dos sistemas epóxis foi similar à das baseadas em poliuretano até o décimo minuto, e, a partir desse instante, acelerou rapidamente, atingindo a máxima temperatura próximo ao vigésimo minuto e trigésimo minuto para os compostos SQ 2119 e SQ 2121, respectivamente. Figura 4. Distribuição da temperatura durante a cura dos sistemas de revestimento. A taxa de falha do equipamento eletrônico aumenta exponencialmente com a temperatura [9]. Assim sendo, o controle da temperatura da atmosfera em que os componentes eletrônicos estão inseridos é altamente relevante para a manutenção das características de operacionalidade desses dispositivos. Com as altas temperaturas desenvolvidas durante a cura dos sistemas epoxídicos, mesmo em um curto intervalo de tempo, há a formação de tensões termomecânicas e deformações, 1215

5 principalmente nas juntas de solda dos componentes montados em placas de circuitos, que são altamente prejudiciais nos dispositivos eletrônicos [8-10]. Logo, sistemas que apresentam menor exotermia são preferíveis para serem aplicados sobre circuitos eletrônicos que são sensíveis às variações bruscas de temperatura. Conclusões O presente estudo avaliou o comportamento térmico durante a cura de sistemas epóxi e poliuretânicas para o revestimento de eletrônicos. A partir da análise termográfica efetuada nos quatro compostos de revestimento aplicadas aos medidores eletrônicos de energia elétrica, foi possível concluir que os sistemas epóxis, tratadas com endurecedores de alta reatividade, produzem elevada exotermia. No presente trabalho, esse valor foi superior ao encontrado em sistemas baseados em poliuretano. Também, percebeu-se que a distribuição de temperatura, no início das reações de polimerização da resina com o endurecedor, em sistemas epóxis e à base de poliuretano apresentam comportamento similar até um certo ponto, divergindo no decorrer da cura dos sistemas reagentes. Agradecimentos Os autores agradecem à ELANTAS e 3M do Brasil, pelo fornecimento dos sistemas para o revestimento de eletrônicos, à Eletra Energy Solutions, pelo financiamento da pesquisa por meio da Lei de Informática (MCTI), em convênio com a Fundação Edson Queiroz, à Universidade de Fortaleza, pelo ambiente amigável que nos proporciona, e também à FUNCAP, pelo apoio necessário para a realização deste trabalho. Referências Bibliográficas 1. L. A. Naviti, U.S. Patent ; Conformal coating and potting system J. J. Licari, Coating Materials for Electronic Applications: Polymers, Processes, Reliability, Testing, 1. Ed.; William Andrew, CA, J. Humphires. Resins for Potting and Encapsulation in Electronics. OnBoard Technology, p J. J. Licari; L. A. Hughes, Handbook of Polymer Coatings for Electronics: Chemistry, Technology and Applications, 1. Ed.; William Andrew, CA, L. T. Clausing, Emissivity: Understanding the difference between apparent and actual infrared temperatures M. Chanda; S. K. Roy, Plastics Technology Handbook, Fourth Edition, 4. Ed.; CRC Press, FA, M. M. Renfrew; H. Wittcoff, U.S. Patent ; Thermosetting resinous compositions from epoxy resins and polyamides derived from polymeric fat acids C. F. Coombs, Printed Circuits Handbook, 6. Ed.; McGraw-Hill, NY, Y. A. Çengel, Heat and Mass Transfer: A Practical Approach, 2. Ed.; McGraw-Hill, NY, Huntsman Advanced Materials. Raising insulation performance with advanced chemistries. Disponível em: < /a_ MCED5570E284BD76EE040EBCD2B6B7A1B/Your%20Industry_MCEFD19E1A181BDB8E 040EBCD2B6B77C9/Electronics_MD0AB34362CD3877FE040EBCD2B6B235C/files/EUR_ HL_Electronics_Raising%20insulation%20performance%20with%20advanced%20chemistries. pdf >. Acesso em 09 mar