Wafer de Si com cerca de 250 Circuitos integrados Circuitos integrados CI ligado à leadframe por fios condutores soldados nas extremidades (material solda: Au-Si, Pb-Sn, ou colagem com epoxy; 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 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)? 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
Leadframe: 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). 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. 5- devem ser baratas. 2º Passo: consulta de bases de dados ou 3º 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 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? Nota: coeficiente de expansão linear do Si 2.6x10-6 C -1
Encapsulamento Requisitos 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: H 2 2H + (aq) + 2e - Cátodo: 1/2 O 2(g) + 2H + (aq) + 2e - H 2 O (g)
Tipos de Células de Combustível Aplicações Típicas Potência em Watts Principais Vantagens Gama de aplicação dos diferentes tipos de células de combustível Equipamentos Electrónicos Portáteis Carros, Barcos e Cogeração Doméstica Geração distribuída, Cogeração, Autocarros 1 10 100 1k 10k 100k 1M 10M Maior densidade de potência que as Baterias Carregamento mais rápido Potencial para Emissão zero Maior eficiência DMFC AFC MCFC PEMFC SOFC PAFC Maior eficiência Menos poluição Silencioso
Pilha de Combustível de Hidrogénio 1. Placas Estruturais t 2. Placas Colectoras 3. Placas Bipolares 4. Vedante 5. MEA (Membrane Electrode Assembly) Catalyst Coated Membrane (CCM-PEM) Gas Diffusion Layer (GDL)
Placas Estruturais Função Suporte Estrutural Canalizar gases para o interior da Célula Material Utilizado: Aço Inoxidável ou alumínio (rígido, tenaz, barato, fácil de enformar, ( g denso/poucodenso)
Placas Colectoras Função: Fazer a condução dos electrões para o circuito eléctrico externo Material Utilizado: Latão com banho de Ouro (Porque não o cobre?)
Placas Bipolares Função: Fazer a distribuição e gestão do combustível, oxidante, gases e líquidos residuais Fazer a condução da corrente eléctrica Facilitar a dissipação de calor Separar as células umas das outras Material Utilizado: Compósito de Grafite de Matriz Polimérica
Função: Vedante Selar a superfície de modo a não existirem fugas de gases Isolante eléctrico Material Utilizado: Kapton - Filme de poliimida revestido em ambos os lados com adesivo de silicone Filme de poliimida Membrana Adesivo de silicone
MEA - Membrane Electrode Assembly Elemento chave da célula de combustível Afecta o desempenho, densidade d de potência etempo devida Materiais e técnicas de fabrico são factores essenciais no desempenho Constituição da MEA: Catalyst Coated Membrane (CCM) Gas Diffusion Layer (GDL)
Catalyst Coated Membrane (CCM) Função: Condução iónica (protões) Catalisar as reacções de electro-oxidação (ânodo) e electro-redução(cátodo) d Impermeável aos gases Barreira à Difusão Gasosa Material Utilizado: Membrana tipo Nafion 111 revestido de ambos os lados com uma camada catalítica de nanopartículas de platina num suporte de partículas de carbono
Catalyst Coated Membrane (CCM) Características do Nafion ou Perfluorosulphonic acid PTFE copolymer Estrutura fluorocarbonada idêntica à do Teflon Clusters iónicos que consistem em iões de ácido sulfónico (SO3 - H + ) ligados aos grupos laterais O grupo SO3 - está ligado ao grupo lateral, mas quando a membrana está hidratada, os iões H + tornam-se móveis. Devido a este mecanismo o electrólito sólido é um excelente condutor de protões.
Gas Diffusion Layer - GDL Função: Transporte de gases, líquidos e electrões Remoção da água que se forma de modo a prevenir a inundação da célula Manutenção do nível de humidificação necessário da PEM para que haja transporte iónico 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 100 5,40 90 5,20 80 Tensão (V) 5,00 4,80 4,60 4,40 70 60 50 40 30 Humidade do Ar (%) 4,20 4,00 0 0 150 300 450 600 750 900 1050 1200 1350 1500 1650 1800 1950 2100 2250 Tempo (Horas) Pilha 1 Pilha 2 Pilha 3 Humidade do ar 20 10 Esta deixou de funcionar ao fim de 1000h. Porquê? Taxas de decaimento parciais e totais: Nº Pilha 500h 808h 1100h 1503h 1983h 1-200 μv/h - 100 μv/h - - - 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 C M A M A C a) b) Pilha 1 808h Células com melhor desempenho A M C A M C Células com pior desempenho a) b) a) Pilha 2 1503h A A M M C C b) Pilha 3 2126h Existe fissuração na interface entre a membrana catalizadora e o GDL E agora? Como actuar?
Lista de propriedades utilizadas frequentemente em selecção de materiais Mais: Propriedades ópticas (índice de refracção, absortividade, reflectividade), Propriedades magnéticas (campo coercivo, campo remanestcente, histerese), Propriedades metalúrgicas (microestrutura, densidade de deslocações, etc)...
Bases de dados/ fontes de informação Outras Bases Cambridge Materials Selector/ CES Selector Ver: http://www.grantadesign.com/products/ces/