Low-temperature sintering and thermal-aging reliability of nano-silver joints on cyanate ester composite substrates

As aeronaves modernas já não são apenas tubos de metal e tecido transportando motores; estão a tornar-se computadores voadores. Os engenheiros estão cada vez mais a incorporar chips eletrónicos potentes diretamente nas peles estruturais dos aviões, um conceito conhecido como integração estrutural-funcional. Esta abordagem remove caixas pesadas e volumosas que normalmente abrigam a eletrónica, poupando peso e espaço. No entanto, fixar estes chips sensíveis aos materiais compostos leves e resistentes ao calor usados nas fuselagens apresenta um enigma difícil. A cola ou solda utilizada para fixar o chip à asa ou ao fuselagem deve sobreviver ao calor extremo, suportar correntes elétricas massivas e permanecer forte o suficiente para manter o avião unido, tudo isto sem danificar o material composto delicado ao qual está fixada.

Durante décadas, a forma padrão de fixar estes chips envolvia superfícies metálicas ou azulejos cerâmicos especiais, mas a nova geração de aeronaves utiliza compostos poliméricos avançados que não podem ser facilmente revestidos com metal. Investigadores procuram há muito uma forma de ligar chips diretamente a estas superfícies não metálicas utilizando um material que possa resistir às altas temperaturas da eletrónica moderna. A prata, sob a forma de partículas microscópicas, oferece uma solução promissora porque conduz eletricidade e calor excecionalmente bem e pode ser fundida a temperaturas inferiores à soldagem tradicional. Contudo, permanecia incerto se esta prata poderia formar uma ligação forte e duradoura diretamente sobre a superfície rugosa e não metálica de um compósito de éster de cianato — um material valorizado na indústria aeroespacial pela sua estabilidade e leveza — sem o auxílio de uma camada metálica.

Uma equipa de investigadores da Universidade de Beihang e institutos relacionados na China decidiu resolver este problema específico. Eles utilizaram pequenos blocos de cobre, revestidos com uma fina camada de prata para mimetizar um chip de potência real, e os colaram diretamente em quadrados de compósito de éster de cianato reforçado com fibras de quartzo. Em vez de utilizarem uma cola química, aplicaram uma pasta composta por minúsculas partículas de prata e aqueceram-na sob pressão. O objetivo era verificar se as partículas de prata poderiam fundir-se o suficiente para formar uma ponte sólida, mantendo-se simultaneamente presas nas pequenas saliências e valas da superfície do compósito, criando uma aderência mecânica semelhante ao Velcro, mas numa escala microscópica.

O processo exigiu um controlo cuidadoso de calor e pressão. Os investigadores aqueceram a pasta de prata a 200 graus Celsius, uma temperatura suficientemente alta para fundir as partículas de prata, mas suficientemente baixa para evitar que o material compósito ardesse. Aplicaram quantidades variáveis de pressão, variando entre 5 e 20 megapascais, para espremer as partículas. À medida que o calor subia, os solventes orgânicos da pasta evaporavam-se, permitindo que as partículas de prata se tocassem e se fundissem nos seus pontos de contacto. Sob pressão, estas partículas reorganizaram-se, preenchendo as lacunas e formando uma camada metálica densa e contínua. A equipa descobriu que a prata não se limitou a assentar sobre o compósito; ela fluiu para dentro da rugosidade microscópica da superfície, criando um intertravamento físico que manteve os dois materiais unidos.

Os resultados desta ligação direta foram surpreendentemente robustos. Quando os investigadores testaram quanta força era necessária para deslizar o chip para fora do compósito, as juntas mais fortes suportaram até 11,5 megapascais de resistência ao cisalhamento. Este desempenho máximo foi alcançado quando a prata foi sinterizada a uma pressão de 15 megapascais durante 15 minutos. Curiosamente, aplicar pressão excessiva, como 20 megapascais, enfraqueceu ligeiramente a ligação, provavelmente porque a força excessiva começou a danificar o próprio substrato compósito. A camada de prata formada também foi altamente eficiente, com a sua resistência elétrica a diminuir significativamente à medida que a pressão aumentava, indicando que as partículas se tinham compactado fortemente para criar excelentes vias para a eletricidade.

Para garantir que esta tecnologia pudesse sobreviver ao ambiente severo de uma aeronave real, a equipa submeteu as juntas coladas a um envelhecimento por alta temperatura. Colocaram as amostras num forno a 220 graus Celsius por até 1.000 horas para simular anos de operação. Após 600 horas, as juntas mantinham-se notavelmente fortes, retendo cerca de 81 por cento da sua força original. A própria camada de prata aguentou bem, mas os investigadores observaram que o material compósito subjacente começou a mostrar sinais de stress, com pequenas fissuras a aparecer na resina que une as fibras. Após 1.000 horas, o compósito sofreu uma degradação significativa, incluindo a separação das fibras da matriz de resina, o que acabou por comprometer a junta.

O estudo conclui que é inteiramente possível ligar chips de potência diretamente a superfícies de compósitos não metálicos utilizando a sinterização de nano-prata, criando uma ligação forte, eletricamente condutora e termicamente estável. O mecanismo primário para esta ligação não é uma reação química entre a prata e o plástico, mas sim um intertravamento mecânico onde a prata preenche a textura da superfície. Embora a junta de prata seja durável, a fiabilidade a longo prazo de todo o sistema é limitada pela estabilidade térmica do próprio material compósito. Uma vez que o compósito comece a degradar-se sob calor extremo, a ligação enfraquece, independentemente de quão bem a prata se mantenha unida. Esta descoberta oferece um caminho claro para a integração de eletrónica nas próximas gerações de estruturas de aeronaves leves e de alto desempenho, desde que os materiais utilizados para a estrutura possam suportar o calor gerado pela eletrónica que transportam.