2 Ingegneria del sistema di tracciatura
2.3 Scelta dei materiali strutturali
2.3.1 Cilindri di supporto dei moduli
Il cilindro di supporto viene realizzato con una fibra di carbonio ad elevato modulo elastico, l’M46J della Toray Industries. Questa scelta risulta un buon compromesso tra l’elevato modulo di elasticità ed un buon allungamento a rottura, il quale permette di usare raggi di piegatura minimi, dell’ordine di due millimetri. Le caratteristiche di tale fibra sono riassunte in Tabella 2.2:
Valori tipici per M46j PAN/CARBON @ 20°C
CARICO DI ROTTURA A TRAZIONE 4215 MPa 611.33 ksiMODULO DI YOUNG 434.7 GPa 63 Msi
ALLUNGAMENTO A ROTTURA 1.0 %
DENSITÀ 1930 Kg /m3
Tabella 2.2 Caratteristiche della fibra M46J
Le due pelli sono fabbricate con due plies (strati di tessuto mono direzionale di fibra di carbonio) disposti a ± 45° rispetto all’asse Z per ottenere una buona isotropia. La fibra M46J viene impregnata con una resina tipo cianato–estere, (la 954 – 3 della Fiberite®); le principali caratteristiche sono illustrate in Tabella 2.3.
Resina 954-3 @ 20°C
Proprietà Valore
CARICO DI ROTTURA A TRAZIONE 56.5 MPa 8.2 ksi
MODULO DI YOUNG 2.76 GPa 0.4 Msi
ALLUNGAMENTO A ROTTURA 2.4 %
RESISTENZA A FLESSIONE 119.3 MPa 17.3 ksi MODULO DI ELASTICITÀ A FLESSIONE 2.96 GPa 0.43 Msi
DENSITÀ 1.19 Mg/m3
Tabella 2.3 Caratteristiche meccaniche resina 954-3 Fiberite®
Le proprietà della “954-3 cyanate resin” sono: ü basso “microcracking1
” se confrontato con le resine epossidiche standard; ü basso assorbimento di umidità anch’esso se confrontato con quello delle
resine epossidiche standard; ciò comporta una stabilità dimensionale ottima ed un rilascio di gas minore di un fattore 4 rispetto alle epossidiche;
ü temperatura di servizio, senza essiccamento dopo la presa della colla, compresa nel range -128 °C ÷ 121 °C;
ü viscosità molto bassa;
ü possibilità di commercializzazione in varie forme compresi nastri e tessuto; ü realizzabile sia in autoclave che per “pression – molding”.
Altre caratteristiche rilevanti sono:
ü temperatura di polimerizzazione: 177 °C;
ü eccellenti proprietà meccaniche sia in ambiente secco che umido; ü eccellenti proprieta’ dielettriche;
ü possibilità di applicazione come per le resine epossidiche.
Molte delle caratteristiche illustrate sopra sono riportate quantitativamente nella Tabella 2.4
1
Microfratture che si originano nella resina a seguito della polimerizzazione in autoclave a oltre 150°C. Sono dovute principalmente alle tensioni di origine termica indotte dai diversi coefficienti di espansione termica della fibra di carbonio (leggermente negativo) e della resina (positivo).
Resina 954-3 @ 20°C
DIMENSIONAL STABILITY HYGROSTRAIN 18.9 ppm WATER ABSORPTION 0.18 % CME 105 ppm/% RESIN OUTGASSINGTOTAL MASS LOSS 0.20 %
VOLATILE CONDENSABLE MATERIALS 0.01 %
WATER VAPOR RECOVERED 0.04 %
DIELECTRIC PROPERTIES
@ RT @ 163 °C
UNCONDITIONED
DIELECTRIC CONSTANT (Dk) 2.92 2.92
LOSS TANGENT (Df) 0.008 0.01
MOISTURE CONDITIONED 71 °C and 95% for 140 days
DIELECTRIC CONSTANT (Dk) 3.13 3.29
LOSS TANGENT (Df) 0.01 0.02
Tabella 2.4 Caratteristiche fisiche resina 954-3 Fiberite®
2.3.2 “Ribbon strips”
Il materiale usato per le “ribbon strips” è lo stesso utilizzato per i cilindri di supporto, ossia M46J + 954–3 cyanate resin.
2.3.3 Moduli rivelatori
I moduli sono costituiti dai rivelatori al silicio e dall’elettronica di lettura “read out”. Il tutto è incollato su di una struttura di supporto in fibra di carbonio (fibra K-1100X + resina al cianato estere 954 – 3).
L’elettronica è integrata su di un substrato di materiale dielettrico, chiamato ibrido, che alimenta i processori di “read out” (4 o 12 chips a seconda dei moduli), il circuito ad alta tensione e varie altre funzioni. L’acquisizione del segnale, il condizionamento ed una parte dell’elaborazione sono integrati nell'ibrido.
Attualmente sono percorribili due strade per ottenere un ibrido con un substrato leggero, con bassa lunghezza di radiazione e con un buone prestazioni termiche. La prima si basa sull’uso di ceramiche sottili ad alta conducibilità termica come AlN, Berillio sinterizzato etc, l’altra utilizza film sottili (50 micron) polammidici come il Kapton®, l’Upilex® ed il Vespel® accoppiati ad un substrato rigido di materiale ad alta conducibilità. Le ceramiche per l’ibrido hanno un coefficiente di allungamento
lineare molto vicino a quello del chip di silicio, mentre i materiali poliammidici hanno delle grosse differenze che ne potrebbero compromettere l’impiego.
In realtà, il substrato poliammidico è sottile e a basso modulo elastico, e quindi ha una rigidezza bassa rispetto al chip in silicio; inoltre, l’uso di colle a basso modulo elastico (0.06-.4 GPa) permette ulteriormente di ridurre gli stress termici. Il materiale ceramico di riferimento è l’allumina (Al2O3), ma sono stati presi in considerazione anche altri materiali come l’ossido di berillio (BeO Thermaloy 995 Beryllia®), il nitruro d’alluminio (AlN), il nitruro di boro (BN), ed il carburo di silicio (SiC).
La Tabella 2.5 seguente riassume le principali caratteristiche di tali materiali:
Units Al2O3 92% BeO 99.5% AlN SiC BN
Thermal conductivity @ RT W/mK 15 ÷ 35 290 ÷ 300 120 ÷ 220 70 2 ÷ 80 CTE (25° ÷ 400 °C) ppm/K 6.5 7.5 4.1 3.8 0.1 Electrical resistivity @ RT Ω cm >1013 >1013 >1014 >1012 >1011 Dielectric constant @ RT & @ 1 MHz 8.5 6.7 8.8 40 4.11
Toxicity NO YES NO NO NO
Tabella 2.5 Proprietà materiali per ibrido elettrico
È possibile anche paragonare il coefficiente di espansione termica di queste ceramiche con quello del silicio, Figura 2.1:
Figura 2.1 Coefficiente di espansione termica di alcune ceramiche comparate con quello del silicio
In Figura 2.2 viene paragonato il CTE di vari materiali con il silicio, in funzione della vita a fatica:
Figura 2.2 Confronto delle prestazioni tra vari materiali per realizzare l’ibrido
Come materiali dielettrici per l’ibrido sono stati presi in considerazione anche materiali compositi a matrice metallica in ossido di berillio con fibre in berillio. I dati forniti dalla ditta Brush Wellman sui materiali E20®, E40® ed E60®, (i due numeri designano la quantità di BeO in volume percentuale nel sinterizzato) sono riportati in Tabella 2.6.
Chemical composition
Material BeO, wt % max BeO, wt % min
E20 32.25 25.8 E40 54.80 49.50 E60 73.20 69.40 Density Material g/cm3 lbs/in3 E20 2.045 0.0739 E40 2.277 0.0823 E60 2.513 0.0908
Minimum tensile modulus @ RT
Material Gpa Msi
E20 288 42 E40 303 44 E60 317 46 Thermal conductivity Material W/m K Btu/hr ft °F E20 205 118 E40 215 124 E60 220 127 Specific heat @ 25 °C Material J/g °C cal/g °C E20 1.584 0.379 E40 1.407 0.336 E60 1.260 0.301
COEFFICIENT OF THERMAL EXPANSION (CTE)
MATERIAL ppm/°C ppm/°F minimum 8.24 4.58 E20 maximum 9.23 5.13 minimum 6.83 3.79 E40 maximum 7.74 4.3 minimum 5.64 3.13 E60 maximum 6.45 3.58
Sulla base di questi risultati risulta che oggi è possibile realisticamente usare come substrato per l’elettronica, l’allumina, che risulta la più economica: l‘AlN e la Beryllia® sono state fino ad oggi impiegate con successo, ma per impieghi su larga scala il loro costo risulta proibitivo. Il poliammide comunque risulta una buona alternativa ed i problemi nel suo utilizzo sono principalmente legati più alla tecnologia impiegata per ottenere le piste elettriche su di esso con processi veloci. Dal punto di vista di prestazioni termiche e leggerezza i metal/matrix compositi di berillio sembrano i prodotti migliori: la loro bassa densità e l’ottima conducibilità termica li pone al vertice. Purtroppo la loro disponibilità è effettiva solo sulla carta o per particolari applicazioni, e il costo risulta molto elevato.
2.3.4 Adesivi strutturali
Le varie parti della struttura del tracciatore ed i componenti del modulo di rivelazione, vengono uniti tra di loro mediante incollaggi.
Per gli incollaggi strutturali vengono utilizzati due tipi di colle:
• ARALDIT AW106/HV953U della CIBA – GEIGY
• EP30R della MASTERBOND
PROPRIETÀ PRIMA DELL’INDURIMENTO
AW106 HV 953 U
STATO FISICO Liquido viscoso Mieloso / legg. alcalino
COLORE crema Giallo – bruno
VISCOSITÀ A 25 °C 30 / 50000 cPs 25 / 40000 cPs PESO SPECIFICO A 25 °C 1.15 ÷ 1.25 g/cm3 0.9 ÷ 1.0 g/cm3
PUNTO D’INFIAMMABILITÀ 210 °C 50 ÷ 55 °C
RAPPORTO DI MISCELAZIONE
Parti in peso Parti in volume
AW106 100 100
HV 953 U 80 100
DURATA DI IMPIEGO
Temperatura Durata di impiego rif. A 100 gr
20 °C 135 minuti
30 °C 85 minuti
CONDIZIONI DI INDURIMENTO
Temp / °C Indurimento minimo
20 15 ore
25 12 ore
40 3 ore
70 50 minuti
CARATTERISTICHE TECNICHE
RESISTENZA ALLA TEMPERATURA -60 °C ÷ +60 °C
RESISTENZA AL TAGLIO PER TRAZIONE PROVINI
ANTICORODAL 100B, INDURIMENTO 5 giorni A 20 °C 14 N/mm2÷ 17 N/mm2 Tabella 2.7 Caratteristiche della colla AW106/HV953U
La AW106/HV953U è un adesivo epossidico strutturale che indurisce a temperatura ambiente in 24 ore ed è stata accuratamente testata sotto radiazione ionizzante, mostrando una buona resistenza a dosi di radiazione fino a 4 MGy.
Questa colla viene utilizzata per incollare tutte le parti del tubo e degli anelli di estremità e le strisce in fibra di carbonio al cilindro principale.
L’AW106 è la resina aralditica mentre l’HV953U è l’indurente. I dati forniti dalla CIBA – GEIGY per tale colla sono riportati in Tabella 2.7.
La EP30R Masterbond viene utilizzata per incollare i “ribbon” ai ledges perché ha un basso ritiro e permette di colmare i vuoti tra il ledge e il “ribbon”. Questa colla è un adesivo epossidico riempito con fibra di vetro. Ha una elevata viscosità e presenta una elevata resistenza strutturale e buona stabilità dimensionale. Il suo ritiro è ottimo, essendo pari a 0.007 mm su 25.4 mm.
Alcune proprietà del prodotto sono:
• Tensione di rottura a trazione, 75 °F: >69 N/mm2 (10000 psi)
• Tensione di rottura a flessione: 103.5 N/mm2 (15000 psi)
• Tensione di rottura a compressione: >103.5 N/mm2 (15000 psi)
• Resistenza all’impatto: >1104 N m/m (5 ft lbs/in)
• Intervallo temperature di servizio: –51 °C - 121 °C, (-60 °F ÷ 250 °F)
• Resistenza del collegamento a taglio, Al/Al, a 25 °C: > 23.46 N/mm2
(3400 psi)
• Resistenza del collegamento a taglio, Al/Al, a 25 °C, dopo 30 giorni di
esposizione all’umidità: 22.4 N/mm2 (3250 psi)
Gli adesivi utilizzati per incollare l’ibrido ed i detector di silicio al frame devono rispondere principalmente a due requisiti:
• facilitare lo scambio di calore,
MATERIALE Coefficiente di dilatazione termica (10-6/K) SILICIO 3 ALLUMINA 7 ALLUMINIUM NITRIDE 4 RAME 17 ALLUMINIO 27 FR-4 (XY-Plane) 16 EPOXY 45 SILVER-GLASS 17 SILVER-EPOXY 45 ALUMINA-EPOXY 33
Tabella 2.8: Coefficiente di dilatazione termica per substrati e colle di uso comune
La riduzione delle dimensioni dei chips e la tendenza ad utilizzare componenti altamente integrati, comporta la produzione di calore su aree piccole: le potenze in gioco possono arrivare fino a 10 W/cm2. Per smaltire tali densità di potenza è necessario utilizzare colle che abbiano una buona conducibilità termica. E’ stato verificato infatti che l’affidabilità dei componenti elettronici migliora notevolmente abbassando la temperatura di funzionamento.
Le tensioni termiche sono dovute ai diversi coefficienti di dilatazione termica dei materiali utilizzati. Queste vengono tenute in grande considerazione nella progettazione del modulo perché possono indurre deformazioni eccessive dell’ibrido fino a causare la rottura dei circuiti di collegamento tra i componenti elettronici che si trovano su di esso. Il verificarsi di tale evento potrebbe compromettere il funzionamento del modulo di rivelazione.
Nella Tabella 2.8 è riportato il coefficiente di dilatazione termica dei materiali che in genere vengono usati per i componenti elettronici.
Un modo per ridurre le deformazioni indotte dalle tensioni termiche è quello di utilizzare materiali che abbiano coefficiente di dilatazione termica molto vicini tra loro. Lo stesso risultato può essere ottenuto utilizzando adesivi a basso modulo di elasticità, i quali permettono la dilatazione differenziale dei materiali, generando tensioni basse.
Nella Tabella 2.9 sono riportate le caratteristiche meccaniche degli adesivi di uso comune e delle brasature dolci: si vede che le colle più indicate per i nostri scopi sono quelle siliconiche e del tipo “stress free”.
Modulo di elasticità TIPO DI COLLA
Psi x 106 GPa
Poisson Ratio
TIN LEAD SOLDER 10.0 68.94 0.35
INDIUM SOLDER 5.0 34.97 0.35 SILVER-GLASS 10.0 68.94 0.35 STANDARD EPOXY 0.3 2.06 0.35 SILVER-EPOXY 1.0 6.89 0.35 ALUMINA-EPOXY 2.0 13.78 0.35 SILICONE 0.015 0.10 0.45 POLYURETHANE 0.020 0.14 0.45 STRESS-FREE EPOXY 0.017 0.12 0.45
Tabella 2.9: Proprietà di alcuni tipi di adesivi [6]