AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DAS JUNÇÕES SI LIGAS METÁLICAS OBTIDAS POR SOLDAGEM BRANDA EM ALTO VÁCUO

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1 
 
 
Núcleo de Pesquisa Acadêmica – NPA 
Programa de Iniciação Científica, de Iniciação 
Tecnológica e de Extensão – PICITExt 
 
 
FORMULÁRIO PARA APRESENTAÇÃO DE RELATÓRIO DE 
PESQUISA INICIAÇÃO CIENTÍFICA – 2017/2018 
 
1. Identificação do Projeto de Iniciação Científica 
1.1 Título do Projeto do 
Orientador: 
Brasagem a Vácuo de Silício / Ligas 
Metálicas para Aplicação em 
Instrumentação de Luz Síncrotron 
1.2 Título do Plano de Trabalho 
do Aluno: 
Avaliação da Resistência Mecânica das 
Junções SI Ligas Metálicas obtidas por 
soldagem branda em Alto Vácuo 
 
2. Identificação do Orientador 
2.1 Nome Completo: Osmar Roberto Bagnato 
2.2 Curso (Vinculado ao 
Projeto): 
Engenharia Mecânica 
2.3 Campus: Campinas - Switf 
 
3. Identificação do Coorientador 
3.1 Nome Completo: 
3.2 Curso (Vinculado ao 
Projeto): 
 
3.3 Campus: 
 
4. Identificação do Aluno 
2 
 
4.
1 
Nome Completo: Gabriel Cruz Buffa 
4.
2 
R.A: 004201603238 
4.
3 
Curso (Vinculado ao 
Projeto): 
Engenharia Mecânica 
4.
4 
Campus: Campinas - Swift 
4.
5 
Tipo de Bolsa: ( ) PIBIC 
( ) Voluntário PIBIC 
( X ) PROBAICITExt 
( ) Voluntário PROBAICITExt 
( ) PIBITI 
( ) Voluntário PIBITI 
4.
6 
Vigência da Bolsa: 01/ 08 / 2017 a 31/ 07 / 2018 
4.
7 
Tipo de relatório: ( ) Parcial (X) Final 
 
5. Estágio atual de execução do Plano de Trabalho e desempenho do 
Aluno 
5.
1 
Desempenho: ( X ) Como previsto ( ) Adiantado 
( ) Atrasado ( ) Não iniciado 
( ) Concluído 
( ) Outro. Especificar: 
____________________ 
3 
 
5,
2 
Justificativa caso não tenha 
atendido ao cronograma 
inicial: 
Devido ao cronograma de fabricação dos 
componentes para o projeto Sirius, não foi 
possível a utilização do laboratório de 
materiais do CNPEM para a preparação dos 
corpos de prova. 
 
6. Atividades complementares desenvolvidas pelo aluno 
OBS: Anexar ao relatório os comprovantes das atividades 
6.
1 
Produção 
científica: 
 
( ) Artigos completos publicados em periódico. 
( ) Resenhas. 
( ) Resumo publicado em anais. 
( ) Trabalhos completos publicados em anais. 
( ) Outras produções. 
Especificar:_______________________ 
6.
2 
Eventos: ( ) Apresentações de trabalhos em forma de Comunicação 
oral . 
( ) Apresentações de trabalhos em forma de Painel/Pôster . 
( ) Participações em eventos científicos como ouvinte . 
( ) Participações em eventos científicos como palestrante . 
( ) Participação em organização de eventos científicos. 
( ) Apresentação dos resultados no Encontro de IC da USF.
 
( ) Participação voluntária no Programa de Iniciação Científica 
da USF em anos anteriores. 
( ) Colaboração em outras pesquisas. 
 
 
 
4 
 Gabriel Cruz Buffa 
5 
 
 
 
 
 
 
 
 
AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DAS JUNÇÕES SI LIGAS 
METÁLICAS OBTIDAS POR SOLDAGEM BRANDA EM ALTO VÁCUO 
 
 
 
 
 
 
Apoio: 
 
 
 
 
 
CAMPINAS 
2018 
 
 
Gabriel Cruz Buffa 
 
 
6 
 
 
 
 
 
 
 
AVALIAÇÃO DA RESISTÊNCIA MECÂNICA DAS JUNÇÕES SI LIGAS 
METÁLICAS OBTIDAS POR SOLDAGEM BRANDA EM ALTO VÁCUO 
 
 
 
Relatório parcial de Bolsista 
PROBAICITExt apresentado ao Programa 
de Iniciação Científica – PIC da 
Universidade São Francisco. 
 
ORIENTADOR(A): OSMAR ROBERTO BAGNATO 
 
 
 
 
 
 
 
 
CAMPINAS 
2018 
 
7 
 
Resumo 
 
 O Laboratório Nacional de luz Síncrotron é uma instituição de pesquisa dividida 
em grupos, onde cada um tem um objeto diferente. No caso do grupo de materiais (MAT), 
o objetivo é o estudo e melhoramento de materiais para utilização na fonte de luz 
síncrotron, visando o aumento do campo de estudos relacionado ao laboratório. 
No projeto de avaliação da resistência mecânica das junções Si ligas metálicas 
obtidas por soldagem branda em alto vácuo, a principal justificativa é a utilização dos 
protótipos gerados pela pesquisa na instrumentação óptica de luz síncrotron do projeto 
Sirius. Em relação aos materiais utilizados, o silício foi escolhido pelo fato de os espelhos 
produzidos com ele apresentarem características ideais de trabalho como reflexibilidade, 
filtragem por banda de energia, focalização, alta estabilidade térmica e a facilidade de 
obtenção de superfícies com baixa rugosidade. O cobre juntamente com o invar36 foram 
escolhidos como metais, pois possuem boa condutividade térmica e elétrica, e como liga 
de adição, foram realizados testes anteriores com diversos materiais, mas o que se 
mostrou superior em relação aos resultados foi a liga SN100CV. 
Para o processo de soldagem branda, os materiais devem passar por diversos tipos 
de tratamento, como limpeza e banho eletrolítico para deposição de cobre para garantir 
que a soldagem seja de qualidade. A liga base SN100CV em forma de um filme fino com 
espessura de 0,04 mm é colocado entre as superfícies dos materiais base, silício e cobre, 
e então o conjunto é levado ao forno de alto vácuo com uma carga aplicada de 200 kPa, 
onde passa por um ciclo programado de aquecimento e resfriamento. Após a retirada do 
material do forno, o mesmo passa por um processo de preparação para a metalografia, 
onde ele é resinado, lixado e polido com a utilização de diversos equipamentos 
específicos para o processo, preparando a superfície de solda para ser analisada em um 
microscópio óptico. Ao final de todo o processo de análise os dados coletados são 
arquivados para posterior análise. 
 
 
 
Palavras-chave: luz síncrotron, protótipo, forno, metalografia. 
 
 
8 
 
Sumário 
 
1 Lista de figuras ............................................................................................................ 10 
2 Lista de tabelas ............................................................................................................ 10 
3 Apresentação .............................................................................................................. 11 
4 Introdução .................................................................................................................. 11 
5 Revisão Bibliográfica ................................................................................................. 11 
5.1 Solda ..................................................................................................................... 11 
5.2 Criogenia ............................................................................................................. 12 
5.3 Eletrodeposição ................................................................................................... 12 
5.4 Invar36 ................................................................................................................. 12 
6 Objetivos ..................................................................................................................... 12 
7 Justificativas ............................................................................................................... 13 
7.1 Soldagem Branda ................................................................................................ 14 
7.1.1 Molhabilidade .................................................................................................. 14 
7.1.2 Difusão Atômica ............................................................................................... 14 
7.1.3 Capilaridade ..................................................................................................... 14 
7.1.4 Tensão Residual ............................................................................................... 14 
7.2 Soldagem de difusão no estado sólido ............................................................... 15 
7.3 Deposição de Filmes Finos ................................................................................. 16 
7.3.1 Eletrodeposição de Cobre em Silício.............................................................. 16 
7.3.2 Deposição por pulverização catódica ou sputtering ...................................... 17 
7.4 Propriedades do Silício ................................................................................... 19 
7.5 Propriedades do Invar36 ............................................................................... 20 
7.6 Propriedades do SN100CV ............................................................................ 20 
8 Método ........................................................................................................................ 20 
8.1 Instrumentos ................................................................................................... 21 
8.2 Materiais .......................................................................................................... 21 
8.3 Procedimentos ................................................................................................. 21 
8.3.1 Início do projeto ........................................................................................... 21 
8.3.2 Limpeza dos Materiais ................................................................................ 22 
8.3.3 Processo de Deposição Eletrolítico ............................................................. 22 
8.3.4 Operação do Forno a Vácuo ....................................................................... 23 
8.3.5 Preparação Metalográfica .......................................................................... 24 
9 Resultados e Discussão .............................................................................................. 24 
9 
 
10 Cronograma do Plano de Trabalho ....................................................................... 27 
11 Conclusão e considerações finais ............................................................................ 28 
12 Referências ............................................................................................................... 30 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
10 
 
1 Lista de figuras 
 
Figura 1 - Peça utilizada para colocar os materiais no forno. 
Figura 2 – Forno de alto vácuo. 
Figura 3 - Materiais utilizados para banho eletrolítico. 
Figura 4 - Ilustração da técnica de Sputtering. 
Figura 5 - Ilustração do processo de Magnetron Sputtering. 
Figura 6 – Microscópio óptico ZEISS 
Figura 7 - Máquina utilizado para banho de ultrassom. 
Figura 8 - Peça utilizada para colocar os materiais no forno. 
Figura 9 - Material durante e depois de resinado. 
Figura 10 - Foto do resultado da Metalografia 
Figura 11 - Foto do resultado da Metalografia 
Figura 12 - Foto do resultado da Metalografia 
Figura 13 - Corpos de prova cortados 
Figura 14 – Escala de tamanho do corpo de prova 
 
2 Lista de tabelas 
 
Tabela 1 - Tensão máxima suportada pelo silício cristalino 
Tabela 2 - Propriedades de alguns materiais 
Tabela 3 - Programa do Forno 
 
 
 
 
 
 
 
11 
 
3 Apresentação 
 Através do processo de soldagem definido como solda branda, o grupo de 
Materiais (MAT) do Laboratório Nacional de Luz Síncrotron (LNLS) foi capaz de 
fabricar alguns dos componentes utilizados na fonte de luz síncrotron, ajudando a 
proporcionar avanços nas pesquisas feitas no laboratório. 
Este trabalho tem como intuito a avaliação da resistência mecânica das junções Si 
ligas metálicas obtidas por soldagem branda em alto vácuo realizadas em laboratório, 
visando a utilização dos espelhos de silício em instrumentação de luz síncrotron. Todo o 
processo de avaliação do material é feito no laboratório do grupo de materiais no LNLS, 
com a utilização de equipamentos específicos para os processos de soldagem que incluem 
equipamentos para metalografia e analise microestrutural (microscópios óticos), máquina 
para ensaios de tração e durometro de bancada para ensaios mecânicos. 
4 Introdução 
 Os componentes utilizados em instrumentação óptica devem apresentar 
propriedades que façam de seu uso uma vantagem, como no caso dos espelhos de silício 
que apresentam boa focalização, alta estabilidade térmica, reflexibilidade, filtragem por 
banda de energia e facilidade em obter superfícies com baixa rugosidade. Os metais, 
também muito utilizados para este tipo de instrumentação, apresentam ótimas 
características mecânicas e são bons condutores elétricos e térmicos [1]. 
 Um dos processos utilizados para a fabricação de componentes para 
instrumentação óptica é conhecido como soldagem branda em ultra alto vácuo, processo 
que permite a união de materiais que possuam propriedades físicas, químicas e mecânicas 
diferentes, como no caso da união de metais e cerâmicas. São utilizados ligas de adição 
apropriadas para uso em ultra alto vácuo e que sejam compatíveis com os materiais base, 
garantindo que a união química e mecânica sejam estáveis e resistentes, além de 
proporcionar estabilidade térmicas e elétrica na superfície da solda. Todas essas 
características alcançadas com o processo de soldagem branda viabilizam a utilização dos 
materiais no projeto de novos sistemas mecânicos complexos e de alta precisão. 
5 Revisão Bibliográfica 
 
5.1 Solda 
 O procedimento de soldagem, na maioria das vezes se utiliza de metais de 
enchimento para realização da solda, conhecidos também como ligas e, apresentam 
temperatura liquidus de até 450 °C. A solda se dá devido a uma fonte de calor que aquece 
a liga de adição até sua temperatura de fundição, e por ação da capilaridade, o material 
em estado líquido se espalha pela superfície a ser soldada, garantindo a ligação entre as 
superfícies quando a fonte de calor é retirada, fazendo com que o material volte ao seu 
estado sólido inicial [14]. 
 
12 
 
5.2 Criogenia 
Temperaturas criogênicas são muito utilizadas em casos onde é necessário se 
manter temperaturas baixas durante o funcionamento de algum processo, como no caso 
das máquinas de ressonância magnética. Dependendo do processo, é possível se manter 
a temperatura a níveis extremamente baixos durante um determinado período de tempo 
[15]. 
 Quando expostos a temperaturas negativas extremas, os materiais passam a 
apresentar diferenças em suas propriedades, alguns de forma mais agressiva e, outros nem 
tanto, como no caso do silício. Quando exposto a temperaturas negativas, na faixa de 
15K, equivalente a -258°C, o silício apresenta boas características em relação aos indicies 
de refração da luz e condutividade térmica, demonstrando ser capaz trabalhar em 
condições extremas, sem que haja mudanças em sua estrutura, evitando distorções 
durante o processo de reflexão da luz [16]. 
 
5.3 Eletrodeposição 
O processo de deposição de filmes finos de materiais apresenta aspectos que são 
importantes para estudos científicos, pode-se modificar as propriedades mecânicas e 
químicas de superfície, possibilitando a realização de estudos e aplicações mais 
específicos. Existem alguns modos de se realizar o processo de deposição, porém, grande 
parte deles necessitam de um ambiente controlado e, apresentam custos elevados de 
aplicação, o que impossibilita a utilização do mesmo em alguns casos [2]. 
A eletrodeposição de filmes é um processo que pode ser utilizado como opção aos 
outros métodos de maior custo, os equipamentos são de baixo custo, pode ser feito em 
temperatura ambiente, pressão atmosférica e requer potências baixas para que o processo 
de deposição ocorra. A camada de substância depositada pode ser variada de acordo com 
a potência aplicada durante a deposição, variando a espessura do filme desde poucos 
angstrons a alguns micrometros [2] 
 
5.4 Invar36 
Invar 36 é uma liga ferro-níquel que apresenta uma porcentagem de 36% de níquel 
em sua composição, seu coeficiente de expansão térmica é ínfimo se comparado com 
outras ligas, apresentando valores próximos a zero e, mesmoa temperaturas extremas, 
mantém sua resistência e tenacidade em níveis excelentes. Diante de tantas vantagens, o 
uso da liga de composição Fe-Ni é recomendado principalmente para processos que 
necessitam de qualidade e resistência [12]. 
6 Objetivos 
 Este projeto tem por finalidade analisar as junções de peças de silício com ligas 
de Fe-Ni-Co obtidas através de soldagem branda em alto vácuo pelo método de 
metalografia para futura aplicação em instrumentação óptica do projeto Sirius. 
13 
 
Como objetivos específicos deste projeto destacam-se: 
• Acompanhar e realizar todo o processo de preparação de amostras e 
soldagem branda; 
• Elaborar um plano de trabalho para realização da preparação metalográfica 
das amostras soldadas em diversas condições de obtenção (as soldas 
brandas foram realizadas em outro projeto); 
• Realizar o procedimento metalográfico em amostras de solda branda; 
• Avaliar e analisar os resultados obtidos por técnica metalográfica e 
inspeção por Microscopia óptica; 
 
7 Justificativas 
 A instrumentação científica precisa acompanhar os desafios propostos para cada 
novo projeto de pesquisa envolvendo inovação científica e tecnológica. Novos materiais 
devem ser unidos para garantir elevada condutividade térmica e elevada resistência 
elétrica e simultaneamente unido a outros materiais de fácil processamento. Neste 
sentido, a instrumentação associada à óptica de raios X é complexa e exige muito estudo 
envolvendo materiais, simulação e ensaios sob vários métodos de união. [1] 
 No projeto atual e em funcionamento, a liga de gálio-índio é utilizada para fixação 
do espelho de silício a base metálica de cobre. Como a liga de gálio-índio é um metal 
pesado e de baixa resistência mecânica, neste projeto será proposto uma alternativa ao 
modo de fixação de componentes de silício em substratos metálicos através do processo 
de soldagem branda em alto vácuo. [1] 
Deste modo, este projeto propõe realizar um conjunto de ações no sentido de 
desenvolver e dominar a técnica de união entre silício e metais estruturais. Além de 
fornecer informações para o Sirius, este trabalho também poderá contribuir e ser aplicável 
no avanço de pesquisas no meio acadêmico, interação entre as instituições envolvidas e 
de tecnologia de materiais e processos de fabricação que possam ser úteis à sociedade, 
como a qualificação de mão de obra especializada nas áreas de brasagem e a simulação e 
instrumentação de componentes para as linhas de luz. [1] 
A fim de atender os objetivos já mencionados, serão realizados neste projeto os 
itens 1 e 2: 
1) Identificar os materiais e definir os processos que melhor atendam as condições ideais 
de soldagem branda para instrumentação óptica. 
2) Análise microestrutural precisa para identificar a composição e morfologia das fases 
presentes na região de brasagem. 
 
14 
 
7.1 Soldagem Branda 
 Soldagem Branda é um processo de união que pode unir a maioria dos materiais 
ferrosos e não ferrosos com a utilização de um metal de adição, podendo ser metais ou 
ligas ferrosas ou não ferrosas a uma temperatura abaixo dos 450°C. As superfícies dos 
materiais base são mantidas muito próximas, com o aquecimento ocorre a distribuição do 
metal de adição por elas, e por ação da capilaridade reagindo com os materiais base são 
formados novos compostos no resfriamento. [5] 
 As faces dos materiais base quando em contato com o metal de adição na fase 
líquida estão passando pelo processo de capilaridade, e quanto maior o efeito da 
capilaridade, melhores são os resultados da solda branda. [5] 
 
7.1.1 Molhabilidade 
 A molhabilidade dos materiais (de um sólido por um líquido), que está relacionada 
com as interações interatômicas da superfície dos componentes e depende da quantidade 
de energia interfacial dos materiais é definida como a tendência de um fluido de se 
espalhar ou aderir sobre superfícies, através da interação entre as forças moleculares de 
cada material. [8]. 
 
7.1.2 Difusão Atômica 
 Em materiais sólidos existe o constante movimento dos átomos, esses átomos 
possuem energia de natureza vibracional que pode ser alterada com o controle de 
temperatura, quanto maior, mais fácil é a movimentação. Tal energia deve ser suficiente 
para que ocorra a quebra das ligações atômicas existentes com os átomos vizinhos, 
fazendo com que o mesmo migre para uma posição vazia na rede cristalina do material, 
causando uma distorção durante seu deslocamento. [5] 
 
7.1.3 Capilaridade 
 É denominada a capacidade que um metal em estado líquido tem de preencher as 
lacunas existentes entre os grãos dos materiais a serem soldados. No caso do processo de 
soldagem branda, o único material a ser fundido é o metal de adição, os materiais base 
não se fundem, apenas tem o espaço entre eles preenchido e penetrado pela liga fundida. 
 
7.1.4 Tensão Residual 
 Quando uma peça passa por algum processo em que forças externas ou variações 
de temperatura são aplicadas e em seguida removidas, pode acontecer o que é definido 
como tensão residual, que são as tensões que permanecem na peça mesmo após a remoção 
15 
 
dos agentes de variação. As principais causas de tensão residual são a ocorrência de 
deformações plásticas provenientes dos efeitos térmico e mecânico. [9] 
 Quando uma peça apresenta tensão residual de forma desordenada, as suas 
propriedades mecânicas podem ser alteradas, fazendo com que possíveis novos esforços 
levem o material a apresentar falhas. [10] 
 
7.2 Soldagem de difusão no estado sólido 
No processo de difusão no estado sólido, materiais são unidos por meio da 
aplicação simultânea de calor e pressão, de modo que as ligações entre eles sejam de 
ótima qualidade e precisão. O processo possibilita a união de metais dissimilares e a união 
de materiais de difícil soldabilidade com metais, que dificilmente podem ser unidos por 
soldas convencionais. 
O calor e a pressão agem em conjunto para provocar a migração (difusão) de 
átomos de um material no outro, o que possibilita a união dos dois materiais. O calor 
gerado pode ser controlado de acordo com a necessidade, mas nunca ultrapassando a 
temperatura de fusão dos materiais (entre 50-90% do ponto de fusão do material), de 
forma que apenas facilite a interação entre eles, já a pressão controlada, é utilizada para 
manter um contato íntimo entre os dois materiais por um período de tempo, garantindo 
uma difusão mais homogênea [5]. 
Além do cuidado que se deve ter com as superfícies dos materiais a serem unidos, 
como um bom acabamento e remoção de resíduos, o cuidado com o equipamento é um 
fator de suma importância. Existem alguns equipamentos no qual podem ser realizados 
os procedimentos de difusão, todos com controle de pressão aplicada e temperatura, 
alguns apresentam também a vantagem de se trabalhar com atmosfera controlada, 
possibilitando trabalhar com vácuo ou alguns gases de proteção, como argônio e hélio 
[5]. 
Outro fator importante a se considerar é o possível uso de camadas adicionais de 
material, materiais esses que podem estar na forma de revestimento ou folhas, muito 
utilizados para proteger ou adicionar propriedades na união entres os mesmos [6]. 
 
 
16 
 
Figura 1 – Peça utilizada para colocar os materiais no forno. 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017. 
 
Figura 2 – Forno de alto vácuo. 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017. 
 
7.3 Deposição de Filmes Finos 
 A deposição de filmes finos é utilizada para se aplicar uma película de material 
em uma superfície desejada na escala de medida entre nanômetros até micrometros. Esse 
procedimento é geralmente é realizado de forma química ou física, dependendo do melhor 
método para o processo em questão. Pode ser utilizado quando é preciso alterar algumas 
propriedades que o material base não possui, para proteção da superfície, melhorar a 
reação entre superfícies e alguns outros fatores que podem seralterados com a aplicação 
do filme. [11] 
 
7.3.1 Eletrodeposição de Cobre em Silício 
A eletrodeposição de cobre em silício feita por meio de banho eletrolítico é uma 
das técnicas utilizadas para obtenção de uma fina camada de cobre sobre o material silício. 
A solução eletrolítica de sulfato de sódio (Na2SO4) apresenta bons resultados na 
produção de filmes de cobre em silício, e modificando a sua concentração juntamente 
com a variação da concentração da solução de sulfato de cobre (CuSO4) e o potencial 
aplicado, pode-se ser obtido diferentes tipos de superfícies e espessuras na deposição do 
cobre no silício. [2] 
O processo de redução do Cu aplica-se apenas para potenciais negativos, de -0,40 
V em diante. Para potenciais positivos é observado que não existe nenhuma corrente 
17 
 
presente no processo, ou seja, não existe potencial entre o semicondutor e o metal, 
impossibilitando a dissolução da camada metálica depositada. 
Em experimentos realizados anteriormente [3] para uma solução de 0,104 M de 
sulfato de cobre e 0,5 M de sulfato de sódio para um potencial de redução de -0,50 V, foi 
possível obter uma espessura de 300 nm em 150s de deposição. (Uma camada de 30nm 
de níquel foi depositada na superfície para minimizar a oxidação do filme de cobre). 
 Em laboratório o processo o banho eletrolítico foi feito nos materiais invar36 e 
silício, onde uma camada de aproximadamente 4000 Angstron é depositada durante o 
período de 2 minutos em uma tensão de 0.1 A. Para a realização do processo, é utilizada 
uma gancheira para prender os materiais, um meio ácido, um eletrodo de cobre e 
movimentação através de um campo magnético. Itens demonstrado nas Figura 1. 
 
 
Figura 3 - Materiais utilizados para banho eletrolítico 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017. 
7.3.2 Deposição por pulverização catódica ou sputtering 
O processo de deposição por pulverização catódica (sputtering) tem como 
objetivo remover material de uma superfície através do bombardeamento de partículas 
energéticas de um plasma gasoso e então depositá-lo sobre o substrato que se encontra 
oposto a superfície bombardeada. 
 Para que o processo ocorra é necessário que a atmosfera seja controlada no interior 
da câmara de deposição e que o material esteja polarizado com uma tensão condizente a 
do plasma, isso fará com que o campo elétrico gerado acelere as partículas de alta energia 
em direção a superfície do material, provocando o choque entre os mesmos, podendo 
provocar a ejeção de partículas da superfície bombardeada. [7] 
 O uso desta técnica pode ser muito vantajoso, pois permite a utilização de uma 
grande variedade de materiais para a deposição, como Ouro, Titânio, Silício, Óxido de 
Silício e silicetos, além de possuir qualidades como deposição uniforme sobre áreas 
18 
 
relativamente grandes, controle preciso de espessura e deposição de multicamadas. 
Existem também algumas desvantagens, como alto custo do equipamento, alguns 
materiais podem apresentar taxas de deposição muito baixas ou até mesmo se degradam 
pelo bombardeamento de alta energia e pode ocorrer a incorporação de impurezas devido 
ao nível de pressões utilizadas no processo. [7] 
 
Figura 4 - Ilustração da técnica de sputtering 
Fonte: http://lnf-wiki.eecs.umich.edu/wiki/Sputter_deposition 
 
Magnetron Sputtering 
 Técnica de sputtering na qual são adicionados ímãs permanentes atrás do cátodo 
(superfície do material) com o intuito de criar um campo magnético que provoque um 
aumento na eficiência do plasma, aumentando a sua densidade, o que acaba por melhorar 
o processo de deposição de material no substrato (ânodo). A eficiência do processo de 
magnetron sputtering pode chegar a ser até quatro vezes maior do que pelo processo sem 
os imãs, isso devido a reação causada pelo maior número de colisões entre os elétrons 
produzidos pelo cátodo e os átomos do gás plasma, reduzindo a intensidade do 
bombardeio sobre o substrato, melhorando ainda mais a qualidade de acabamento. [7] 
19 
 
 
Figura 5 - Ilustração do processo de Magnetron Sputtering 
Fonte: http://www.directvacuum.com/sputter.asp 
7.4 Propriedades do Silício 
 Para uso no monocromador o silício utilizado possui planos atômicos definidos, 
mas para a realização dos experimentos foi utilizado um silício monocristalino não 
orientado. A utilização de silício se justifica pelas características que o mesmo apresenta 
quando na forma de espelho, reflexibilidade, focalização, filtragem por banda de energia, 
alta estabilidade térmica e facilidade em obter uma superfície com baixa rugosidade, são 
todos fatores que se destacam quando utilizados para instrumentação de luz sincrotron [1] 
e por se tratar de um material monocristalino é importante ressaltar o fato de ser um único 
cristal de silício puro em toda a extensão do material, não existem interrupções. 
 
Tabela 1 – Tensão Máxima suportada pelo silício cristalino 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Fruett, F.,Sensores Microeletrônicos IE012. UNICAMP, 2013 
20 
 
Tabela 2 – Propriedades de alguns materiais 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Fruett, F.,Sensores Microeletrônicos IE012. UNICAMP, 2013 
 
7.5 Propriedades do Invar36 
 Invar 36 é uma liga níquel-ferro que apresenta um baixo coeficiente de expansão 
térmica a altas temperaturas, mantendo suas dimensões originais estáveis. Tais 
especificações são muito importantes para o uso do material em processos que necessitam 
de alta precisão [12], como no caso da linha de luz sincrotron, onde as menores alterações 
na composição e estrutura dos materiais tem grande impacto nos resultados finais. 
 
7.6 Propriedades do SN100CV 
 A liga de adição SN100CV apresenta ponto de fusão próximo a 225°C e apresenta 
boas características para a realização de soldas, por isso o material é largamente utilizado 
em soldagens industriais que necessitem de boa qualidade química e física das 
propriedades do local da solda [13]. 
8 Método 
Este relatório parcial do projeto de pesquisa descreve as atividades desenvolvidas 
no primeiro semestre das atividades. Este projeto é essencialmente experimental, onde se 
espera obter resultados qualitativos sobre o desenvolvimento do processo de brasagem e 
caracterização microestrutural das amostras obtidas. 
Para os testes de soldagem branda de placas de silício os corpos de prova foram 
compostos por metal base, liga de adição e silício. Os metais base utilizados são ligas de 
Fe-Ni, denominadas por Invar36, que possui baixo coeficiente de expansão em 
temperaturas elevadas além de possuir boa resistência mecânica e tenacidade, e a liga de 
adição é SN100CV, garantindo uma boa qualidade na ligação química e física entre os 
materiais. 
 
21 
 
8.1 Instrumentos 
 Para a realização do experimento foram utilizados uma série de instrumentos, 
como máquina de Ultrassom LimpSonic para auxílio na limpeza do material, um forno 
de alto vácuo para a realização do processo de soldagem acoplado a uma bomba mecânica 
de palhetas rotativas XDS 35 Dry e uma bomba turbo molecular STO-603 do fabricante 
Edwards Vacuum para se atingir a pressão desejada dentro do forno. A caracterização 
microestrutural foi realizada com o uso de uma lixadeira Arotec Aropol 2V e uma politriz 
Pantec Polipan 2 utilizadas na realização da metalografia e para o estudo microestrutural 
utilizou-se um microscópio óptico ZEISS OBSERVER Z1M (Figura 6). Todos estes 
equipamentos foram utilizados no Grupo de Materiais do LNLS. 
 
 
Figura 6 – Microscópio óptico ZEISS 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017 
 
8.2 Materiais 
 Foram utilizados materiais específicos para certas tarefas do experimento, 
detergente alcalino para a limpeza dos materiais base, H2SO4 (Ácido Sulfúrico), H2O2 
(Peróxido de hidrogênio ou água oxigenada) para o processo de deposição, líquido 
polimerizante A2 e resina acrílica A1 combinados para a preparação da peça para a 
metalografia.Os materiais base utilizados são o Silício e Invar36, e entre as ligas de 
adição testadas, SN100C, SN100CV e ALCONANO. 
 
8.3 Procedimentos 
 
8.3.1 Início do projeto 
 Foi proposto um estudo da avaliação da resistência mecânica das junções 
silício/ligas metálicas obtidas por soldagem branda em alto vácuo para a utilização do 
material em instrumentos ópticos de última geração presentes no Laboratório Nacional 
de Luz Sincrotron (LNLS). Toda a pesquisa apresenta estrutura cientifica, buscando 
desenvolver processos de melhoria contínua na composição de componentes ópticos e 
seus espelhos para raio x. 
 
22 
 
8.3.2 Limpeza dos Materiais 
 Os materiais utilizados na realização dos ensaios (bases e ligas de adição) são 
submetidos a processos de limpeza para a eliminação de impurezas inorgânicas (óxidos) 
e orgânicas (gorduras) das superfícies do material que possam vir a interferir no 
experimento. Com a utilização de luvas durante todo o procedimento é aplicado um 
detergente alcalino para uma primeira limpeza, em seguida o material segue para um 
banho de ultrassom onde fica por um tempo pré-determinado de 10 minutos (demonstrado 
na Figura-6). 
 O processo de limpeza é extremamente importante para garantir que a realização 
do experimento ocorra dentro dos parâmetros desejados, evitando oxidações decorrentes 
da ação de agentes externos sobre a superfície do material. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 7 - Máquina utilizada para banho de ultrassom 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017. 
 
8.3.3 Processo de Deposição Eletrolítico 
Por possuir ótima condutividade térmica, é depositada uma camada de cobre 
sobre os materiais base, aumentando sua capacidade de condução de temperatura. 
 O processo de deposição é feito através de um banho eletrolítico em meio ácido, 
onde é depositado uma fina camada de cobre sobre a material base. Através deste meio 
ácido é aplicada uma tensão de 0.1 Ampere por um período de 2 minutos, desencadeando 
a reação do meio ácido com o eletrodo de cobre e o material. Os eletrodos devem ser 
posicionados de acordo com um campo magnético orientado para que o cobre seja 
depositado corretamente na superfície do silício e invar36, existe também a ajuda de uma 
força vibracional que garante a orientação correta das partículas de cobre no meio ácido. 
 
 
23 
 
8.3.4 Operação do Forno a Vácuo 
Para o ensaio de molhabilidade, as peças são colocadas dentro de um forno de alto 
vácuo, com uma pressão de 10-2 mbar criada por uma bomba mecânica e logo em seguida 
uma pressão de 10-5 mbar criada por uma bomba turbo molecular, processo esse que 
garante a não oxidação do metal de adição durante o processo de aquecimento e fusão. O 
posicionamento das peças deve ser feito de modo a garantir o contato entre o metal base, 
ligas de adição e o silício, e quem garante que isso ocorra é um suporte demonstrado na 
figura [10]. Para melhorar o contato ainda mais, uma carga de 200 kPa é posicionada 
sobre as peças, garantindo um contato ainda melhor entre as superfícies. 
 Para que exista um controle no processo de soldagem branda, existe um sistema 
de controle no forno pré-programado para operar em diferentes taxas, umas para o 
aquecimento e outra para o resfriamento, demonstrado na tabela [1]. Durante todo o ciclo 
térmico do processo, existe um patamar onde a homogeneização da temperatura ocorre e 
um segundo patamar onde a temperatura atingida é a ideal para que a solda ocorra em um 
tempo de 15 minutos. 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 8 - Peça utilizada para colocar os materiais no forno 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017. 
 
Tabela 3 - Programa do Forno [1] 
Taxa (°C/min) Temperatura (°C) Tempo (minutos) 
1 150 5 
1 270 15 
Inercial 24 --- 
 
24 
 
8.3.5 Preparação Metalográfica 
 Após o ensaio de molhabilidade foi realizado o procedimento de metalografia, que 
consiste no estudo da microestrutura do material. Foram utilizadas uma resina acrílica A1 
juntamente com o líquido polimerizante A2 para embutir a peça a frio, podendo então 
começar o preparo para a metalografia. Um processo de lixamento e polimento é feito em 
diversas fases até que a superfície esteja em condições de ser observada em microscópio 
óptico, onde são observados, tamanho da solda, tensões na superfície e porosidade. Por 
fim o material e os resultados da solda são arquivados em meio de fotos e documentos 
para comparação posterior com outras peças produzidas por outras variáveis do processo 
 
Figura 9 - Material durante e depois da aplicação da resina 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017. 
9 Resultados e Discussão 
 No desenvolvimento deste projeto, pretendeu-se identificar os materiais e definir 
os processos que melhor atendam as condições de soldagem branda para instrumentação 
óptica. [1] 
 No ensaio para soldagem branda dos materiais silício, invar36 e a liga de adição 
SN100CV em forno de alto vácuo com uma carga de 200 kPa, os resultados 
demonstraram que a interface da solda, se comparada com experimentos realizados 
anteriormente, apresenta características promissoras. Com a realização da metalografia 
da peça soldada, foi possível visualizar que a união destes três materiais é de boa 
qualidade, porém ainda apresenta uma porcentagem de porosidade na solda causada pelas 
tensões na interface de união, tensões essas que são indesejáveis (demonstrado na figura 
9, figura 10, figura 11). 
 
25 
 
 
Figura 10 – Foto do resultado da metalografia 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017 
 
 
Figura 11 – Foto do resultado da metalografia 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017 
 
26 
 
 
Figura 12 – Foto do resultado da metalografia 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2017 
 
 Nas figuras [10], [11] e [12] o cordão preto cortando a imagem ao meio é a 
interface de união dos materiais Silício e Inver36, onde é aplicado o material de adição 
SN100CV para que aconteça a união. Com a utilização do microscópio óptico para a 
análise, foram aplicadas diferentes porcentagens de zoom capaz de demonstrar a 
qualidade da solda que apontou a presença de pontos de porosidade. 
 Levando em conta o real uso ao qual o material será submetido, quando menor a 
presença de porosidades, melhor serão os resultados, por isso continuam os testes em 
busca de materiais que possibilitem uma melhor interação e possivelmente diminuição na 
quantidade de porosidade existente. 
 Os corpos de prova que seriam utilizados para a validação de dados da soldagem 
branda foram cortados como pode ser ver na figura 13 e figura 14, mas a metalização do 
material não pode ser realizada devido a indisponibilidade do laboratório de materiais, o 
que acabou não permitindo que os testes mecânicos de resistência da junta de solda 
fossem realizados. 
 
27 
 
 
Figura 13 – Corpos de prova cortados 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2018 
 
 
Figura 14 – Escala de tamanho do corpo de prova 
Fonte: Foto tirada no LNLS, 2018 
10 Cronograma do Plano de Trabalho 
 
 O cronograma demonstra a distribuição das atividades ao longo do tempo de 
execução do projeto, detalhando cada procedimento que foi ou deveria ter sido realizado 
durante os estudos. 
 
 
28 
 
DATAS OBJETIVOS 
 
Agosto-Outubro / 2017 
 
• Revisão bibliográfica; 
 
Novembro / 2017 – Janeiro/2018 
 
• Identificação dos materiais; 
• Elaboração de relatório; 
 
Fevereiro – Abril / 2018 
 
• Validação do processo de 
soldagem branda; 
• Elaboração do relatório; 
 
Maio – Julho / 2018 
• Avaliar a resistência das junções 
através de ensaios mecânicos; 
• Entrega do relatório completo 
sobre os procedimentos; 
 
 O processo de avaliação da resistência das junções através de ensaios mecânicos 
não pode ser realizado de acordo com o cronograma. Devido ao seguimento da agenda 
de fabricação dos componentes para o projeto Sirius, o laboratório de materiais do 
CNPEM não pode ser utilizado como esperado, impossibilitandoque os corpos de prova 
fossem preparados e posteriormente estudados. Deste modo, por falta de tempo, o 
projeto será encerrado com resultados parciais. 
11 Conclusão e considerações finais 
Analisando os resultados da metalografia da solda entre silício, Invar 36 e a liga 
de adição SN100CV em que é possível notar a presença de porosidade na solda, pode-se 
dizer que mesmo apresentando uma porcentagem de porosidade, se comparado com 
alguns experimentos anteriores em que foram utilizados materiais iguais ou semelhantes, 
os avanços na qualidade da solda são óbvios, deixando claro que talvez seja possível o 
uso do procedimento para a obtenção de materiais de qualidade para uso em 
instrumentação óptica de alta tecnologia e precisão. 
Os processos de deposição eletrolítica e metalografia apresentam um grau de 
dificuldade um pouco maior para serem realizados, são métodos que exigem maior 
29 
 
precisão e qualidade final das peças, por isso foi necessário o correto manuseio dos 
instrumentos e o domínio da teoria de cada procedimento. 
 Perto de sua conclusão, o projeto Sirius demanda muito tempo dos laboratórios do 
Centro Nacional de Pesquisa em Energia e Materiais (CNPEM), local onde os 
componentes que estarão presentes no acelerador de partículas são fabricados. Devido a 
indisponibilidade do uso do laboratório de materiais, não foi possível a realização de parte 
da segunda etapa do projeto, onde seria avaliada a resistência das junções através de 
ensaios mecânicos para validação dos dados do processo de soldagem e, por este motivo, 
os objetivos do estudo não foram atingidos por completo. Foi possível analisar a junção 
das peças de silício com as peças Fe-Ni-Cu através das etapas propostas no plano de 
trabalho, desde a identificação dos materiais e solda branda, até o processo de estudo 
metalográfico das superfícies soldadas para validação do processo de solda branda, 
porém, a avaliação da resistência das juntas de solda não pode ser realizada da forma 
esperada, impossibilitando a análise dos resultados que seriam obtidos com os ensaios. 
 Com os dados obtidos até o momento, é passível que um novo projeto seja 
realizado, de forma a dar continuidade aos procedimentos do projeto atual, buscando uma 
conclusão para a proposta de avaliação da resistência mecânica das junções Si ligas 
metálicas obtidas por soldagem branda em alto vácuo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
30 
 
12 Referências 
 
[1] Auricchio, M. M .B., Soldagem a Vácuo de Silício/ Ligas Metálicas para Aplicação 
em Instrumentação de Luz Síncrotron. Projeto de Mestrado UNICAMP, 2017. 
[2] MARTINS, Luiz Felipe de Oliveira. Eletrodeposição de Cobre em Silício tipo-n 
monocristalino. 1996. 101 f. Dissertação (Mestrado) - Curso de Pós-graduação em 
Física, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis, 1996. 
[3] FEDERAL, U.; CATARINA, S. Universidade Federal de Santa Catarina Centro de 
Ciências Físicas e Matemáticas Departamento de Física Curso de Pós-Graduação em 
Física Ligas Metálicas de Cu-Ni Eletrodepositadas em Silício Altamiro Quevedo 
Schervenski Ligas Metálicas de Cu-Ni Eletrodepos. 2000. 
[4] FRUETT, F. Sensores Microeletrônicos IE012 Sensores Mecânicos I. Physical 
Review IEEE Transac. on Electron. Devices J. Appl. Phys, v. 94, n. 734, 1954. 
[5] CALLISTER, W. D., Ciência e Engenharia de Materiais: Uma Introdução. John 
Wiley & Sons, Inc., 2002. 
[6] ASM handbook. (1984). 9th ed. Materials Park, Ohio: ASM International. 
Disponível em: < http://allaboutmetallurgy.com/wp/wp-content/uploads/2016/10/Metal-
Joining-Welding-Brazing-Soldering.pdf> Acesso em: 18 Novembro 2017; 
[7] SANTANA, R. J., Desenvolvimento de filme fino de a-Si:H por pulverização 
catódica para aplicações fotovoltaicas. Dissertação de mestrado UEMG, 2011. 
[8] Conceitos Fundamentais. PUC-Rio. Disponível em https://www.maxwell.vrac.puc-
rio.br/10663/10663_3.PDF. Acesso em: 25 Fevereiro 2018. 
[9] SOUSA, D. A., Determinação de Tensões Residuais em Materiais Metálicos por 
meio de Ensaio de Dureza. Programa de Pós-Graduação em Engenharia Mecânica 
UFSJ, 2012. 
[10] SANCHEZ, G. R., Estudo da Tensão Residual Durante o Processo de 
Fabricação de Cunhas para Protensão de estruturas. Relatório de Iniciação 
Científica Escola de Engenharia Mauá. 
[11] HUGHES, M. (2018). What Is Thin Film Deposition?. Semicore.com. Disponível 
em: http://www.semicore.com/news/81-what-is-thin-film-deposition. Acesso dia 25 
Fevereiro. 2018. 
[12] CITY SPECIAL METALS. Invar 36 / Alloy 36. Disponível em: <https://invar36-
csm.com/> Acesso em: 13 de junho de 2018 
[13] Safety Data Sheet (SDS) - SN100CV_A2067-NS_20150708. (2015). NIHON 
SUPERIOR. 
Disponível em: http://file:///C:/Users/cx20170501/Downloads/SN100CV.pdf Acesso 
em: 26 Fevereiro 2018. 
31 
 
[14] NASH, Chris. The Basics of Soldering. 2009. Disponível em: 
<https://www.smtnet.com/library/files/upload/basics-of-soldering.pdf>. Acesso em: 14 
jun. 2018. 
[15] ROSS, Ronald G. Refrigeration Systems for Achieving Cryogenic 
Temperatures. Disponível em: 
<https://www2.jpl.nasa.gov/adv_tech/coolers/Cool_ppr/Chap 6-Refrig Sys for Achiev 
Cryo Temps_2016.pdf>. Acesso em: 14 jun. 2018. 
[16] NITTA, Tom et al. Anti-reflection Coating for Cryogenic Silicon and Alumina 
Lenses in Millimeter-Wave Bands. 2014. Disponível em: <https://link-springer-
com.ez261.periodicos.capes.gov.br/article/10.1007/s10909-013-1059-3>. Acesso em: 
14 jun. 2018.