JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)

学術論文
マイクロ波磁場加熱による低耐熱基板上への電子部品実装
Electric component mounting on low heat-resistant substrate using magnetic fieldheating of microwaves
金澤 賢司 1、渡邉 雄一 1、中村 考志 2、 西岡 将輝 2、宮川 正人 2、植村 聖 1*
Kenji Kanazawa1, Yuichi Watanabe1, Takashi Nakamura2, Masateru Nishioka2,
Masato Miyakawa2, Sei Uemura1*
１. 産業技術総合研究所 センシングシステム研究センター、2.産業技術総合研究所 化学プロセス研究部門
1. 〒305-8565 茨城県つくば市東 1-1-1, 2. 〒983-8551 宮城県仙台市宮城野区苦竹 4-2-1
1. National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 1-1-1, Higashi, Tsukuba, Ibaraki,305-8565, Japan
２. National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, 4-2-1, Nigatake, Aoba-ku, Miyagi,
983-8551, Japancorresponding author*, e-mail address: sei-uemura@aist.go.jp
キーワード: マイクロ波磁場加熱、シングルモードマイクロ波、選択加熱、はんだ、電子部品実装、低耐熱性基板
Keywords: microwave dielectric heating, single-mode microwave, selective heating, solder, electric component,
low heat-resistant substrate
Abstract
Microwave (MW) heating techniques have been paid attention by many technological researches and developers because MW
dielectric heating is selective and rapid. However, metals cannot be heated by the electric field because of the spark phenomenon.
We developed novel MW soldering system by using cylindrical cavity and single-mode TM110 mode that separate electric andmagnetic field distribution of MW. Furthermore, we developed a novel short-time melting technology for solder paste using MW
dielectric heating. In particular, we found that only solder paste on polyethyleneterephtalate (PET) substrate can absorb MW
energy, and can be melted without damage on the substrate using the developed system. Furthermore, we succeeded in mounting
a temperature and humidity sensor array using the novel MW heating system without damage to the electric component andelectric circuits of the device. The distortion of PET substrate was less than 0.01 %.
1. 緒言
本論文では、マイクロ波の磁場加熱による低耐熱基

近年、人と動物さらには機械など身の回りのあらゆ板上への電子部品実装技術に関して報告する。

るものがインターネットにつながれる「モノのインタ6

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ーネット(IoT, Internet of Things)」と呼ばれる仕組み剤や新規な加熱方法の研究開発が求められている。導が注目を浴びている[1-3]。特に IoT を活用した IoT デ電接着剤においては、はんだの代替材料として、低温硬バイスには、スマートグリッド、スマートホーム、セン化型導電性高分子接着剤が開発されてきた[13]。しかしサー、アクチュエーターなど様々な応用分野があり、多ながら、接着性や導電性などがはんだに劣ること、プロ岐にわたって研究開発が盛んに行われている[3-10]。こセス時間が長く、材料およびプロセスコストが高いこ

れら IoT デバイスは、遠隔操作で情報交換および制御、とから、はんだが未だ主流である。一方、金属の加熱方

さらには人や動物などの健康状態のモニタリングを、法としては、これまでにレーザー[14-16]、プラズマ放ネットワークを通してオンデマンドで行うことができ

電[17-19]、熱風[20]、マイクロ波[21-26]を用いた加熱る。例えば、センサー応用においては、センサーを体に方法が報告されている。特に、はんだ加熱においては、張り付けた際に違和感なく、体の動きを制限されるこ

従来の熱風によるリフロー加熱は全体を一括で加熱でとなく健康状態をモニタリングする必要があるため、きる一方で昇温・予備加熱・本加熱・冷却プロセスの４柔軟性および伸縮性を有するデバイスが必要である[4-工程が必要であり、長時間のプロセス工程を要する。加7]。このような背景から、さまざまな機能を有する IoT

えて、従来のリフロー加熱プロセスを Fig. 1 左図に示デバイスへの応用を目指し、テキスタイルやプラスチ

すように低耐熱性基板を使って従来の赤外リフロー炉ック基板などのフレキシブル基材やストレッチャブルによるデバイス全体の加熱を行うと、基板が歪んでしな熱可塑性エラストマー樹脂上などに IC(integratedまう。また選択加熱として温風スポット加熱で実装しcircuit)チップや受動部品を実装するデバイス技術開発た際も、部品への風の当たり具合で加熱ムラが生じるが求められている。しかし、従来の工業的なはんだ実装などの課題がある。一方でマイクロ波加熱は、選択的にでは低温・短時間の場合でも 170 ℃以上、300 秒程度短時間で材料の内部が加熱されるため、有機および無の加熱プロセスが必要であるため、フレキシブル基材機合成などにも使われてきた[24-26]。特にマイクロ波であるポリエチレンテレフタレート(PET)のような耐加熱は電子レンジとしてよく知られているが、これは、熱性の低い材料は基材として使用できない[11,12]。

マイクロ波の電場によって誘電体分子を振動させて、このような背景から、近年、低温実装可能な導電接着

その摩擦熱で物質の温度を上昇させる誘電加熱というFig. 1: Conventional (left) and novel (right) mounting processes.

7

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Fig. 2: Simulation of electric field (left) and magnetic
field (right) distribution in the cavity.

Fig. 3: MW heating system.

原理を利用しており、短時間・選択的・効率的に物体を2.方法加熱することが可能である。このような特徴から、我々

2-1. マイクロ波加熱装置の概略

は低耐熱性基板へのセンサー等の電子部品実装に向け、

Fig. 2 に 2.45 GHz 帯の円筒型空胴共振器(Cavity)をマイクロ波加熱に着目し、Fig. 1 右図に示す新規なマ用いたマイクロ波照射装置の搬送機構および空胴共振イクロ波加熱実装プロセスを考案した。マイクロ波加器内での電界、磁界を COMSOL Multiphysics ソフト

熱は、これまでも様々な物体の加熱・乾燥装置に使われウェア[28-30]でシミュレーションした分布図を示す。ており、有望な技術として注目されている。しかしなが本装置では、スパークの発生を防ぐため、空胴共振器

ら、電子レンジに代表される一般的なマイクロ波照射内に特定のマイクロ波定在波を形成するシングルモー法であるマルチモードを用いた方法で導体を含む基材

ドマイクロ波照射技術を用いて、電界成分と磁界成分を加熱すると、マイクロ波中の電場と電極などの金属のエネルギー分布を固定した。とくに、円筒型空胴共振が作用し、スパーク（放電）が発生し電極の破壊や基材器を用いて TM110 と呼ばれる定在波を形成することにの燃焼が起こるという課題がある。一方、シングルモーより、Fig. 2 に示した円筒の中心軸に磁界成分のみをドとよばれる特定の定在波を閉じ込めるマイクロ波照集中させ、基板搬送経路上の電界成分を限りなく小さ

射では、電場と磁場の極大となる領域を分離することくすることで、照射対象への電界の影響を大幅に低減が可能であり[27]、我々は照射するマイクロ波周波数をできる。また、Fig. 3 に空胴共振器を用いた凌和電子社

自動制御することで、常に安定した定在波を形成する製のマイクロ波照射装置の構成図を示す。これは制御制御技術を開発し、化学プロセスへの適用を行ってき装置④から指示された周波数のマイクロ波を発振器⑤た[25-27]。

により発振させ、増幅器⑥により加熱に必要な電力にそこで我々は、この技術を発展させ、マイクロ波の局増幅する。その後、増幅器を保護するアイソレータ⑦と所的な選択加熱という特徴を活かしつつ、スパークを反射波を抑制するための整合器⑧を介し、半径74 cm、抑制する方法として、電界成分が極小となる部分には高さ 80 cm サイズの円筒型の空胴共振器⑨にマイクロんだ付き基板を搬送導入し、磁界成分により加熱する波を導入できるよう構成されている。空胴共振器側壁

ことで、基板のダメージなしに、はんだを溶融させ、セには、定在波の形成状況を監視できる電磁界センサー

ンサーなどの電子部品を実装する技術の開発を行った。

③と加熱対象物の温度を計測する Argo 社製のサーモ8JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)―ビュアーPI200 が設置してある。制御回路は円筒空胴共振器の中心軸水平面に設置した被加熱対象物に電場が作用しないよう、電磁界センサーの信号をもとにFig. 2 に示す TM110 モードの定在波が形成される共振周波数を 1 秒おきに自動的に導出するよう構成している。
本実験では 2.45±0.05 GHz、最大出力 100 W を用いた。磁界が集中する円筒中心軸上にポリイミド製のシFig. 4: Photo of solder paste before MW heating (left)ートを配置し、円筒内部に加熱サンプルを搬送した。サ

and after MW heating (right).

ンプルの表面温度は、サーモビュアーにて測定した。
140

2-2. 試薬

Temperature (oC)

スズ―ビスマス系の低融点のはんだペースト L20BLT5-T7F (Sn 42.0/Bi58.0)は、千住金属株式会社から購入し、使用した。導電性銀ペースト REXALPHA はトーヨーケム株式会社から購入し、使用した。
2-3. 温湿度センサーの実装および温湿度測定方法

120100Solder
PET substrate

806040温湿度センサーアレイシート用の電極パターンは、
2010 cm 角の PET 基板上に導電性銀ペーストをスクリー0ン印刷し作製した。その後、はんだペーストをステンシ

12345Time (s)ル印刷し、電極パターン上にはんだを形成し、はんだ上にデバイスとして 3×3 個のセンシリオン社製の SHT-Fig. 5: Temperature of solder pattern (black line) and

31 温湿度センサー(温度精度: ±0.3℃、湿度精度: ±0.2%)

PET substrate (red line) by MW heating on PETを設置した。シートの設置後に、出力 100W で 3 秒間

substrate. The area of solder pattern is 1 x 1 cm2.

マイクロ波照射を行い、温湿度アレイシートを作製した。また、温度および湿度は、日置電機株式会社製のに設置した後、出力 100 W で 5 秒間マイクロ波加熱をDC シグナルソース SS7012 およびセンシリオン社製行った。Fig. 4 はマイクロ波加熱前後のはんだペーストのの温湿度アナログモジュール SHTDA-2 を用い、測定外形である。Fig. 5 は、出力 100 W で 5 秒間マイクロ波加した。また、マイクロ波実装した温湿度センサーである

熱を行った際のはんだペーストおよび PET 基板の温度変SHT-31 の温湿度の比較として、同社製の SHT-35(温化を示したものである。Fig. 4 右図より、出力 100 W でマイ

度精度: ±0.2℃、湿度精度: ±1.5%)を用いた。

クロ波照射により、溶融していることが確認された。これは、Fig. 5 より、はんだペーストが融点である 140℃に達したか3. 結果と考察らである。また、マイクロ波照射では PET 基板全体の温度3-1. はんだペーストのマイクロ波加熱特性があまり上昇していないことが分かった。これより、PET 基

Fig. 3 に示したマイクロ波リフロー炉を試作し、マ板の歪み等のダメージも見られなかった。

イクロ波リフロー炉内でスズ―ビスマスからなる融点が 140 ℃の低融点はんだペーストを PET 基板上にブ3-2. マイクロ波加熱によるはんだ実装

レードコート法により 1 x 1 cm2 (厚み：58 m)のサン

Fig. 6(a)は、マイクロ波を用いて PET 基板上に実装したプルを作製した。作製したサンプルを空洞共振器中央温湿度センサーチップの概形である。また Fig. 6(b)および

9

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Table 1 Room temperature and humidity of sensors.

Fig. 6(c)は、Fig. 6(a)に示すセンサーとソルダーペースト接合(赤色四角)部のマイクロ波加熱前後の拡大写真である。

Temperature

Humidity[℃][%]

SHT-35 a23.6

53.3

SHT-31 b

24.0

50.0

SensorFig. 7 は、マイクロ波加熱によるセンサー実装時のセンサー部および PET 基板の温度測定の結果である。Fig. 7 に示すように、出力 100 W によるマイクロ波加熱 3 秒時では、はんだペーストは 145 ℃まで到達し、Fig. 6(c)のように溶融した。一方で、PET 基板の温度があまり上昇せずに基a Reference. b Component by MW heating.

板ダメージが小さいことも確認された。一般的な加熱リフロー炉や電気炉を用いたプロセスでは、はんだ溶融にTable 2 Properties of substrate temperature and

300 秒程度かかるが、マイクロ波加熱では微小領域を選

heating time, and distortion of PET substrate by択に加熱できるため、今回は 3 秒という短時間ではんだconventional and MW heating.

が溶融し、センサーチップの実装が完了した。

Substrate

Heating

Distortion

temp.

timeof PET

[℃]

[s]

[%]

Conventional> 170> 3000.2MW30a<30.01

Heating
process(b) Before(a)(c) AfteraTemperature didn’t change by MW heating.
Table 1 に今回マイクロ波実装した SHT-31 と比較センサーである SHT-35 の温湿度測定の結果をまとめる。温湿度センサーSHT-35 の温湿度は、23.6 ℃、53.3 %であっ
Fig. 6: (a) Photo of sensor. Photo of closeup solder

たのに対し、マイクロ波加熱で実装した温湿度センサー

paste (b) before MW heating and (c) after MW

SHT-31 の温湿度は、24.0 ℃、50.0 %であった。以上よheating (bottom). White bar is 1 cm scale.

り、マイクロ波加熱実装した際にも、センサーが機能していることがわかった。
また、Table 2 に従来の電気炉による加熱プロセス実Temperature (oC)140

SolderPET substrate

装および、今回のマイクロ波加熱プロセス実装におけ120る基板温度、加熱時間、基板歪みの結果をまとめる。耐100

熱温度 120 ℃の PET 基板に通常のリフロープロセス

80を適用した場合、0.2 %の歪みが生じた。これは、10 cmの基板を用いた場合に、最大 200 m のズレが生じる60ことを意味している。また 200 m というのは、今回40用いたセンサーチップの配線の幅と同程度であるため、20012設計と配線の位置関係が完全にずれてしまい使用でき3ない。一方、今回開発したマイクロ波リフロー炉では、Time (s)PET 基板は加熱されず、加熱時間も 3 秒と短時間であFig. 7: Temperature of sensor (black line) and PETるため、PET 基板の歪み量を 0.01 %と、従来リフローsubstrate (red line) in-situ mounting sensor by MW

方式と比べ歪み量を 1/20 と大幅に改善することができ

heating.

10

JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)(a)た。これにより、10 cm の距離においてズレは最大 10m まで低減でき、100 m 間隔の配線にもほとんど影響がなかった。以上より、マイクロ波加熱によるはんだ溶融技術が実装プロセスとして有用できることが示唆された。
Fig. 8(a)は、10 cm 角の PET 基板上に 3×3 個の温湿度センサーアレイシートに 3 個のセンサーを本技術で(b)実装したものである。Fig. 8(b)は、Fig. 8(a)のセンサシートを出力 100 W でマイクロ波加熱した際のサーモカメラ画像である。マイクロ波加熱は、サンプルをキャビティ内に固定し行った。Fig. 8(b)より、はんだおよびセンサー部分が 145 ℃位まで到達し、はんだの溶融が確認された。また、PET 基板は加熱されていなかったた
め、熱ダメージも見られずに横一列に並べたセンサー3個を同時に搭載することが出来た。Fig. 9(a)は、さらに上段下段も同様にマイクロ波加熱実装で作製したセンサーシートの概形である。Fig. 9(b)は、動作確認として、3×3 個の温湿度センサーアレイシートの中央下のセンサーに手を当てた際に、取得した湿度(左図)および温度

Fig. 9: (a) Photo of a thermo-hygro sensor sheet made(右図)のマッピング画像である。温湿度マッピング結果

by MW heating. A closeup photo is a thermo-hygroからわかるように、手を当てた際に湿度および温度がsensor. (b) Images of humidity (left) and temperature

上昇し、湿度マッピング画像では赤色、温度マッピング(right) mappings during holding a hand above theでは黄緑色に変化した。このことから、マイクロ波加熱

sensor sheet. White bar is 1 cm.

で実装したセンサーが問題なく動作していることが確認できた。

以上より、短時間で選択的にはんだを溶融する技術
がセンサーや PET 基板にダメージを与えることなくフレキ(a)(b)

シブルデバイス実装に利用できることが明らかとなった。
今回、我々が開発したマイクロ波加熱による短時間で選択的にはんだを溶融する技術は、フレキシブル基板に電子部品を実装できる技術といえる。
4. 結論
低耐熱性基板へ電子部品を実装する際、従来のはんだの加熱方式では 300 秒以上の長時間加熱が必要で、基板歪みが生じてしまう問題があった。今回、我々は搬送面状に磁界を集中させて導体をスパークなく加熱でFig. 8: (a) Photo of a thermo-hygro sensor sheet madeきるマイクロ波照射技術と、はんだ接合部分を選択的by MW heating. (b) Thermography of a thermo-hygroにマイクロ波により加熱する技術を開発した。
3 秒以内

sensor sheet before MW heating (top) and in-situ MW

ではんだ溶融が完了し、従来の 1/20 の基板歪み量で低heating on PET substrate (bottom). White bar is 1 cm.

耐熱性基板へのデバイス実装ができた。今回開発した

11

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技術は、センサーなどの IoT デバイスを布や伸縮性のK. Chen, A. Peck, H. M. Fahad, H. Ota, H. Shiraki,

ある素材上に実装する技術開発やデバイス開発への発D. Kiriya, D.-H. Lien, G. A. Brooks, R. W. Davis,展につながることが期待される。

A. Javey, “Fully integrated wearable sensor
arrays for multiplexed in situ perspirationanalysis”, Nature, 529 (2016), 509–514.

5. 謝辞
本研究は国立研究開発法人産業技術総合研究所の上10. K. Parida, JQ Xiong, XR. Zhou, PS. Lee, “Progress

野尚子氏の技術的サポートのもと行われた。ここに謝on triboelectric nanogenerator with stretchability,

意を表します。

self-healability

andbio-compatibility”,

Nano

Energy, 59 (2019), 237–257.
11. M. Abtew, G. Selvaduray, “Lead-free solders in

引用文献
1.

L. Atzori, A. Iera, “The Internet of Things: Amicroelectronics”, Mater. Sci. Eng. Rep., 27survey”, Computer Networks, 54 (2010), 2787–(2000), 95–141.

2805.

12. K. Suganuma, SJ. Kim, KS. Kim, “High-2. J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic, M. Palaniswami,

temperature lead-free solders: properties andpossibilities”, JOM., 61 (2009), 64–71.

“Internet of things (IoT): A vision, architecturalFuture

13. Y. Li, C. P. Wong, “Recent advances of conductive

Generation Computer Systems, 29 (2013), 1645–adhesives as a lead-free alternative in electronic

1660.

packaging: materials, processing, reliability andelements,andfuturedirections”,applications”, Materials Science and Engineering:

3. A. Al-Fuqaha, M. Mohammadi, M. Aledhari, M.

R: Reports, 51 (2006) 1–35.

Ayyash, “Internet of things: A survey on enabling
technologies, protocols, and applications”, IEEE
4.

14. C. R. Deckard, “Part generation by layer-wiseCommun. Survey. Tut., 17 (2015), 2347–2376.

selective laser sintering. M. Sc. Thesis”, The

M. Stoppa, A. Chiolerio, “Wearable electronics

University of Texas at Austin, Austin, USA,and smart textiles: A critical review”, Sensors, 14(1986).

(2014), 11957–11992.
5.

15. E. C. Santos, M. Shiomi, K. Osakada, T. Laoui,

M. Amjadi, KU Kyung, I. Park, “Stretchable,“Rapid manufacturing of metal components byskin-mountable, and wearable strain sensors

laser forming”, Int. J. Mach. Tools Manuf., 46

and their potential applications: A review”, Adv.

(2006), 1459–1468.

Funct. Mater., 26 (2016), 1678–1698.
6.

16. D. D. Gu, W. Meiners, K. Wissenbach, R. Poprawe,

TQ. Trung, NE. Lee, “Flexible and stretchable“Laserphysical sensor integrated platform for wearable

components:

human-activity

personalmechanisms”, Int. Mater. Rev., 57 (2012), 133–164.

healthcare”, Adv. Mater., 28 (2016), 4338–4372.

17. M. Omori, “Sintering, consolidation, reaction and7. M. Parrilla, M. Cuartero, GA. Crespo, “Wearable

crystal growth by the spark plasma system (SPS)”,

monitoringandpotentiometric ion sensors”, TrAC Trends inadditive

manufacturing

materials,ofprocesses

metallicandMater. Sci. Eng. A, 287 (2000), 183–188.

Analytical Chemistry, 110 (2019), 303–320.

18. Z. Shen, M. Johnsson, Z. Zhao, M. Nygren, Sparkplasm sintering of alumina, J. Am. Ceram. Soc.,

8. Q. Pei, P. Brochu, “Advances in DielectricElastomers for Actuators and Artificial Muscles”,

85 (2002) 1921–1927.

Macromol. Rapid Commun., 31 (2010), 10–36.

19. H. Queudet, S. Lemonnier, E. Barraud, J. Guyon,

9. W. Gao, S. Emaminejad, H. Y. Y. Nyein, S. Challa,

J. Ghanbaja, N. Allain, E. Gaffet, “One-step12

JEMEA Journal Vol.3 (2019.9)

consolidation and precipitation hardening of an

J. Sousa, “3D electromagnetic field simulation inultrafine-grained Al-Zn-Mg alloy powder by spark

microwave ovens: a tool to control thermal

plasma sintering”, Mater. Sci. Eng. A, 685 (2017),

runaway”, Proceedings of COMSOL Conference,

227–234.

Paris, France, (2010).

20. T. N. Tsai, “Development of an integrated reflow

29. J. Robinson, S. Kingman, D. Irvine, P. Licence, A.

soldering control system using incremental

Smith, G. Dimitrakis, D. Obermayer, C. Kappe,

hybrid process knowledge”, Expert Systems with

“ElectromagneticApplications, 28 (2005), 681–692.

heating experiments using reaction vessels madesimulations

ofmicrowave

out of silicon carbide”, Phys. Chem. Chem. Phys.,

21. M. Oghbaei, O. Mirzaee, “Microwave versus
conventional sintering: a review of fundamentals,

12 (2010), 10793–10800.

advantages and applications”, J. Alloys Compd.,

30. H. Nigar, G. S. J. Strum, B. Garcia-Baños, F. L.

494 (2010), 175–189.

Peñaranda-Foix, J. M. Catalá-Civera, R. Mallada,

22. R. R. Mishra, A. K. Sharma, “Microwave-material

A. Stankiewicz, J. Santamaria, “Numericalinteraction phenomena: heating mechanisms,

analysis of microwave heating cavity: Combining

challenges

electromagnetic energy, heat transfer and fluid

andopportunities

inmaterialprocessing”, Compos Part A, 81 (2016), 78–97.

dynamics for a NaY zeolite fixed-bed”, Applied

Thermal Engineering, 155 (2019), 226–238.

23. D. E. Khaled, N. Novas, J. A. Gazquez, F.
Manzano-Agugliaro,“Microwavedielectricheating: applications on metals processing”,

Renew. Sust. Energ. Rev., 82 (2018) 2880–2892.

Manuscript

24. C. O. Kappe, “Controlled microwave heating inreceived:

May 29, 2019

modern organic synthesis”, Angew. Chem. Int.

Revised: Aug. 9, 2019

Ed., 43 (2004), 6250–6284.

Accepted: Aug. 26, 201925. M. Nishioka, M. Miyakawa, H. Kataoka, H. Koda,
K. Sato, T. M. Suzuki, “Continuous synthesis ofmonodispersed silver nanoparticles using ahomogeneous

heating

microwave

reactorsystem”, Nanoscale, 3 (2011) 2621–2626.
26. M. Miyakawa, N. Hiyoshi, M. Nishioka, H. Koda,
K. Sato, A. Miyazawa, T. M. Suzuki, “Continuous
syntheses of Pd@Pt and Cu@Ag core-shell
nanoparticles using microwave-assisted core
particle formation coupled with galvanic metal
displacement”, Nanoscale, 6 (2014), 8720–8725.
27. M. Nishioka, M. Miyakawa, K. Sato, A. Miyazawa,T. M. Suzuki, “Thermometer-free detection andcontrol of temperature for microwave-assisted
flow reactions”, Chem. Lett., 42 (2013), 1096–1098.
28. T. Santos, L. C. Costa, M. A. Valente, J. Monteiro,

13