CC BY
258
УДК 655.33:621.382
С. Н. ЛИТУНОВ М. В. БАТИЩЕВА В. В. СКИТЧЕНКО О. Е. СЕРДЮК
Омский государственный технический университет
Омский научно-исследовательский институт приборостроения
ОСОБЕННОСТИ ЗАПОЛНЕНИЯ ПАСТОЙ ОТВЕРСТИЙ В ЗАГОТОВКАХ ИСС-МИКРОСХЕМ_
Анализируются способы заполнения пастой отверстий малого диаметра в заготовках, применяемых при изготовлении микросхем по ИСС-технологии. Предлагается вместо традиционных для этих изделий технологий заполнения отверстий применять трафаретную печать с использованием валика. Разработан алгоритм расчета и приведены результаты вычислительного эксперимента, показывающие возможность использования валика.
Ключевые слова: трафаретная печать, ИСС-технологии, вязкая жидкость.
В последние годы растет применение технологии низкотемпературной совместно спекаемой керамики (LTCC) при изготовлении микросхем. Эта технология применяется для ВЧ/СВЧ модулей, коммутационных трехмерных плат, смесителей, делителей, сумматоров мощности, фильтров, ВЧ-трансформаторов и др. Стоимость таких микросхем невысока относительно микросхем, изготовленных по технологии высокотемпературной совместно спекаемой керамики (HTCC). Тем не менее процесс изготовления микросхем по LTCC-технологии отличается высокой трудоемкостью и большими затратами. При этом брак в микросхеме часто удается обнаружить уже после завершения ее изготовления.
Для изготовления заготовок в LTCC-технологии применяют листовой материал, который представляет собой слой так называемой «зеленой» керамики (кристаллизованное стекло или смеси стекла и керамики), нанесенный на полимерную подложку — май-лар. Толщина листов может быть разной и определяется назначением микросхемы. В частности, фирма DuPont (Франция), предлагает керамику толщиной 4,5, 6,5, 10,0 миллидюймов (0,114, 0,165, 0,254 мм), а фирма FERRO (США) — 5,0 и 10,0 миллидюймов (0,127, 0,254 мм) [1]. В заготовках из нарезанных заранее листов керамики получают отверстия способом штамповки. Диаметры отверстий зависят от их назначения (передача электрического сигнала с одного слоя на другой, отвод тепла, экранирование). Отечественные стандарты рекомендуют следующие диаметры отверстий: 0,1, 0,15, 0,2, 0,25, 0,4, 0,5 мм.
Далее отверстия заполняют специальной пастой, состоящей из частиц металла (золото, серебро, палладий и их комбинации) и связующего. В зависимости от состава, размеров и концентрации металлических частиц вязкость пасты может доходить до 9500 Па'с [2]. Такая паста обладает высокой тиксо-тропностью. Минимальный диаметр отверстий в под-
111 111
4
ШШШШШ шшшшшш
ШШШ шшш
-
Рис. 1. Схематичное изображение отверстия: 1 — трафаретная форма; 2 — пластина-заготовка; 3 — отверстие в трафаретной форме; 4 — отверстие в заготовке; 5 — пленка-майлар
ложке рекомендуется выбирать равным толщине заготовки, так как отверстия меньшего диаметра сложны в заполнении. Одной из причин брака является образование полостей в отверстии при заполнении его пастой, что ведет к снижению электрических свойств или даже нарушению проводимости.
Для заполнения отверстий пастой используется несколько технологий, основанных на способе трафаретной печати. Паста должна заполнить отверстие, длина которого определяется толщиной керамической заготовки, майлара и трафаретной формы (рис. 1). Таким образом, длина полученного отверстия примерно в два раза превышает его диаметр. Для печати используют сеточные и фольговые печатные формы [3].
Использование сеточных форм более выгодно с экономической точки зрения. Однако печатающий элемент в сеточной форме перегораживается нитями сетки, что повышает гидравлическое сопротивление течению пасты.
Применение фольговых форм при большом количестве слоев ведет к снижению экономических показателей. Но для получения наилучшего результата необходимо все-таки использовать фольговые печат-
5
Рис. 2. Заполнение пастой отверстия после однократного прохода плоским ракелем: паста вязкостью 1200 Пас; диаметр отверстия 0,2 мм; материал подложки — органическое стекло толщиной 0,3 мм; ракель полиуретановый, жесткость 80 ед. по Шору; скорость движения ракеля 0,05 м/с; угол наклона ракеля 75°
ные формы. Основа фольговой печатной формы представляет собой металлическую фольгу (нержавеющая сталь, медь, латунь) толщиной от 50 мкм, в которой печатающие элементы могут быть выполнены с помощью лазера, травлением или механическим способом.
1. Трафаретная печать с применением плоского ракеля. Недостатком использования плоского ракеля является то, что заполнение отверстия пастой происходит порционно, за несколько проходов. На рис. 2 показано отверстие, лишь частично заполненное пастой после одного прохода плоского ракеля. Стрелкой отмечено направление движения ракеля. При заполнении отверстия пастой в несколько проходов возможно попадание воздуха в толщу пасты, что ведет к браку.
Кроме того, давление, достаточное для течения пасты через отверстие, развивается непосредственно возле точки контакта между ракелем и печатной формой, что уменьшает время течения [4].
2. Трафаретная печать с использованием вакуума. Для увеличения эффективности заполнения отверстий пастой применяют вакуум. С этой целью на плиту с вакуумными отверстиями укладывают лист пористой бумаги, а сверху — заготовку с отверсти-
ями и трафаретную форму. При печати в плиту подают вакуум.
Такой способ позволяет заполнить отверстие за один проход ракеля. К недостаткам этого способа можно отнести следующее. Величина вакуума подбирается исходя из требования надежного заполнения самых малых отверстий на заготовке. Гидравлическое сопротивление течению в малых отверстиях выше, чем в более крупных, поэтому для них такой вакуум оказывается избыточным. При этом возможно просасывание воздуха через уже заполненные отверстия. Кроме того, недостатком является повышенная сложность оборудования.
3. Трафаретная печать с применением валика. Известно использование валика для заполнения отверстий в ИБ1-платах. Однако эта технология «... до сих пор полностью не введена ни на одном предприятии как основная» [5]. Кроме того, об использовании валиков в ЬТСС-технологии, упоминаний не встречается. На рис. 3 схематично показано заполнение отверстий пастой с помощью валика.
При использовании валика гидродинамическое давление описывается более пологой кривой, чем при использовании плоского ракеля. Это позволяет увеличить время течения пасты в отверстии. Подробно это явление описано в [6]. Опыты показали, что течение начинается после того, как давление в слое пасты перед валиком превысит некое минимальное значение Рмин, которому соответствует максимальное расстояние Ь (показаны на рис. 3).
макс > 1 '
При использовании валика его скорость должна быть определена также исходя из требования надежного заполнения самых малых отверстий на заготовке. В этом случае в более крупных отверстиях также развивается избыточное давление, но оно компенсируется пористой бумагой. При этом паста в отверстии движется сплошным потоком и воздух в нее не попадает.
Таким образом, применение валика для заполнения пастой отверстий в заготовке является предпочтительным. При этом важным является разработка научно обоснованных рекомендаций по скорости движения валика в зависимости от вязкости пасты и диаметра минимального отверстия.
В работе исследуется возможность использования валика для заполнения весьма вязкой пастой отверстий малого диаметра. Для этого проводили вычислительный эксперимент, для которого был разработан следующий алгоритм:
— расчет давления в рабочем слое пасты;
••Печатный стол
Рис. 3. Схематичное изображение заполнения отверстий пастой с помощью валика
Рис. 4. Распределение давления в рабочем слое: скорость движения валика 0,05 м/с; диаметр валика 0,04 м
Рис. 5. Устройство для определения минимального давления, необходимого для течения пасты через отверстие
— определение минимально давления, необходимого для течения пасты в отверстии;
— определение скорости движения пасты в отверстии и уровень его заполнения под действием рассчитанного давления;
— определение оптимальной скорости движения валика, при котором отверстие заполняется пастой за один проход.
Для расчета количества пасты, прошедшей через отверстие, была использована программа FlowVision, в которой реализовано численное решение уравнение Навье — Стокса в системе с уравнением неразрывности. При разработке модели были сделаны следующие допущения:
— валик абсолютно жесткий. Это допущение объясняется тем, что в качестве облицовки валика должна применяться твердая резина, которая необходима для работы с высоковязкой пастой;
— течение в пасты считаем ламинарным, что обосновывается высокой вязкостью пасты и низкой скоростью движения валика;
— паста представляет собой ньютоновскую жидкость, так как во время движения валика она подвергается интенсивному перемешиванию и ее внутренняя структура полностью разрушена.
Кроме того, длина валика намного больше его диаметра, что позволяет рассматривать течение в плоскости, перпендикулярной оси вращения валика, то есть перейти к плоской задаче.
Рис. 6. Отверстие диаметром 0,1 мм в майларе
Рис. 7. Поле векторов скорости течения пасты в отверстии диаметром 0,1 мм
Для расчета приняты следующие значения:
— вязкость пасты принята 1500 и 2800 Па'с (соответствует вязкости пасты 6141 фирмы DuPont, которая рекомендована для заполнения отверстий);
— скорость движения валика 0,05 м/с (одно из значений, рекомендованных фирмой KEKO Equipment Ltd. (Slovenia), для заполнения отверстий);
— валик имеет диаметр 40 мм.
Расчет проводили для наименьшего из рекомендованных отверстия диаметром 0,1 мм. Высота отверстия определялась толщиной заготовки, майлара и печатной формы (0,1, 0,5 и 0,5 мм соответственно) и составила 0,2 мм. Результат вычислений приведен на рис. 4, где приведено распределение давления в слое пасты перед валиком. Начало координат поме-
Рис. 8. Эпюра средних по времени скоростей для пасты вязкостью 1500 и 2500 Па*с
щено в точку соприкосновения валика и печатной формы.
Для определения Рмин был проведен опыт, в котором использовали метод, показанный в [7]. На рис. 5 показано устройство для определения Рмин.
Устройство состоит из основания 1, поршня 2, планшайбы 3, винтов 4, прокладки 5, пластинки с отверстиями 6. Между планшайбой 3 и основанием 1 с помощью винтов 4 закрепляют образец с отверстиями 6. В отверстие основания 1 закладывают пасту. Устройство в сборе одевают отверстием на поршень. Далее с помощью мерных грузов увеличивают давление на основание и визуально, с помощью микроскопа, определяли начало течения пасты через образец.
В качестве пластинки 6 использовали пленку-майлар, в которой способом штамповки были получены отверстия диаметром 0,1 мм. Одно из них показано на (рис. 6).
Полученное при проведении опыта давление приводили к одному отверстию. Определенное таким образом давление Рмин составило 1,06 1 05 Па для пасты вязкостью 1500 Па^с (точка А на рис. 4) и 1,4405 Па для пасты вязкостью 2500 Па^с (точка Б на рис. 4). Паста вязкостью 1500 Па^с течет в отверстии за время, которое проходит валик расстояние 0,0015 м, то есть за 0,03 с, а паста вязкостью 2500 Па^с — за время, которое валик проходит расстояние 0,001 м, то есть 0,02 с.
Для определения количества пасты, которое пройдет через отверстие за это время была построена модель течения вязкой пасты через отверстие для программы FlowVision. Расчетное распределение скоростей в отверстии диаметром 0,1 мм показано на рис. 7.
Далее были построены эпюры средних по времени скоростей в поперечном сечении отверстия для пасты вязкостью 1500 и 2500 Па^с (рис. 8). На рисунке показана половины эпюры. Вторая половина симметрична пунктирной относительно линии.
Далее линии профилей аппроксимировали с помощью стандартной функции Ехе1 и после интегрирования получали время заполнения пастой отверстия. Выражения для интегрирования показаны ниже.
V1 500
V^500
(0,0000021+0,001x + 0,0231x2 )dx
f ,00005 0
(0,000003+0,0014x + 0,06341x2 )dx,
случаях это больше, чем время течения пасты при скорости валика 0,05 м/с. То есть при этой скорости паста не заполнит отверстие полностью.
Для заполнения отверстий необходимо использовать более высокую скорость валика, при которой развивается более высокое давление в пасте. Используя показанную методику, была рассчитана скорость валика диаметром 0,04 м для надежного заполнения отверстия диаметром 0,1 мм пастой, которая составила 0,2 м/с. Этой скорости достаточно, чтобы заполнить и другие, более крупные отверстия.
Таким образом, проведенный вычислительный эксперимент показал возможность использования валика при заполнении вязкой пастой отверстий малого диаметра в заготовках при изготовлении микросхем по LTCC-технологии. Применение валика для заполнения отверстий позволит снизить время на операцию по заполнению отверстий и повысить качество заполнения.
Полученные данные рекомендованы к использованию на радиотехнических предприятиях г. Омска и других городов, где имеется производство микросхем по LTCC-технологии.
Библиографический список
1. Руководство по разработке продуктов на основе многослойных керамических плат, выполненных по LTCC-техно-логии [Электронный ресурс]. — Режим доступа : www.atcera-mics.com. — Загл. с экрана (дата обращения: 03.02.2015).
2. Product Lines [Электронный ресурс]. — Режим доступа : http://www.dupont.com. — Загл. с экрана (дата обращения: 03.02.2015).
3. Чигиринский, С. Особенности трафаретной печати и сборки в стек на оборудовании КЕКО [Электронный ресурс] / С. Чигиринский, Ё. Штупар // Электроника НТБ. — 2010. — № 3. — Режим доступа : http://www.electronics.ru/journal/ article/47. — Загл. с экрана (дата обращения: 03.02.2015).
4. Dietrich, E. Riemer. Analitical Engineering Model of the Screen Printing Process, part II / Dietrich, E. Riemer // Solid Technology. - 1988. - September. - P. 85-90.
5. Балашов, И. Технологии заполнения переходных отверстий в производстве HDI-плат / И. Балашов // Технологии в электронной промышленности. - 2014. - № 4. - С. 30-35.
6. Литунов, С. Н. Основы теории и расчета печатных аппаратов трафаретных машин с ракелем валкового типа : дис. ... д-ра. технич. наук : 05.02.13 / С. Н. Литунов. - М., 2008. -191 с.
7. Glinski, G. P. A non-Newtonian computational fluid dynamics study of the stencil printing process / G. P. Glinski, C. Bailey, K. A. Pericleous // Proc Instn Mech Engrs. - 2001. -Vol.215. - Part C. - P. 437-447.
где х — расстояние от отверстия до точки касания валика с поверхностью печатной формы. Верхний предел в интеграле соответствует радиусу отверстия.
Для пасты вязкостью 1500 Па^с расчетное время, необходимое для заполнения пастой отверстия диаметром 0,01 мм и длиной 0,2 мм, составило 0,037 с, а для пасты вязкостью 2500 Па^с — 0,028 с. В обоих
ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), профессор, заведующий кафедрой «Оборудование и технологии полиграфического производства» Омского государственного технического университета (ОмГТУ). БАТИЩЕВА Марина Васильевна, инженер Омского научно-исследовательского института приборостроения.
СКИТЧЕНКО Виктория Викторовна, студентка гр. ТП-312 нефтехимического института ОмГТУ. СЕРДЮК Ольга Евгеньевна, студентка гр. ТП-312 нефтехимического института ОмГТУ. Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11, ОмГТУ, каф. ОиТПП.
Статья поступила в редакцию 09.04.2015 г. © С. Н. Литунов, М. В. Батищева, В. В. Скитченко, О. Е. Сердюк
