CC BY
8
УДК 655.33 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-47-54
СОЗДАНИЕ МОДЕЛИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ГРАФИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАФАРЕТНОЙ ПЕЧАТИ
Х.А. Хилаль, Н.Е. Проскуряков, В.Ю. Юрков, С.Н. Литунов
Приведены результаты расчетов, позволяющих прогнозировать изменение ширины проводников, полученных способом трафаретной печати с помощью печатного устройства повышенной точности. Так, при скорости движения дозирующего ракеля, равной 20 см/с при использовании сетки PET 1500 150/380.31 минимальное рас-тискивание, которого можно достичь, составляет около 4 мкм. Нулевое растискива-ние будет получено при скорости 10 мм/с и при угле наклона дозирующего ракеля 81°. При использовании сетки PET 1500 165/380.31 нулевое растискивание буюет достигнуто при той же скорости и угле наклона дозирующего ракеля, равном 86°. Для нулевого растискивания при использовании сетки, плотностью 140 нит./см необходимо выдерживать скорость 2-6 см/с при угле наклона дозирующего ракеля 90-105°, а при использовании сетки плотностью 180 нит./см - скорость должна быть в диапазоне 2-18 см/с при угле наклона 92-105°.
Ключевые слова: трафаретная форма, печатная электроника, растискивание проводников.
При изготовлении радиоэлектронных компонентов методами печатной электроники важным является снижение геометрических искажений, возникающих вследствие деформации печатной формы под действием ракеля [1]. Для снижения таких искажений предложено использовать трафаретное печатное устройство [2], в состав которого входит дозирующий и цилиндрический ракели (рис. 1).
Направление печати Дозирующий ракель Форма
□ Цилиндрический Паста Сетка -/
_______ ракель / ________
- Запечатываемая
подложка
Рис. 1. Схема трафаретного устройства с дозирующим и цилиндрическим ракелями
Вторым, не менее важным фактором, является отклонение толщины напечатанных проводников относительно ширины печатающего элемента, который принято называть растискиванием. Этот показатель зависит, во-первых, от толщины сетчатой основы печатной формы, и, во-вторых, от степени заполнения ячеек сетчатой основы печатной пастой перед переходом пасты на подложку.
Толщина сетчатой основы выбирается на этапе подготовки печатного процесса и зависит от требований к ширине и толщине воспроизводимых проводников. То есть во время печатного процесса толщина сетки является параметром постоянным. А величина заполнения ячеек сетки является величиной переменной и зависит от скорости движения и угла наклона дозирующего ракеля.
Теория. При изготовлении электронных компонентов используют сетки высокой плотности. В частности для получения токопроводных дорожек LTCC-микросхем применяют сетки плотностью 150 нит./см и 165 нит./см. В табл. 1 приведены основные характеристики сеток, наиболее часто применяемых в LTCC-технологии. Приведенный радиус в данном случае означает радиус окружности, вписанной в открытое пространство ячейки.
Таблица 1
Характеристики применяемых сеток _
Артикул Приведенный радиус ячейки, мкм Толщина сетки, мкм
PET 1500 150/380.31 16,5 63
PET 1500 160/420.31 13,3 62
В работах [3, 4] приведена методика расчета заполнения ячеек сетки пастой. Расчет проводился только для углов наклона дозирующего ракеля 75-80° и 100-105°. Скорость проникновения пасты через ячейку сетки определяли из закона Пуазейля [5]:
¥={Р1-Р2)Г2/41ц,
где V — скорость течения краски; г — радиус отверстия; (Р1-Р2) —давления на входе в ячейку и выходе из нее; л — динамическая вязкость жидкости; I — высота ячейки.
Давление, под действием которого паста течет через сетку, меняется от минимального до максимального и обратно. На рис. 2 показан пример распределения давления, действующего на ячейки сетчатой основы, при прохождении дозирующего ракеля. В расчете давление принимали постоянным и равным средннему значению распределенного давления.
Давление, Па
Рис. 2. Распределение давления в пасте при прохождении дозирующего ракеля, расположенного под углом 45° к поверхности формы
В табл. 1 и 2 приведены расчетные данные, показывающие проникновение пасты в ячейку сетки. В таблицах приведены значения проникновения пасты парами «больше/меньше» толщины сетки. Это обусловлдено тем, что остальные значения проникновения пасты не представляют интереса для получения продукции с минимальными растискиванием ширины проводников.
Таблица 1
Расчетные значения проникновения пасты через ячейки сетки PET 1500150/380.31, мкм_
Угол наклона дозирующего ракеля, градус Скорость дозирующего ракеля, см/с
2 5 10 20
Величина проникновения модельной жидкости через ячейки сетки № 150.31, мкм
65 70.8
85 57.7 63.1
95 59.6 63.4
105 58.4 64.6
115 57.9
Из таблиц видно, что расчеты выполнены с относительно большим шагом, что объясняется сложностью и количеством проведенных экспериментов [6]. Для получения зависимости растискивания от степени заполнения ячеек сетки пастой,
необходимо получить величину заполнения ячеек также и между рассчитанными значениями проникновения. Расчет таких значений проводили с помощью методов математической статистики.
Таблица 2
Расчетные значения проникновения пасты через ячейки сетки PET 1500 165/420.31, мкм_
Угол наклона дозирующего ракеля, градус Ско рость дозирующего ракеля, см/с
2 5 10 20
Величина проникновения модельной жидкости через ячейки сетки № 165.31, мкм
65 64.7 71.6
85 52.0 56.7 63.5
95 54.8 62.2
105 54.4
Поскольку экспериментальное определение величины проникновения пасты в ячейку затруднено малыми размерами ячеек (30-33 мкм в плане и 62-63 мкм по высоте), был проведен эксперимент по определению растискивания напечатанного проводника относительно размеров печатающих элементов на трафаретной форме. Численные значения результатов опытов представлены в табл. 3 и 4. Опыты проводили при тех значениях скорости и угла наклона дозирующего ракеля, при которых получаются наилучшие результаты. Заполнение табл. 3 и 4 соответствует проведенным опытам.
Таблица 3
Результаты опытов с применением сетки 150.31_
Угол наклона дозирующего ракеля, градус Скорость дозирующего ракеля, см/с
2 5 10 20
Растискивание ширины проводника. Сетка № 150.31, %
65 10.43 19.38
85 3.21 6.12 16.65
95 4.83 9.69
105 4.81
Таблица 4
Результаты опытов с применением сетки 165.31
Угол наклона дозирующего ракеля, градус Скорость дозирующего ракеля, см/с
2 5 10 20
Растискивание ширины проводника. Сетка № 165.31, %
65 8.26 12.08
85 2.51 4.33 12.41
95 3.04 8.34
105 2.49
Однако на практике при установке параметров печати может получиться так, что растискивание будет превышать допустимые значения. В этом случае необходимо провести коррекцию угла наклона дозирующего ракеля. Это значит, что существует необходимость прогнозирования увеличения ширины напечатанных проводников на основании уже полученных результатов, то есть без проведения дополнительных опытов.
Построение прогнозирующих моделей основывалось на следующем принципе: результат, полученный по наблюдаемым и расчетным данным на заданной области изменения параметров, остается структурно неизменным и параметрически подобным на
интервале прогноза. Это означает, что никаких принципиальных изменений эффекта растискивания на интервале прогнозирования не возникает. Возможно только монотонное изменение величины растискивания.
Для построения прогнозирующих моделей использовали подходы нефизического моделирования с четкой и нечеткой параметрической идентификацией, которые в результате привели к схожим результатам.
В первом подходе зависимость величины растискивания от скорости движения ракеля, угла наклона дозирующего ракеля и параметров сетки (приведенного радиуса ячейки) рассматривалась как статическая с полным информационным базисом. Это позволило построить две структурно идентичные и параметрически подобные алгебраические модели Fi5o(v, ф, r = 16.5, A) для сетки PET 1500 150/380.31 и Fi65(v, ф, r = 13.3, B) для сетки PET 1500 165/420.31. Здесь v - скорость движения ракеля, ф - угол наклона дозирующего ракеля, r - приведенный радиус ячейки, A = (a1, ..., аб) и B = (Ы, ..., Ьб) - векторы коэффициентов. Обе модели представляют собой полные полиномы 2-й степени. Для оценки коэффициентов использовался метод наименьших квадратов. Визуализация моделей в виде семейств линий уровня в области 2 < v < 20, 65 < ф < 105 показана на рис. 5 и рис. 6.
На втором этапе был организован поиск зависимостей ai = fi(bi, r) или bi = gi(ai, r), которые объединяли модели F150 и F165 в одну F(v, ф, r). Общая модель F предполагалась линейной по параметру r.
Во втором подходе предположение о линейности по параметру r заменялось предположением о систематически нелинейно изменяющихся коэффициентах множества возможных зависимостей ai = fi(bi, r) и bi = gi(ai, r). Класс этих зависимостей ограничивался полиномами 2-й степени из априорных соображений о невозможности существования участков немонотонности и тем более разрывов этих функций.
Приняв за шаг экстраполяции разницу приведенных радиусов ячеек сетки, т. е. h = 16.5 - 13.3 = 3.2, построили прогнозирующие зависимости для интервала ближайших значений приведенного радиуса: 10.1 < r < 19.7. Множества прогнозирующих зависимостей образуют «веер» по каждому коэффициенту. Чтобы ограничить размах вееров отношение разницы максимальной и минимальной величины растискивания к шагу h принимали не превышающее 0,1.
В третьем подходе зависимости ai = fi(bi, r) и bi = gi(ai, r) описывались нечеткими (треугольными) функциями, линейными или параболическими 2-й степени. Результатами явились линейные или параболические полосы в координатах «шаг-коэффициент». Параметры «треугольных» коэффициентов (amin, amid, amax)i и (bmin, bmid, bmax)i можно варьировать в зависимости от погрешности экспериментальных данных.
Результаты и обсуждение. Методика расчетов и описание программного обеспечения для интерполяции результатов приведены в [7]. Были получены расчетные поверхности с линиями равных значений, построенных на основании предварительно полученных расчетных и экспериментальных данных (рис. 3 - 6).
SO 6D 70 BD 90 1« 110
Рис. 3. Расчетные значения проникновения пасты в ячейки сетчатой ткани PET 1500 150/380.31
50
50 60 70 80 SO 100 110
УГОЛ,"
Рис. 4. Расчетные значения проникновения пасты в ячейки сетчатой ткани PET 1500 165/420.31
Угол, градус
Рис. 5. Расчетные значения растискивания ширины проводников, полученные на основании экспериментальных данных с помощью сетчатой ткани PET 1500 150/380.31
Угол, градус
Рис. 6. Расчетные значения растискивания ширины проводников, полученные на основании экспериментальных данных с помощью сетчатой ткани PET 1500 165/420.31
Лини, показанные на рисунках, представляют собой линии равных значений проникновения пасты в ячейки и растискивания проводников при разных значениях углов наклона и скорости движения дозирующего ракеля.
При назначении параметров печатного процесса определяющей будет скорость движения дозирующего ракеля, которая будет зависеть от времени, потребного на изготовление партии продукции. Так, например, если необходимо изготовить партию
51
изделий 5000 шт., то оптимальной будет максимальная скорость из указанного диапазона, то есть 20 см/с. Если печать выполняется на сетке PET 1500 150/380.31, то минимальное растискивание, которого можно достичь, будет составлять около 4 мкм. Нужно ометить, что нулевое растискивание в этом случае невозможно. Это означает, что для печати больших партий изделий необходимо использовать меньщую скорость, например, 10 мм/с. Этой скорости будет соответствовать угол наклона дозирующего ракеля, равный 81°.
При использовании сетки PET 1500 165/420.31 для тех же условий максимальная скорость дозирующего ракеля будет составлять 14 см/с при угле наклона 85°. Как и в предыдущем случае, при скорости 20 см/с нулевого растискивания достичь будет невозможно.
В качестве другого примера рассмотрим ситуацию, когда для печатания партии изделий с использованием сетки PET 1500 165/420.31 назначена скорость 10 см/с. Тогда для получения нулевого растискивания нужно устанавливать угол наклона дозирующего ракеля 86°.
В случае если необходимо использовать сетки, имеющие плотность нитей, отличную от указанных, можно воспользоваться результатами прогноза растискивания, сделанными на основания экспериментальных данных с сетками PET 1500 150/380.31 и PET 1500 165/420.31. В результате трех различных подходов моделирования и прогноза были получены сходные результаты, визуальные аналоги которых в виде полос неопределенности возможных положений линий уровня показаны на рис. 7 и 8.
Скорость, см/с
Рис. 7. Прогнозируемые значения растискивания ширины проводников для сетчатой ткани PET 1500 140.31
Скорость, см/.с
Рис. 8. Прогнозируемые значения растискивания ширины проводников для сетчатой ткани PET 1500180/457.31
Из рисунка видно, что для нулевого растискивания при использовании сетки, плотностью 140 нит./см необходимо выдерживать скорость 2-6 см/с при угле наклона дозирующего ракеля 90-105°, а при использовании сетки плотностью 180 нит./см - 2-18 см/с при угле наклона 92-105°. Из этого можно заключить, что при увеличении плотности сетки при получении нулевого растискивания диапазон скоростей и углов наклона дозирующего ракеля будет увеличиваться, а при уменьшении - снижаться. Этот вывод подтверждается практикой - чем меньше плотность сетчатой основы печатной формы, тем больше растискивание напечатанных элементов.
Таким образом, значения значения растискивания проводников, полученные расчетнным путем, позволяют в производственном процессе пронозировать значение растискивания методами интер- и экстраполяции для сеток PET 1500 150/457.31 и PET 1500 165/457.31, а так же растискивание для сеток разной плотности.
Список литературы
1. Рудак Ю.А. Влияние трафаретной печатной формы на качество печати при изготовлении LTCC-плат / Ю.А. Рудак, М.В. Батищева // Омский научный вестник. № 2 (130). 2014. С. 244-248.
2. Пат. 85399 Российская Федерация, МПК B41F 15/34. Устройство для трафаретной печати / С. Н. Литунов, Д. С. Филатов. - № 2009108674/22; заявл. 10.03.2009; опубл. 10.08.09, Бюл. № 22.
3. Расчет глубины заполнения ячейки сетчатой основы в трафаретном устройстве повышенной точности / Литунов С.Н., Хилаль Х.А., Матар Т.Ф., Бочкарева С.С. В сборнике: Полиграфия: технология, оборудование, материалы. Материалы X научно-практической конференции с международным участием. 2019. С. 141-147.
4. Technological process modeling for ink filling in the high accuracy screen printer mesh Hilal H.A., Litunov S.N., Belkova S.V., Bochkareva S.S., Trifonova E.N. В сборнике: Journal of Physics: Conference Series. XIII International Scientific and Technical Conference "Applied Mechanics and Systems Dynamics". 2020. С. 012095.
5. Лойцянский Л.Г. Механика жидкости и газа. М.: Дрофа, 2003. 840 с.
6. Хилаль Х.А. Сравнительный анализ результатов вычислительного и натурного экспериментов по определению давления в трафаретном печатном устройстве повышенной точности / Х.А. Хилаль, С.Н. Литунов, Н.Е. Проскуряков // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. № 6. 2019. С. 312-321.
7. Проскуряков Н.Е., Пустовгар А.С. Автоматизированная система экспериментатора / Тул. гос. ун-т, Тула, 1997. Депонированная рукопись, ВИНИТИ, 13.04.98, № 1084-В98. 10 с.
Хилаль Хайсам Ареф, аспирант, haitham.hilal@mail.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Проскуряков Николай Евгеньевич, д-р техн. наук, профессор, vippne@,mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Юрков Виктор Юрьевич, д-р техн. наук, профессор, viktor_ yurkov@mail. r, Россия, Омский государственный технический университет,
Литунов Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, litunov-sergeyy@rambler.ru, Россия, Омск, Омский государственный технический университет
53
CREATING A MODEL FOR PREDICTING THE GRAPHIC CHARACTERISTICS OF A
STENCIL PRINTING
H.A. Hilal, N.E. Proskuriakov, V.Y. Yurkov, S.N. Litunov
The results of calculations that make it possible to predict the change in the width of the conductors obtained by screen printing using a high-precision printing device are presented. Thus, when the speed of movement of the dosing device is 20 cm / s when using the PET 1500 150/380.31 mesh, the minimum spreading that can be achieved is about 4 microns. Zero spreading will be obtained at a speed of 10 mm / s and at an angle of inclination of the metering squeegee of 81°. When using the PET 1500 165/380.31 grid, zero spreading of the buoy is achieved at the same speed and angle of inclination of the metering squeegee, equal to 86°. For zero spreading when using a mesh with a density of 140 nit. / cm, it is necessary to produce a speed of 2-6 cm/s at an angle of inclination of the dosing squeegee of90-105°, and when using a mesh with a density of 180 nit./cm, the speed should be in the range of 2-18 cm / s at an angle of inclination of92-105°.
Key words: screen form, printed electronics, conductor spreading.
Hilal Haitham Aref, postgraduate, oitpp@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Proskuriakov Nikolay Evgenievich, doctor of technical sciences, professor, vippne@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Yurkov Victor Yurevich, doctor of technical sciences, professor, viktor_yurkov@mail.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Litunov Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, litunov-sergeyy@rambler.ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 778.14.072 DOI: 10.24412/2071-6168-2021-5-54-57
ДИФФУЗИОННЫЙ ПЕРЕНОС В ГАЛОГЕНСЕРЕБРЯНЫХ МАТЕРИАЛАХ
О.В. Демьянов
В статье рассматриваются особенности галогенсеребряных материалов, работающих за счет диффузионного переноса. Описываются принципы формирования изображения для процессов, основанных на переносе серебра и на переносе красителя.
Ключевые слова: галогенсеребряные материалы, диффузионный перенос, реакция, проявление, перенос серебра, перенос красителя.
Копирование с диффузионным переносом - это способ контактного копирования, осуществляющийся за счет проникновения веществ из передающего слоя в приемный в процессе обработки экспонированного репрографического носителя [1].
В работе с галогенсеребряными материалами особый интерес представляют способы диффузионного переноса, которые могут разделяться на две категории: с переносом серебра и с переносом красителя.
