CC BY
399
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014
УДК 655.227:621.37/39
Ю. А. РУДАК М. В. БАТИЩЕВА
Омский государственный технический университет
ВЛИЯНИЕ
ТРАФАРЕТНОЙ ПЕЧАТНОЙ ФОРМЫ
НА КАЧЕСТВО ПЕЧАТИ
ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ИСС-ПЛАТ
В данной статье рассмотрено влияние трафаретной печатной формы на процесс печати и получения качественного рисунка топологии на керамических платах ИСС. Произведен расчет обратимого удлинения сетчатого трафарета и сформулированы выводы по результатам полученных данных.
Ключевые слова: трафаретная печать, трафаретная печатная форма, ИСС-плата, обратимое удлинение.
Известно, что трафаретная печать является сложным технологическим процессом, зависящим от большого числа переменных, которые включают в себя аппаратные средства, программное обеспечение, материалы, а также факторы, связанные с самим процессом. Технология трафаретной печати успешно используется при производстве LTCC-плат.
В настоящее время LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) технология успешно развивается и применяется для производства ВЧ и СВЧ устройств. Технология производства LTCC устройств состоит из следующих операций. Сырая керамика раскатывается, формируется и разрезается на листы фиксированного размера. Далее отбирается необходимое количество листов заданной толщины с требуемым значением диэлектрической проницаемости. В листах пробивается необходимое количество отверстий для межслойных проводящих переходов. Затем способом трафаретной печати отверстия заполняются специальным проводящим составом и наносится рисунок топологии. После этого выполняется сборка многослойной структуры подложки. Вся структура подвергается термообработке, в результате чего происходит ее спекание. После на поверхность верхнего и нижнего слоев наносится проводящий рисунок, а также резистивные элементы. Затем, после операции финального обжига и механической обработки, подложка становится полностью готовой для поверхностного монтажа навесных компонентов [ 1].
Таким образом, технология трафаретной печати в производстве LTCC-плат, заключается в заполнении отверстий и нанесении рисунка топологии. Принцип трафаретной печати изображен на рис. 1. После процесса совмещения трафарета с подложкой происходит заполнение отверстий проводящей пастой при помощи ракеля. Эта технология делает возможным изготовление соединений одного слоя с другим через заполнение отверстий. Обычным диаметром являются отверстия 250 мкм, 150 мкм, но также возможно и 100 мкм, что является требованием для ВЧ применения. На следующем этапе трафарет используется для печати рисунка топологии проводящей пастой, а также резисторов или обкладок конденсаторов на керамическую подложку. В стандартной технологии тра-
Рис. 1. Принцип трафаретной печати:
1 — давление ракеля;
2 — направление движения ракеля; 3 — паста;
4 — ТПФ; 5 — рама; 6 — подложка;
7 — напечатанная структура; 8 — зазор; 9 — ракель;
10 — фиксатор подложки; 11 — основание
фаретной печати достигается линейное разрешение 100 мкм (ширина проводник/зазор) [2].
Точность печати и получение размеров ширины проводников и зазоров ЬТСС-плат 100 мкм и менее в особенности зависит от трафаретной печатной формы и способа ее изготовления. Поэтому выбор оптимальных параметров трафаретных печатных форм (размер рамы, материал сетки, количество ячеек/дюйм (меж), копировальный слой) является необходимым для достижения прецизионного рисунка.
Учитывая прецизионность рисунка, для изготовления трафаретных печатных форм (ТПФ) рекомендуется использовать металлические сетки 325 — 400 меж (ячеек/дюйм). Согласно практическим исследованиям они позволяют получать более точный графический рисунок и подходят по реологии применяемых паст. Сетки с меньшим количеством ячеек/дюйм не обеспечивают точность размеров ширины проводник/ зазор 150 мкм, 100 мкм.
На качество изготовления прецизионного трафарета оказывает влияние процесс натяжения сетки, способ изготовления ТПФ, а также условия экспонирования.
Натяжение сетки лучше производить ступенчатым методом, постепенно увеличивая давление от 2 до 5 бар, проверяя значения натяжения с помощью тензометра в нескольких точках трафарета. Значения натяжения должны соответствовать 16е 28 Н/см.
от 5 до Юмамдлетрофарсто^ООмсж Рис. 2
Если использовать ТПФ, изготовленные с помощью жидкой фотополимерной композиции (например, ЖФПК Plus 8000 фирмы MacDermid Autotype, Великобритания) [3], невозможно получить ровные края проводника (рис. 2), потому что при этом методе изготовления ТПФ ячейки сетки или полностью открыты, или полностью закрыты, т.е. получение структур, пересекающих ячейки, невозможно (рис. 3а). Ячейки сетки заполняются эмульсией, чувствительной к ультрафиолетовому излучению. При экспонировании через фотошаблон эмульсия затвердевает, а незасвеченные места селективно растворяются. По данным группы компаний ЗАО «Остек» для ТПФ с сеткой 325 меж неровность края («зигзаг») составляет от 20 до 30 мкм, а для ТПФ с сеткой 400 меж — от 5 до 10 мкм [4].
Для уменьшения данного эффекта следует соотносить конфигурацию дорожек и направление нитей сетки в трафаретной форме (стандартно используемые углы: 0 и 45°). Следует применять максимальное количество совпадений углов элементов топологии рисунка и нитей трафаретной печатной формы.
При изготовлении ТПФ с использованием капиллярных светочувствительных пленок (например, пленка Capillex фирмы MacDermid Autotype, Великобритания) [3] этот эффект отсутствует, за счет того, что капиллярные пленки экспонируются на пленочном основании и только после проявления в размягченном состоянии переносятся под давлением на сетку. После сушки растворяется пленочное основание. Следовательно, этим методом можно получать структуры, пересекающие ячейки (рис. 3 б). Но такие трафареты в основном непригодны для тонких рисунков за счет дополнительной толщины пленки [5, 6].
Качество элементов отображения на ТПФ в большей степени зависит от условий экспонирования. При изготовлении прецизионных трафаретов степень полимеризации фотокопировального слоя, ко-
торая обеспечивается оптимальным временем экспонирования трафарета, как правило, недостаточна и не обеспечивает устойчивости его в растворителях при очистке. Уменьшение ширины линий на трафарете в сравнении с размером на фотошаблоне зависит от увеличения времени экспонирования, а увеличение ширины линии обусловлено недостаточным временем экспонирования и частичным разрушением края контура рисунка при проявлении. Следовательно, для изготовления прецизионного трафарета время экспонирования подбирается экспериментальным путем при помощи тестовой фотоформы Autotype Exposure Calculator [4].
При печати сетка прогибается ракелем до соприкосновения с подложкой и испытывает обратимое удлинение, зависящее от положения ракеля (рис. 4a). Растяжение сетчатого трафарета поперек движения ракеля почти не зависит от положения ракеля (рис. 4б). Так как при печати используются жесткие рамы, то воздействуют эти удлинения исключительно на трафарет, искажая в значительной степени рисунок топологии. Благоприятное воздействие оказывает упругое крепление трафарета (пневматическое натяжение, использование эластичных прокладок), а также его размеры, которые по сравнению с рисунком керамической платы относительно велики [7].
Следовательно, удлинение сетчатого трафарета приводит к тому, что окончательный рисунок имеет большие размеры и сдвигается в направлении печати по сравнению с исходным.
Параметры, влияющие на изменение длины трафаретной печатной формы:
— открытая область а0 (больше окно — больше удлинение);
— размеры рамки ТПФ (больше рамка — больше удлинение);
— площадь печати (больше площадь — больше удлинение);
— натяжение ТПФ (новые трафареты — меньше удлинение, использованные — больше удлинение);
— однородность натяжения ТПФ (определяет форму удлинения);
— тип ракеля;
— усилие на ракель (большее усилие — больше удлинение);
— линейность рабочей части ракеля (влияет на форму удлинения);
— параллельность ракеля плоскости печати (влияет на форму удлинения).
Обратимое удлинение, которое испытывает сетка при соприкосновении с ракелем, влияет на допуски взаимного расположения элементов в различных
Рис. 3. Сетчатые трафареты, изготовленные с помощью ЖФПК (а), с помощью капиллярных пленок (б)
б
а
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014 ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
245
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014
Рис. 4. Искажение линейных размеров рисунка при трафаретной печати: а — в направлении движения ракеля; б — в поперечном направлении;
1 — рама; 2 — подложка; 3 — стол установки; 4 — ТПФ; 5 — ракель
Таблица 1
№ п/п Наименование параметра ТПФ размером 450x450 мм
1 Внутренний размер рамы 15,хЬ5,г мм 380x380
2 Зазор к, мм 2
3 Ширина ракеля р, мм 130
4 Расстояния от края трафарета до ракеля а, Ь, мм аі=10, Ьі=370, а2=90, Ь 2 = 290, а3=190, Ь3=190, а4=280, Ь 4=100, а5=360, Ь5 = 20
слоях [6]. Удлинения сетки от положения ракеля в направлении печати Д15, и в поперечном направлении ДЬ5, соответственно составляют:
Д4( = (1а+1ь ) - 4,, (1)
ДЬ$( =(2ЬС + р)-Ь$(, (2)
где 1а, и 1Ь — деформация сетки под давлением ракеля, мм;
1^ и Ь^ — длина и ширина ТПФ (внутренний размер), мм;
р — ширина ракеля, мм;
Ьс — расстояние от ракеля до края ТПФ в процессе печати, мм.
Для выражения (1) 1а, и 1Ь рассчитываются следующим образом:
1а =у1 (4, - а )2 + к 2 , (3)
1ь-V (4, -Ь)2 + к2 , (4)
где а, Ь — расстояние от края ТПФ до ракеля, мм; к — зазор между подложкой и трафаретом, мм.
Для выражения (2) Ьс рассчитывается следующим образом:
Ьс^)2+к2 . (5)
Для расчета удлинения сетчатого трафарета выбрана трафаретная рама из сплава алюминия с внешними размерами 450* 450 мм фирмы КОЕЫЕН но при расчетах учитывается внутренний размер (380х х380 мм). Керамическая подложка размером 126х 126 мм (5х5 дюйм), а размер наносимого рисунка топологии равен 90х90 мм, следовательно, ракель выбран с шириной 130 мм (так как ширина ракельного полотна должна на 2 — 2,5 см с обеих сторон превышать размер наносимого рисунка), зазор между подложкой и ТПФ составляет 2 мм (зазор должен быть в пределах 0,3 — 3 мм, в зависимости от размеров ТПФ).
Для расчета Д1^ выбраны значения, приведенные в табл. 1.
Согласно представленным выше выражениям произведены расчеты удлинения сетки в продольном и поперечном направлении для ТПФ 450х450 мм.
В результате расчетов получены следующие данные Д1,и ДЬ,: Д1в11 = 0,2 мм, Д1з2 = 0,03 мм, Д1,3 = 0,02 мм, Д15М = 0,03 мм, Д1я,5 = 0,1 мм, ДЬ^ =0,04 мм.
По полученным данным построен график зависимости удлинения сетчатого трафарета от расположения ракеля в процессе печати (рис. 5).
Для выбора оптимального размера трафаретной рамы для изображения 90х 90 мм был произведен расчет Д1, и ДЬ, для ТПФ размерами 740х740 мм и 300х300 мм.
Результаты расчетов сведены в табл. 2.
На основании полученных данных можно сделать следующие выводы.
Для вышеуказанной керамической подложки 126х126 мм (5х5 дюйм) оптимальный размер ТПФ является 450х450 мм. Полученные результаты возможно распространить и на подложку с размерами до 152х152 мм (6х6 дюйм). При увеличении размеров трафаретных рам величина обратимого удлинения сетчатой основы в продольном направлении уменьшается порядка 1 х 10-2 мм, но из-за большего объема потребления расходных материалов использование данных ТПФ (например, 740х740 мм) нецелесообразно. Использование трафаретных рам меньших размеров (например, 300х300 мм) приводит к увеличению значения обратимого удлинения в направлении движения ракеля (табл. 3).
При оптимально подобранных параметрах натяжения сетки, условий экспонирования и размеров ТПФ для расчета суммарной погрешности наносимого рисунка имеет смысл учитывать значения обратимого удлинения сетки (±20 мкм), погрешности при изготовлении фотошаблона (±3 мкм) и общую погрешность системы печатного оборудования (±5 мкм). Опираясь на полученную суммарную погрешность (±28 мкм), можно получить прецизионный размер проводник/зазор 70^100 мкм.
Таким образом, в статье рассмотрено влияние трафарета на процесс печати в технологии ЬТСС, на которое необходимо обращать внимание. Чтобы обеспечить требуемые значения параметров конеч-
Рис. 5. График зависимости удлинения сетчатого трафарета от расположения ракеля в процессе печати
Таблица 2
№ п/п Наименование параметра ТПФ размером 740x740 мм ТПФ размером 300x300 мм
1 Внутренний размер рамы ^хЬ^, мм 680x680 250x250
2 Зазор к, мм 2 2
3 Ширина ракеля р, мм 130 130
4 Расстояния от края трафарета до ракеля а, Ь, мм аі = 70, &1=610, а2= 170, &2 = 510, аз=340, Ьз=340, а4 = 500, &4= 180, а 5=630, &5=50 а1= 10, &1 = 240, а2=50, &2=200, аэ= 125, &3= 125, а4= 175, &4=75, а5=230, &5= 20
5 Удлинение сетки от положения ракеля в направлении печати Д^, мм Дій = 0,03 Л^2 = 0,016 Д^3 = 0,012 Д^4 = 0,014 Дlst5 = 0,04 Дібп = 0,2 Ді5^2 — 0,05 Д1й3 = 0,03 Д^4 = 0,04 Д ^5 = 0,1
6 Удлинение сетки от положения ракеля в поперечном направлении АЬ$, мм 0,014 0,07
Таблица 3
№ п/п ТПФ 450x450 мм ТПФ 740x740 мм ТПФ 300x300 мм
Удлинение сетки от положения ракеля в направлении печати Ді^ мм
1 0,2 0,03 0,2
2 0,03 0,016 0,05
3 0,02 0,012 0,03
4 0,03 0,014 0,04
5 0,1 0,04 0,1
Удлинение сетки от положения ракеля в поперечном направлении Дbst, мм
6 0,04 0,014 0,07
ного продукта, необходимо выполнить следующие рекомендации:
во-первых, необходимо использовать трафаретную печатную форму на основе металлической сетки 325 — 400 меж, изготовленную с помощью капиллярной пленки, так как с использованием жидкой фото-полимерной композиции невозможно получить ровные края проводника;
во-вторых, размер ТПФ должен быть на 12 — 15 см больше, чем размер воспроизводимого рисунка, что исключает деформацию на краях. Это было
подтверждено вышеуказанными расчетами. При размерах изображений 90x90 мм и 120х 120 мм следует выбирать трафарет 450x450 мм.
Существуют и другие технологические факторы, влияющие на процесс трафаретной печати, например, влияние ракеля на качество нанесения пасты, влияние режимов печати, влияние реологических свойств пасты, а также влияние самой керамики на процесс печати (её деформация и пластичность). Но влияние этих факторов значительно меньше, чем влияние трафаретной печатной формы.
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014 ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ
ИЗДАТЕЛЬСКОЕ ДЕЛО. ПОЛИГРАФИЯ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 2 (130) 2014
Библиографический список
1. Потапов, Ю. Особенности технологии проектирования и производства ЬТСС модулей / Ю. Потапов // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. — 2008. — № 1. - С. 1-6.
2. Рудак, Ю. А. Особенности технологии прецизионной трафаретной печати в производстве многослойных высокоплотных ЬТСС-плат / Ю. А. Рудак, Я. М. Перцель // Техника радиосвязи. Научно-технический сборник. — 2013. — Вып. 1 (19). — С. 80 — 87.
3. Материалы для трафаретной печати фирмы Итрако [Электронный ресурс]. — иИЬ: http://www.itraco.ru/katalog/ materialy/dlja-trafaretnoi-pechati.html (дата обращения: 14.04.2014).
4. Чигиринский, С. Особенности трафаретной печати и сборки в стек «сырой» керамики для производства ЬТСС/ ЫТСС/МЬСС / Сергей Чигиринский, Виктор Черных, Ёжи Штупар // Вектор высоких технологий. — 2013. — № 1. — С. 51—56.
5. Покрывайло, А. Б. Трафареты для толстопленочной технологии / А. Б. Покрывайло, В. А. Смирнов. — М. : ЦНИИ Электроника, 1990. — 44 с.
6. Ханке, Х.-И. Технология производства радиоэлектронной
аппаратуры / Х.-И. Ханке, Х. Фабиан ; пер. с нем. А. Кирпи-ченкова, А. Антюхова и др. / под ред. В. Черняева. — М. :
Энергия, 1980. — 464 с.
7. Мевис, А. Ф. Допуски и посадки деталей радиоэлектронной аппаратуры : справочник / А. Ф. Мевис, В. Б. Невижский, А. И. Фефер ; под ред. О. А. Лухпова. — М. : Радио и связь, 1984. — 152 с.
РУДАК Юлия Александровна, аспирантка кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства».
БАТИЩЕВА Марина Васильевна, магистрант группы ТПП-612 кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства».
Адрес для переписки: jullia1587@mail.ru
Статья поступила в редакцию 30.04.2014 г.
© Ю. А. Рудак, М. В. Батищева
Книжная полка
Андреев, Р. П. Электрохимия в полиграфических процессах : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / Р. П. Андреев ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. -1 о=эл. опт. диск (СБ-КОМ).
В пособии рассматриваются теоретические вопросы, относящиеся к использованию законов М. Фарадея применительно к электроосаждению металлов, формированию двойного электрического слоя, возникновению электродного потенциала и электродной поляризации, кинетике электродных процессов, катодному осаждению металлов, условиям совместного воссстановления ионов, а также процессы прикладной электрохимии, включающие способы подготовки поверхности изделий перед нанесением электролитических покрытий, электролитические процессы меднения, никелирования, хромирования, анодного оксидирования алюминия, а также излагаются вопросы техники безопасности и производственной санитарии на участках электрохимических покрытий. Учебное пособие написано в соответствии с программой дисциплины «Электрохимия в полиграфических процессах» по направлению 550300 «Полиграфия» и рассчитано на студентов специальности 281400. Может быть также полезно технологам и мастерам участков и цехов гальванических покрытий.
Ганиева, Н. М. Проектирование полиграфического производства. Флексографский способ печати : учеб. текстовое электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие / Н. М. Ганиева; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. - 1 о=эл. опт. диск (СБ-кОм).
Рассмотрены методики моделирования бизнес-процессов, технологических расчетов, контроля производственных процессов, а также варианты объемно-планировочных решений флексографского способа печати. Предназначено для студентов очной и заочной форм обучения направлений подготовки бакалавриата 261700.62, магистратуры 261700.68 и дистанционной формы обучения по специальности «Технология полиграфического и упаковочного производства».
Литунов, С. Н. Основы расчета полиграфического оборудования : моногр. / С. Н. Литунов, О. А. Тимощенко ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. - 160 с. - ISBN 978-5-8149-1677-8.
Приводятся разработанные авторами методики расчета красочных аппаратов офсетных и трафаретных машин с применением модели движения идеальной жидкости. Моделирование течения краски проводилось с применением теории функций комплексного переменного. Отдельная глава посвящена повышению эффективности перемешивания краски в красочном аппарате офсетной машины с помощью пассивного активатора. Предназначена для студентов и аспирантов полиграфических специальностей; может быть полезна специалистам, занимающимся производством печатной продукции.
