Исследование перехода пасты на подложку в LTCC-технологии

VI. Выводы и заключение

Проведенные исследования показали, что диэлектрическая проницаемость материала корпуса сенсора критична к его чувствительности. Выбор материала корпуса сенсора определяет размер его чувствительных электродов. Чем больше диэлектрическая проницаемость материала корпуса сенсора, тем больше должен быть угловой размер чувствительного его электрода. При 1<м<10 угловой размер электрода сенсора должен выбирается из диапазона 450<6j<62°. Поскольку чувствительные электроды сенсора таких угловых размеров, невозможно расположить на поверхности шара без наложения, то дальнейшие исследования будут направлены на обеспечение такой возможности.

ИСТОЧНИК ФИНАНСИРОВАНИЯ. БЛАГОДАРНОСТИ

Работа выполнена в рамках НИР №17073В «Электрометрические измерения с использованием инвариантных сенсоров».

Научный руководитель Светлана Сергеевна Колмогорова.

Список литературы

1. Khermand A., Leijon M., Tornakvist C.. Detection and localization of partial discharge in high voltage power cable joints // Conduction and Breakdown in Solid Dielectrics ICSD '98: рroceedings 6th International Conference. Vasteras, Sweden, 1998. Р. 145-148.

2. Techaumnat B., Takuma T. Analysis of the electric field and force in an arrangement of a conducting sphere and a plane electrode with a dielectric barrier // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 2006. Vol. 13, is. 2. Р. 336-344.

3. Pittman Ed P, Stanford Roy A. Electric field sensor. US patent 3641427 A, USA, G 01 R 5/28, G 01 V 3/08, H 04 13/02; filed 24.09.1969; published 08.02.1972.

4. Stig Rune Lennart Tenghamn, Rune Johan Magnus Mattsson. Low noise, towed electromagnetic system for subsurface exploration. patent US 20070229083A1; filed 13.09.2006; published 04.10.2006.

5. Пат. 2348905 Российская Федерация, МПК G 01 F 1/74 (2006.01) G 01 N 22/00 (2006.01). Измеритель расхода и способ измерения расхода многофазной текучей среды / ВЕЕ Арнстейн. № 2006124233/28; заявл. 09.12.04; опубл. 10.03.09, Бюл. № 7.

6. Mathieu Baicry, Matthieu Le Prado. Device for measuring an electric field in a conducting medium and method of calibrating such a device. US patent US 20160238646 A1, USA / US 15/045,445; filed 17.02.2016; published 18.08.2017.

7. Росстандарт. Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. URL: http://www.fundmetrology.ru/, свободный (дата обращения: 26.06.17).

8. Dudley Donald D. Mathematical Foundations for Electromagnetic // Theory University of Arizona. Tucson, 1994 Hardcover. 256 р.

9. Jean G. Van Bladel. Singular Electromagnetic Fields and Sources // Wiley-IEEE Press, 1991. 252 p.

10. Lindell Ismo V. Methods for Electromagnetic Field Analysis // Helsinki: University of Technology. 1992. 320 p.

11. Peter E. Sutherland. Mathematics Used in Electromagnetism // Wiley-IEEE Press, 2015. 416 p.

12. Колмогорова С. С., Колмогоров А. С., Бирюков С. В. Особенности построения моделей сенсоров трехко-ординатных измерений напряженности электрического // Омский научный вестник. Cер. Приборы, машины и технологии. 2017. № 3 (153). С. 87-91.

УДК 655.335, 621.3.049.75

ИССЛЕДОВАНИЕ ПЕРЕХОДА ПАСТЫ НА ПОДЛОЖКУ В LTCC-ТЕХНОЛОГИИ

с. Н. Литунов, В. Ю. Юрков

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-232-239

Аннотация - Развитие электроники предъявляет повышенные требования к точности трафаретной печати. Под действием плоского ракеля печатная форма деформируется, и изображение искажается относительно оригинала. Ракель в виде гладкого цилиндра снижает искажения, но позволяет получить

удовлетворительное качество печати только при использовании сеток высокой плотности. Для решения этой проблемы предложено использовать роликовый ракель, позволяющий дозировать краску. Дозирование происходит за счет упругого слоя, на поверхности которого расположены ячейки. Цель работы заключалась в определении возможности использования роликового ракеля с ячеистой поверхностью в производстве микросхем по LTCC-технологии и для изготовления полутоновой печатной продукции. В задачи исследования входило определение отклонения длины линий на оттиске относительно оригинала. Эксперименты проводили методом печатания на лабораторном устройстве. Применяли печатные формы с сеткой плотностью 100-31 и 120-34. Расчеты показали, что оптимальное давление печати для используемых материалов составляет от 0,02 кг/мм до 0,7 кг/мм. В результате экспериментов нами установлено, что разность между длиной линий на оттиске и оригинале составляет 0.01-0.015 мм при длине линии 150 мм и размерах печатной рамы 450 мм, что меньше стандартного удлинения в 3-4 раза. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования при изготовлении микросхем по LTCC-технологии.

Ключевые слова: роликовый ракель, переход краски на оттиск, отклонение длины линий.

I. Введение

Принцип трафаретной печати заключается в продавливании краски через открытые ячейки сетки печатной формы (рис. 1). При печати обычно используют ракель в виде упругой пластины.

Трафаретная печать позволяет получить слой пасты толщиной до 100 мм. Эта особенность сделала трафаретную печать незаменимой в производстве микросхем по толстопленочной технологии, сенсоров и датчиков. Переход пасты на субстрат в основном зависит от давления в пасте под действием ракеля. Исследования распределения давления в краске и паяльной пасте под действием плоского ракеля проводили Dietrich E. Riemer

Недостатки применения плоского ракеля:

- деформация сетки под действием сил трения между трафаретом и ракелем. Стандартное удлинение трафарета составляет примерно 100 мкм для трафаретной рамки размером 450x450 мм с площадью рисунка 150x150 мм [6];

- зазор, необходимый для отделения сетки от субстрата.

I. J. Fox, T. C. Claypole and D. T. Gethin (2003) [7] исследовали возможности трафаретной печати с роликовым ракелем. В работе был выявлен недостаток роликового ракеля - удовлетворительное качество печати получается на сетке 150-34 или более. При использовании меньшей плотности сетки происходит растекание пасты на субстрате. Причина этого заключается в особенности распределения давления в пасте при движении роликового ракеля. На рис. 2 показано распределение давления, полученное экспериментально С.Н. Литуновым (2007) [8]. На рис. 2 отмечено расстояние А, на котором паста продавливается через сетку под действием роликового ракеля. Расстояние измеряется от точки контакта В между роликовым ракелем и печатной поверхностью. Продавленная паста скапливается на оборотной стороне screen и при движении роликового ракеля раздавливается по субстрату.

Скорость <-

Субстрат

Рис. 1. Схематичное изображение трафаретной печати с плоским ракелем

[5].

Диаметр валик-ракеля 37 мм. Скорость каретки 148 мм/с. Скорость вращения 1,28 об/с

Расстояние, мм

Рис. 2. Распределение давления в краске: диаметр роликового ракеля d = 37 мм, скорость ракельной каретки V = 148 мм/с, частота вращения щ = 1,28 об/с, сетка 100-34

В двух последних работах выявлены преимущества роликового ракеля:

- самоотрыв трафарета от субстрата, что уменьшает зазор;

- снижение действия сил трения.

Преимущества роликового ракеля позволяют увеличить точность трафаретной печати. Однако недостатки ограничивают технологические возможности трафаретной печати. Это делает целесообразным продолжение исследований трафаретной печати с роликовым ракелем.

II. Объект исследования

Предложен роликовый ракель с дозированием пасты [9]. Он представляет собой металлический цилиндр с упругим слоем. На поверхности упругого слоя расположены ячейки, которые в процессе печати заполняются пастой. Излишек пасты снимается металлической пластиной (рис. 3). Печать осуществляется за счет протекания пасты через трафарет при деформации ячеек под действием pressure.

Роликовый ракель с

упругим слоем с I Давление

ячейками .----

Рис. 3. Схематичное изображение трафаретной печати с роликовым ракелем

Целью исследования является экспериментальное изучение печати с помощью указанного устройства и перехода пасты из ячеек упругого слоя на субстрат.

III. Методика исследований

3.1. Параметры материала роликового ракеля

При печати упругий слой деформируется в полосе контакта. Объем ячейки уменьшается, и паста продавливается через screen (рис. 4). Таким образом, количество краски, которое проходит через screen, зависит от деформации ячейки.

Контур ячейки после де формации

Давление

Контур ячейки до дефор-ации

Трафарет с печатающими элементами

Рис. 4. Схема деформирования ячейки и течения краски через трафарет

В нашем исследовании использовали стальной валик диаметром 37 мм. Использовали фотополимерные материалы ACE, фирма BASF (Германия) и NSF, фирма TOYOBO, (Япония), которые применяют в флексограф-ской печати. Ячейки на фотополимерном материале получали по технологии, принятой в флексографской печати. Также использовали маслобензостойкую резину МБС. На резине ячейки получали методом лазерной гравировки. На рис. 5 показаны ячейки на фотополимерном материале (A, С) и резине (В, D). Механические характеристики измеряли на разрывной машине ИП 5158. По размерам ячейки, полученным с помощью фотографий, рассчитали объем ячеек. Характеристики выбранных материалов приведены в табл. 1.

авн!

sbbi

А B

W ч

С D

Рис. 5. Изображение ячеек сверху (вверху) и в разрезе (внизу): А и С - полимерный материал; В, D - резина

ТАБЛИЦА 1 ХАРАКТЕРИСТИКИ МАТЕРИАЛОВ

Наименование материала Толщина материала, мм Глубина ячейки, мм Модуль упругости, Мпа Коэффициент Пуассона Объем ячейки, мм3

ACE, BASF (Германия) 1,52 0,16 28 0,485 0,0098

NSF, TOYOBO, (Япония) 2,66 0,18 37 0,435 0,01103

Резина МБС 1,75 0,22 7 0,5 0,0229

3.2. Механические параметры упругого слоя

Для выбора давления печати провели опыты по определению деформации материала упругого слоя в зависимости от нагрузки. Схема измерения показана на рис. 6.

На каждом графике имеется точка перегиба. До и после этой точки деформация материала развивается линейно. Можно предположить, что до точки перегиба деформируются преимущественно ячейки на поверхности материала. После точки перегиба происходит деформация как ячейки, так и материала как единого целого. При этом не ясно, в каком диапазоне находится оптимальное давление печати. Для выбора давления печати при проведении экспериментов провели расчет деформации материала с ячейками на его поверхности. На рис. 7 показана зависимость деформации от нагрузки для исследуемых материалов.

Роликовый ракель с

Нагрузка, кг/мм

Рис. 7. Зависимость деформации от нагрузки материалов упругого слоя

а

Рис. 8. Элемент для расчета деформации ячейки 236

Расчет деформации проводили для элемента (рис. 8), который считали упругим стержнем на упругом основании. При расчете принимали, что давление равномерно распределено по поверхности элемента; материал изотропен и несжимаем; каждый вертикальный торец элемента может перемещаться только в плоскости, совпадающей с ним; жесткость элемента и упругого основания равны.

Деформацию стержня определяли выражением:

dW/dz = еz,

где W(z) - продольное перемещение поперечного сечения с координатой z; еz - относительное удлинение точек поперечного сечения z.

Уравнение равновесия элемента стержня, выделенного двумя сечениями, имеет вид N(z) = - P, где N(z) -нормальная сила в поперечном сечении z; N(z)=Y(zyF(z); у^) - нормальное напряжение в точках поперечного сечения z; F(z) - площадь поперечного сечения стержня z.

Принятые граничные условия:

W

где д - податливость основания, на котором размещен стержень.

Относительную деформацию стержня еz находили из системы уравнений (1) и (2). Через соотношение еz = нех = неу, где н - коэффициент Пуассона получали относительную деформацию стержня ех, еу в направлениях х и у соответственно. Уравнение (1) в виде конечных разностей имеет вид

W[z(i+1)] = W[z(i)] + N[z(i)]Ac / (E'F[z(i)]),

где W[z(i)] и W[z(i+1)] - перемещение в продольном направлении поперечного сечения на i-том и (i+1) шаге; N[z(i)] - сила, нормальная поперечному i-му сечению; F[z(i)] - площадь поперечного сечения на i-том шаге. Для расчета применяли метод Ньютона. Расчет проводили в программе EXEL. Для каждого профиля ячейки получали линию тренда в виде экспоненциальной зависимости. Проинтегрировав от ноля до значения глубины ячейки, с учетом коэффициента Пуассона, получали объем деформированной ячейки.

По результатам расчетов, зная объем краски, который должен пройти на субстрат при деформации ячейки, определяли оптимальную нагрузку на roller squeegee. Она составила для материала NFS 0.11 кг/мм, для материала АСЕ - 0.07 кг/мм, для резины МБС - 0.02 кг/мм. На рис. 9 показан профиль ячейки на материале ACE, деформированной нагрузкой 0,07 кг/мм.

Рис. 9. Профили ячеек на материале АСЕ

3.3. Печатное оборудование

На рис. 10 показано печатное устройство, которое имеет каретку 1, роликовый ракель 2 с упругой оболочкой 3, металлическая пластина 4, регулировочные винты 5. Трафарет устанавливается в зажимы и на рисунке не показан.

Рис. 10. Печатное устройство с роликовым ракелем

Скорость движения каретки составляла 148 мм/с, 193 мм/с; 232 мм/с. Диаметр роликового ракеля 40.04 мм для материала ACE, 42.32 мм для материала NSF, 40.5 мм для резины МБС. Использовали полиэфирные сетки SAATI 100-31 нит/см и 120-34 нит/см. Натяжение сетки 21 н/см.

Изображение на трафарете представляло собой тестовую шкалу, на которой были линии толщиной 0.05 -0.5 мм, расположенные вдоль и поперек движения роликового ракеля и участки с растровыми полями.

При проведении опытов варьируемыми параметрами были материал упругого слоя, сетка трафарета и скорость каретки с роликовым ракелем. В качестве пасты использовали пластизольную краску с металлическим пигментом вязкостью 700 Па-с. Такая краска по своим свойствам ближе всего находится к пастам, применяемым для производства микросхем по LTCC-технологии. На полученных оттисках контролировали изменение длины линий, расположенных вдоль, и толщины линий, расположенных поперек движения роликового ракеля. В качестве субстрата использовали листы органического стекла толщиной 4 мм.

IV. Результаты и обсуждение

В результате проведенных экспериментов было выяснено, что наиболее жёсткий из испытуемых, материал NFS, дает меньшее изменение размера, а наименее жесткий, резина МБС - большее (рис. 7). Это объясняется тем, что менее жесткий материал деформируется больше, и больше пасты проходит на субстрат. Однако зависимости изменения размера от объема ячейки не обнаружено. Отсюда можно сделать вывод, что оптимальное давление печати выбрано верно.

Разность длины линий на оригинале и оттиске составляет 0.01-0.015 мм при длине линии 150 мм и длине печатной рамы 450 мм. Это меньше стандартной величины в 3-4 раза. При проведении опытов зазор между рамой и субстратом был равен нулю. На этом основании можно предположить, что увеличение длинны линий на оттиске происходит от затекания краски под пробельные элементы, а не от деформации трафарета под действием ракеля. Среди других особенностей работы печатного устройства с роликовым ракелем можно отметить наличие явления самоотлипания, которое позволяет снизить до минимума зазор. При этом субстрат лежал на печатном столе свободно, без фиксации. Полученные результаты позволяют сделать вывод о возможности использования роликового ракеля при изготовлении микросхем по LTCC-технологии, в которой минимальный допуск на совмещение слоев составляет ±10 мкм [10], а также для печати полутоновой продукции.

Список литературы

1. Riemer Dietrich E. Analytical Engineering Model of the Screen Printing Process: Part 1. Solid State Technol., August 1988. P. 107-111.

2. Riemer Dietrich E. Analytical Engineering Model of the Screen Printing Process: Part 2. Solid State Technol., September 1988. Р. 85-90.

3. Ekere N. N., Lo E. K. New challenges in solder paste printing // J. А Electronics Mfg. 1991. № 1. Р. 29-40.

4. Mannan S. H., Ekere N. N., Lo E. K., Ismail I. Application of ink screening models to solder paste printing in SMT assembly // J. Electronics Mfg. 1993. № 3. Р. 113-120.

5.Glinski G. P., Bailey C., Pericleous K. A. A non-Newtonian computational fluid dynamics study of the printing process // Proc Instn Mech Engrs. Part C. 2001. Vol. 215. Р. 437-446.

6. Шурыгина, В. Печатная электроника. Что это такое, как она создается, чего от нее ждать? Часть I // Электроника НТБ. 2010. № 3. URL: http://www.electronics.ru/journal/article/41. (дата обращения: 23.03.2017).

7. Fox I. J., Claypole T. C. , Gethin D. T. An experimental investigation into ink transfer using a roller squeegee in high-speed screen printing. Proc Instn Mech. Engrs // J. Process Mechanical Engineering. Part E, April 2003. Vol. 217 Р. 307-320.

8. Литунов С. Н. Методы расчета печатных аппаратов трафаретных машин: моногр. Омск: ОмГТУ, 2007. С. 132-137.

9. Пат. 70198 Российская Федерация, МПК В 41 F 15/42. Красочный аппарат для трафаретной печати / Литунов С. Н. № 2006107089/22; заявл. 06.03.06; опубл. 20.01.08, Бюл. № 2.

10. Литунов С. Н., Батищева М. В., Скитченко В. В., Сердюк О. Е. Особенности заполнения пастой отверстий в заготовках LTC-микросхем // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. 2015. № 2. С. 126-129.

УДК 534.647:621.432

ОЦЕНКА МОДУЛЯ ХАРАКТЕРИСТИЧЕСКОЙ ФУНКЦИИ ВИБРОАКУСТИЧЕСГО СИГНАЛА ПРИ ЗАДАННОМ ПАРАМЕТРЕ ДЛЯ ПРЕДЕЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ОБЪЕКТА ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

В. Н. Костюков1, А. П. Науменко2, И. С. Кудрявцева2

1ООО «НПЦ «Динамика», г. Омск, Россия 2 Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-4-239-245

Аннотация - Совершенствование совокупностей и систем определяющих критериев неисправностей машин и механизмов по параметрам виброакустических сигналов является актуальной проблемой технической диагностики. Целью работы является оценка методами теории принятия статистических решений и рисков нормативных величин модуля характеристической функции мгновенных значений виброакустического сигнала при фиксированном параметре характеристической функции, соответствующих различным состояниям объекта диагностирования, которые используются в качестве диагностических признаков в системах вибродиагностического мониторинга. С использованием таких статистических методов принятия решений, как метод минимального риска, минимального числа ошибочных решений, наибольшего правдоподобия, минимакса, Неймана-Пирсона, проведены расчеты по определению предельных величин модуля характеристической функции при заданном параметре, разделяющих технические состояния объекта диагностирования.

Ключевые слова: характеристическая функция, диагностика, техническое состояние, диагностический признак, виброакустический сигнал.

I. Введение

Разработка системы определяющих критериев неисправностей на основе совокупностей параметров диагностических сигналов, позволяющей однозначно, надежно и достоверно определить техническое состояние объекта и причины его изменения [1, 2, 3], являлась и является актуальной задачей технической диагностики. Неотъемлемой частью диагностики является разделение возможных технических состояний (диагнозов). В частном случае необходимо провести выбор одного из двух диагнозов (дифференциальная диагностика или дихотомия), например, «исправное состояние» (состояние «Допустимо» (Д) или «Требует принятия мер» -ТПМ) и «неисправное состояние» (состояние «Недопустимо» - НДП) [4, 5, 6]. Решение данной задачи сегодня всё чаще основывается на использовании теории принятия статистических решений.

Целью работы является оценка методами теории принятия статистических решений и рисков нормативных величин параметров ХФ [7, 8, 9, 10, 11, 12], используемых в качестве диагностических признаков в системах вибродиагностического мониторинга [13, 14].

II. Постановка задачи

Один из подходов к диагностированию заключается в использовании так называемых статистических решений [4, 15, 16, 18]. При этом решающее правило выбирается исходя из некоторых условий оптимальности.

Задача состоит в выборе значения х0 параметра х, который является диагностическим признаком неисправности и характеризует ХФ, в частности, является модулем ХФ при заданном параметре ХФ таким образом, что