Исследование аддитивного метода создания печатных плат

мкс. Результат данного вычисления отображается на экране дисплея.

Более подробное, до уровня описания того или иного схемотехнического решения, реализующего выше изложенное и позволяющее получить окончательное значение толщины диэлектрического слоя, из-за ограниченности объёма данной работы, будет сделано в дальнейшем.

Ультразвуковой излучатель работает по принципу прямого преобразования. Его пьезопластина изготовлена из кварца. Размер её толщины взят равным половине длины волны, которая для кварца на частоте 1...10 МГц равна 0,16...1,6 мм. Пьезопластина имеет круглую форму, размер которой взят с учетом размера заготовки для МДП структуры, равным 4 мм. Конструкция ультразвукового преобразователя, рис.5 [4], содержит: пьезоэлемент -1; корпус - 2; призма - 3; акустический экран -4. Преобразователь работает по совмещённой схеме, т.е. пьезоэлемент соединён одновременно с выходом генератора, являющимся источником излучаемого сигнала и входом МУ отраженного ультразвукового сигнала. Ультразвуковой преобразователь поочередно работает на передачу и приём [5].

Для заполнения воздушного зазора, образующегося между поверхностью слоя диэлектрика и преобразователем используется капилляр, в котором содержится глицерин. Данный прием исключает механическое давление на исследуемую заготовку МДП

Точность измерения толщины диэлектрического слоя в той или иной точке заготовки обеспечивается путем проведения многократного измерения с последующим получением окончательного результата измерения как среднеарифметического значения.

Предлагаемый измеритель может быть успешно использован не только при организации процесса измерения параметров готовых МДП структур, но и при отработке технологического процесса их изготовления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Савватейкин Н.С., Чайковский В.М. Измерение параметров МДП структуры с компенсацией влияния ёмкости её диэлектрического слоя, - Труды междунар. симпозиума Надёжность и качество Т.2, Пенза, 2013

2. http://www.ntcexpert.ru/component/content/article?id=58 9:skorosti-rasprostranenija-ultrazvukovyh-voln-razlichnyh-materialah

3. Макаренко В. Компоненты для построения беспроводных устройств связи, части 1...6 //ЭКиС - Киев: VD MAIS, 2009, №№ 3, 4, 5, 6, 9,11.

4. Ультразвуковая толщинометрия: учебное пособие / М.М. Коротков. - Томск: Изд.ТПУ, 2008. - 94

с.

5. Физическая акустика. В 4 т. / под ред. У. Мэзона. Т.1. Методы и приборы ультразвуковых исследований. Ч.А. - М.: Мир, 1966. - 592 с.

6. Кузнецов С.И. Краткий курс физики: учебное пособие / С.И. Кузнецов, К.И. Рогозин. - 2-е изд., перераб. и доп. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 215 с.

7. Глахтеев С.В., Плешаков А.Н., Чайковский В.М. Ультразвуковой измеритель толщины слоя диэлектрика МДП структур.

УДК: 621.37/.39:621.9.048.7, 621.37/.39 - 22.53 Князьков А.В., Буныгин Е.В., Максимов П.А., Аксенов И.В.

ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия

ИССЛЕДОВАНИЕ АДДИТИВНОГО МЕТОДА СОЗДАНИЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Цели. Целью данной статьи является предоставление результатов проведенной работы по созданию нового метода создания печатных плат на основе струйной печати токопроводящими чернилами. Данным метод является актуальным ввиду высокой конкуренции на этапе производства печатных плат.

Метод. Данный метод был осуществлен на пьезоэлектрическом струйном принтере с использованием чернил на основе частиц серебра. Опытным путем были подобраны необходимые компоненты для создания токопроводящего печатного слоя.

Результаты. В работе подробно описаны компоненты, необходимые для создания печатного слоя, и этапы реализации данного метода.

Выводы. Использование данного метода может помочь широкому спектру специалистов, занимающихся вопросами создания печатных плат, так как способен сократить ряд производственных задач, одним из которых является удешевление. Ключевые слова:

ПЕЧАТНАЯ ПЛАТА, ТОКОПРОВОДЯЩЕЕ ПОКРЫТИЕ, ЧЕРНИЛА НА ОСНОВЕ ЧАСТИЦ СЕРЕБРА Введение

структуры и позволят обеспечить подачу ультразвукового сигнала непосредственно на поверхность диэлектрического слоя, в противном случае воздушный зазор не позволит осуществить измерение.

4 ММ

8 ММ

Рисунок 5 - Конструкция преобразователя

Расчёт данной капли осуществляется по методике [6], учитывающей, что при выбранной массе капли глицерина 0,5г. максимальное давление на неё составляет 318 -. Значение максимального

м

давления на каплю рассчитывается как: С = - ,

где: С - максимальное значение давления на каплю [г/мм], m - масса капли, д - ускорении свободного падения [м/с2], d - диаметр капли [мм] , п - число капель, равно единице. Принцип подачи ультразвукового сигнала на заготовку МДП структуры показан на Рис.6.

Развитие электронной компонентной базы, тенденции к уменьшению размеров и увеличению плотности монтажа задают новые требования к печатным платам и технологиям их изготовления. Несмотря на широкое производство, есть несколько недостатков их использования на стадии проектирования. Во-первых, это большие временные затраты, особенно с учетом частых ошибок и дополнений, присущих этапу проектирования. А в случае, если требуется разработка с использование гибкой печатной платы, то это еще дополнительные материальные затраты, так как стоимость такой платы значительно выше.

На сегодняшний день изготовление печатных плат происходит, как правило, при помощи суб-трактивного метода посредством химического стравливания ненужных участков металлического покрытия фольгированного материала в условиях инженерных лабораторий, что является препятствием при малом производстве

Альтернативой субтрактивному методу является аддитивный процесс - осаждение проводников на диэлектрическую подложку в соответствии с топологией печатной платы. Его использование стало возможным лишь в последнее десятилетие, когда наука и технологии сделали значительные шаги в области 3Б-печати и были разработаны проводящие чернила с малым удельным электрическим сопротивлением.

Описание чернил

Чернила содержат в составе частицы серебра диаметром менее 100 нм, взвешенные в эмульсии, что позволяет быстро, легко и многократно создавать проводящие покрытие относительно высокого разрешения.

Также следует отметить, что большинство проводящих чернил сразу после нанесения имеют высокое сопротивление (рис. 1).

Рисунок 1 - Процесс термического спекания проводящих чернил

Это связано с тем, что наночастицы серебра заключены в полимерную оболочку, которая не дает частицам образовать связи, прежде чем они будут осаждены на подложку. Поэтому, чтобы образовать взаимные связи между наночастицами металла и сделать рисунок печатной платы проводящим, необходима постобработка. Этот процесс обычно называют спеканием.

В процессе спекания происходит разрушение полимерной оболочки путем нагрева печатного платы. Наиболее простым методом спекания является термическое спекание, которое происходит в течение

нескольких часов при температуре около 150°С. После чего, рисунок печатной платы приобретает свойство проводимости.

Совсем недавно, у многих производителей стали доступны чернила, которые используют новый метод химического спекания (рис. 2). Спекание данных чернил происходит при комнатной температуре, сразу после нанесения на подложку. Тем самым мгновенно формируя проводящий слой, что позволяет обходиться без трудоемкого и потенциально опасного термического спекания.

Серебряные частицы

наносятся на микропористый слой

Рисунок 2

Серебряные частицы образуют проводящее покрытие

Процесс химического спекания проводящие: чернил

На основе этого метода были проведены опыты по печати названными выше чернилами марки NBSIJ-Ми0 [1] производителя MitsubishiPaperMills [2] с значениями вязкости 2-3 сантипуазы (Па -с), поверхностным натяжением 30-35 мН/м, плотностью 1,2 г/см3 и размером частиц 20 нм.

Этап выбора принтера

Чернила изготовлены на водной основе, содержат от 10 до 4 0 процентов этиленгликоля по объему и серебра от 10 до 20 процентов. К тому же, выбранные чернила обладают низкой стоимостью (250 долларов за 100мл), что немаловажно при расчете себестоимости изготовления печатной платы.

С целью изготовления высококачественных печатных плат, ключевой момент состоит в выборе струйного принтера, с которым будут проведены эксперименты и который в дальнейшем станет основой проекта.

Рисунок 3 - Внешний вид проводящих чернил

Существует две основные технологии струйной печати: термическая и пьезоэлектрическая, отличающиеся устройством печатной головки [3].

Рисунок 4 - Принцип работы термической и пьезоэлектрической технологии струйной печати

Из-за особенностей свойств проводящих чернил, возможно использование лишь пьезоэлектрической технологии струйной печати. Так как нагрев чернил постепенно приведет к их застыванию и засорению сопел печатной головки.

Выбор был сделан в пользу принтера DCP-J105[4] производителя Brother.

Предположительно, другие пьезоэлектрические струйные принтеры тоже могут быть использованы, однако одна из практических проблем их применения - наличие электронного чипа в картриджах, который определяет оригинальные чернила в принтере или нет (рис. 5).

Рисунок 5 - Внешний вид принтера и дополнительных картриджей

У выбранного принтера чипы в картриджах отсутствуют, поэтому были дополнительно приобретены новые пустые картриджи, для заправки в них проводящих чернил. Поскольку проводящие чернила

поставляется в бутылке, необходимо заполнить картриджи, используя шприц и одноразовый фильтр. Следует соблюдать меры предосторожности, используя защитные очки, маску и перчатки (рис. 6).

Рисунок 6 - Заправка принтера проводящими чернилами

Настольные струйные принтеры используют, по меньшей мере, четыре разных картриджа: голубой, пурпурный, желтый и черный. Для увеличения проводимости необходимо увеличить количество наносимых чернил. С этой целью, проводящие чернила добавляются во все картриджи, а в настройках принтера выбирается режим «Фото». При этом драйвер принтера использует одновременно все цвета для создания сплошного черного цвета. Остальные настройки принтера устанавливаются таким образом, чтобы обеспечивалось наилучшее качество печати, что дополнительно увеличивает количество наносимы:': чернил.

Результаты эксперимента

Для проведения эксперимента, на принтере распечатывались тестовые горизонтальные полосы размером 10х100мм. Измерение сопротивления производилось при помощи мультиметра Yokogawa 7555 [5]. По измеренному значению сопротивления, для тестовой дорожки рассчитывается удельное поверхностное сопротивление по формуле:

Р8= ,

где ps- удельное поверхностное сопротивление, Rs - измеренное сопротивление, d - ширина печатной линии, а ! - длина.

Рисунок 7 - Тестовые горизонтальные полоски

При выборе бумаги, акцентировалось внимание на параметрах печати, благодаря которым можно было приблизиться к необходимым значениям поверхностного сопротивления печати. Выяснилось, что наиболее подходящими стали:

тип носителя: фотобумага Brother BP71; качество бумаги: лучшее; режим цвета: яркий;

0,3 -

улучшение цвета: плотность цвета +2. Отдельно, исследовалась зависимость сопротивления от разрешения печати. На рисунке 7 показан график зависимости сопротивления тестового образца печати от разрешения печати принтера. Видно, что наилучшие результаты получены при высшем разрешении.

0,25

, 0,2

m

О а.

о и

0,1

0,05

0 2,5 5

Разрешение печати, dpi

Рисунок 8 - Зависимость сопротивления от разрешения печати

Качество поверхности печати оценивалось визуально с использованием оптического микроскопа. На рисунке 8 показана фотография проводящей поверхности изготовленной печатной платы в десятикратном приближении.

При использовании чернил NBSIJ-MU01, бумаги NB-RC-3GR12 0 и принтера Brother с вышеупомянутыми настройками, сразу после печати было получено значение поверхностного сопротивления 0,21 Ом. Значение сопротивления уменьшается до 0,19 Ом в течение последующих 10 часов, когда чернила полностью высыхают, что соответствует заявленному изготовителем значению 200 мОм. График изменения сопротивления с течением времени показан на рисунке 9.

При проведении экспериментальных исследований и печати дорожек малой ширины, было замечено, что ожидаемая ширина дорожки не соответствует фактической. Было выдвинуто предположение, что на ширину печатной линии оказывает влияние шероховатость поверхности подложки.

Рисунок 9 - Результат печати в десятикратном приближении

0,3

0,25

0,2

е и н е

О

.

о и

0,1 0,05

0

0

0

Рисунок 9 - Зависимость

Вентцелем [6] было рассмотрено влияние шероховатости поверхности на краевой угол смачивания через коэффициент шероховатости. А в работе [7] был проведен эксперимент, где авторы работы

2,5 5

Время, ч

сопротивления от времени

напечатали проводящие дорожки на нескольких разных типах подложек и получили простую эмпирическую формулу, связывающую ширину печатной дорожки с краевым углом смачивания. Тем не менее, оценить шероховатость поверхности подложки по

этой формуле затруднительно, и также непонятно какое влияние шероховатость оказывают на ширину печатной дорожки.

Сравнивая ожидаемую и полученную ширину дорожки при струйном методе печати для поверхности с незначительной шероховатостью (например, стекла), было обнаружено, что шероховатость подложки существенно влияет на ширину дорожки. При этом коэффициент шероховатости поверхности дается с учетом увеличения ширины дорожки. На рисунке 10 показано, как шероховатость поверхности увеличивает фактическую ширину печатной дорожки.

жл2

бАх

4 k(sine)2 4ksin&

Окончательное выражение для фактической ширины дорожки может будет иметь вид:

Из уравнения (4) можно сделать вывод, что более тонкие дорожки могут быть получены при использовании подложки с высоким краевым углом смачивания.

После изготовления печатной платы возникает необходимость размещения на ней электронных компонентов. К сожалению, пайка с использованием распространенных припоев (ПОС61 и др.) не подходит, так как припой имеет высокую температуру плавления (183°C), чем допускает применяемая подложка и ее покрытие.

Поэтому требуется применение специальных низкотемпературных припоев или паяльных паст. Существуют также специальный двухкомпонентный проводящий клей MG Chemicals 8331S-15G [9] с низким значением сопротивления, однако он обладает высокой стоимостью. Поэтому в ходе экспериментов был успешно опробован припой П0СВ-50 (Сплав Розе) . Пайка осуществлялась с использование термовоздушного фена.

На рисунке 11 показана фотография спаянной платы с применением светодиодов, в качестве наглядного примера работы.

Рисунок 10 - Ожидаемая и фактическая ширина дорожки

Это может быть описано следующей формулой:

w1 = w * к =

где Wl - фактическая ширина дорожки, к - коэффициент шероховатости поверхности, в - краевой угол смачивания, w - ширина дорожки на гладкой поверхности (поверхности, шероховатостью которой можно пренебречь). Подставляя Wl в уравнение, полученное в [7], получим выражение для ширины дорожки с учетом шероховатости поверхности:

где в - краевой угол смачивания (в радианах), образованный каплей чернил на подложке, Ах -расстояние между соседними точками, d - диаметр капли.

Полученное уравнение предполагает, что поверхности имеют низкую или пренебрежимо малую пористость, так как пористые поверхности могут привести к проникновению наночастиц серебра в подложку [8]. Эффект пористости обычно рассматривается в литературе для подложек с покрытием, таких как бумага, где размер пор и их структура будут влиять на скорость проникновения чернил в подложку.

Рисунок 11 - Результат термовоздушной пайки с использованием припоя ПОСВ-50

Использование подложки на основе бумаги может найти применение в различных устройствах, при проектировании которого важно достигнуть минимальной стоимости. Примером таких устройств могут быть умные ценники, этикетки, КЕ1Б-метки и т.д. Однако, при использовании гибкой положки и корпусных электронных компонентов возникает вопрос обеспечения требуемой механической прочности в местах соединения выводов компонентов с печатной платой. При изгибе платы происходит отрыв проводящего слоя от подложки. Применение клеевого соединения в местах крепления компонентов позволяет устранить эту проблему.

Заключение

Подводя итоги, можно с уверенностью сказать, что данный метод изготовления печатных плат полностью соответствует необходимым требованиям, прост в осуществлении, при относительно минимальных затратах. Проводящее покрытие, изготовленное предлагаемым методом, имеет низкое удельное сопротивление и позволяет осуществлять пайку элементов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Проводящие чернила NBSIJ-MU01 http://www.k-mpm.com/agnanoen/pdf/msds_nbsij-mu01.pdf

2. Материалы для печати http://www.k-mpm.com/agnanoen/agnano_media.html

3. Уарова Р.М., Ванников А.В., Чуркин А.В. Основы цифровой печати: учеб. Пособие. Моск. Гос. Ун-т печати. М: МГУП, 2005. 448 с.

4. Струйный принтер DCP-J105 http://sup-port.brother.com/g/b/producttop.aspx?c=ru&lang=ru&prod=dcpj105_all

5. Цифровой мультиметр Yokogawa 7555 http://cdn.tmi.yokogawa.com/7 555spec.pdf

6. Smith, P.J.; Shin, D.-Y.; Stringer, J.E.; Derby, B. Direct Ink-jet Printing and Low Temperature Conversion of Conductive Sliver Patterns. J. Mater. Sci. 2006, 41, 4153

7. Wenzel, R.N. Resistance of Solid Surfaces to Wetting by Water. Ind. Eng. Chem. 1936, 28, 988

8. Ohlund, T.; Ortegren, J.; Forsberg, S.; Nilsson, H-E. Paper Surfaces for Metal Nanoparticle Inkjet Printing. Appl. Surf. Sci. 2012, 259, 731

9. Проводящий двухкомпонентый клей https://www.mgchemicals.com/downloads/tds/tds-8331s-2parts.pdf

w( =

w, =

1

1« ,- ч cose

sin29 sine