Методика помола исходных материалов

УДК 621.315: 621.316.8

Гусев А.М., Трусов В. А.

Gusev, AM, Trusov VA

Методика помола исходных материалов

Methods of grinding of raw materials

В статье рассматриваются методика помола исходного материала и процесс изготовления резистивной пасты.

The article deals with the method of grinding the starting material and manufacturing process resistive paste.

В толстопленочной технологии в качестве материалов электропроводных соединений и контактов используются проводниковые пасты, к которым предъявляются следующие требования:

- способность выдерживать многократную пайку;

- хорошая электропроводность;

- хорошая адгезия к подложке;

- совместимость с резистивной пастой;

- устойчивость к проникновению других веществ;

- сопротивляемость миграции под действием электромагнитных полей

[1].

В качестве материалов проводниковых паст обычно применяют благородные металлы и их сплавы (Pt-Au, Pd-Au, Ag-Pd и Au). Пасты на основе Ag-Pd получили наибольшее распространение как наиболее дешевые, хотя без герметизации они подвержены миграции и коррозии. При концентрации Pd в них порядка 20 - 25% свойства этих паст вполне удовлетворительны. Введение Pd в состав проводниковых паст сильно замедляет диффузию серебра, но не исключает ее полностью. Диффузии серебра с контактных площадок и процессам, происходящим в переходной зоне «контактная площадка - резистивный слой», посвящен целый ряд работ [2 - 4]. Авторами установлено, что миграция серебра с контактных площадок

происходит благодаря росту дендритов на глубину до 0,4 мм [2], 2 мм [3] и особенно усиливается в присутствии влаги [4]. Капсуляция резистора либо нанесение защитного покрытия на поверхность резистивного элемента резко замедляют этот процесс.

В работе [4] предлагается введение в состав резистивной пасты нескольких процентов золота (до 4% вес.), что практически полностью устраняет миграцию серебра в резистивный слой и, соответственно, сопротивление такого резистора не зависит от геометрии и от площади контакта проводника и резистора. Кроме того, добавление золота в резистивную пасту позволяет исключить появление вблизи контактной площадки и резистивного слоя участка с аномально высоким удельным сопротивлением, которое обуславливает появление начального скачка переходного контактного сопротивления в переменных и подстроечных резисторах. Это связано с образованием в переходной зоне «резистивный слой - контактная площадка» сульфида серебра [5, 6].

Материалы проводящей фазы и стекла перед изготовлением резистивной пасты подвергаются измельчению. Целью данной

технологической операции является получение высокодисперсных порошков заданного гранулометрического состава и дисперсности.

Для помола небольших лабораторных партий композиций используют малогабаритные шаровые мельницы с керамическими барабанами внешним диаметром 90, 120, 150, 180, 210, 240 и 360 мм. Шаровые мельницы имеют устройство для плавной регулировки частоты вращения. В барабан загружают в необходимом количестве исходные компоненты, воду или раствор спирта, шары и при вращении происходит мокрое измельчение. При этом эффективность процессов зависит от числа оборотов барабана, размера и массы шаров, а также количества загруженного материала. Оптимальную частоту вращения N при мокром смешивании обычно рассчитывают по формуле

где D - внутренний диаметр керамического барабана.

Во время вращения барабана шары ударяются о его внутренние стенки, сталкиваются между собой, при этом происходит истирание внутренней поверхности и шаров, что приводит к загрязнению шихты. Поскольку шары истираются сильнее, чем стенки барабана, то для уменьшения загрязнения необходимо применять шары повышенной износостойкости, предпочтительнее всего агатовые. В последнее время появились довольно высококачественные шары из корундовой керамики и, по-видимому, существуют большие возможности их дальнейшего улучшения. Для уменьшения износа внутренней поверхности барабана ее иногда покрывают резиной или пластмассой.

Для составления в лаборатории малых количеств пасты, массой до 20 г, пользуются агатовой ступкой с пестиком. Для хорошего смешивания таких порций обычно достаточно 30...60 мин.

Отклонение частоты вращения шаровой мельницы от оптимальной недопустимо. Пусть частота вращения равна f с-1; масса шаров т, кг; ускорение свободного падения g, м/с2; диаметр барабана D, м. Если частота вращения слишком высока (рис. 1,а), то шары вращаются вместе с барабаном. Если же она слишком мала, то шары лишь скапливаются внизу (рис. 1,б). При оптимальной частоте вращения (рис. 1,в) шары поднимаются до наивысшей точки, а затем падают вниз, при этом эффективность процесса помола наибольшая. При такой частоте вращения условия таковы, что сила тяжести шаров несколько больше центробежной силы, обеспечивающей

вращение шаров. Поскольку центробежная сила равна mDw2, а сила

тяжести mg, получим

D 2 D

т — w = т —

D

D

(2pf )2 =h2 mg,

2

2

где h - константа меньше 1.

Если частоту вращения в минуту обозначить через N, об/мин, то получим

N = 60 f = h

6pyg

2k4d

42,4

_hVD •

Экспериментально установлено, что

h = 0,66...0,75.

Подставив эту величину в (2), получим выражение (1).

а) б) в)

Рис. 1. Зависимость движения шаров от частоты вращения шаровой мельницы:

а - частота завышения; б - недостаточная; в - оптимальная

юа > юб > юв.

Можно смешивать и измельчать исходные компоненты резистивных материалов и в шаровых мельницах сухим способом без добавления воды и спирта. Сухое смешивание удобнее мокрого, т.к. при этом отпадает операция обезвоживания и сушки. Но эффективность сухого перемешивания и помола

всегда ниже мокрого, и при мокром процессе гранулометрический состав композиций более равномерный.

После окончания помола или перемешивания композицию обезвоживают и сушат. Для обезвоживания малых количеств порошка применяют фильтровальную бумагу, которая впитывает воду. Частично обезвоженную шихту ставят в сушильные печи типа СНОЛ.

Обезвоживание контролируется по весу сухого остатка и в зависимости от вида и количества исходных компонентов продолжается 0,5.. .3 ч.

Помол стекла и проводящей фазы осуществляется в спиртоводном растворе. Количество стекла, агатовых шаров и раствора обычно относится как 50:25:25% вес. Измельчение стекла обычно происходит в течение 8.10 ч. Далее контролируется гранулометрический состав полученного порошка, если размеры частиц стекла и распределение частиц по размерам не соответствуют заданным требованиям, производится дополнительный помол стекла. После выгрузки суспензии стекла и проводящего материала из барабана производится обезвоживание и сушка полученного порошка в сушильных печах. Сушку полученных порошков проводят не менее 10 ч. Процесс сушки обычно контролируют по убыли веса. Полученные после сушки порошки просеивают через сита и упаковывают в герметичную посуду.

При изготовлении керметных резистивных материалов используются материалы заданного состава с контролируемым содержанием примесей и легирующих добавок, поэтому к условиям хранения этих материалов предъявляются особые требования, заключающиеся в следующем:

- емкости для хранения исходных компонентов должны быть такими, чтобы предохранять их от проникновения загрязнений;

- в местах хранения должна отсутствовать пыль, в готовые порошки не должна попадать влага;

- каждая партия исходных компонентов должна усредняться по составу. Для каждой партии должны фиксироваться дата, номер партии и тип материала.

Принципиальная схема изготовления керметных

резистивных материалов

Пример схемы изготовления керметных резистивных материалов на основе композиции проводящей фазы и стекла, диспергированных в органическом связующем, представлен на рис. 2.

Исходными компонентами резистивной пасты являются проводящий материал, стекло и органическое связующее. Для регулирования электрических параметров керметных резистивных материалов концентрация проводящего материала изменяется от 10 до 70% вес. Органическое связующее обычно составляет около (30-50)% от общего содержания стекла и проводящей фазы. Составление композиций начинается с взвешивания исходных компонентов в необходимых соотношениях. Взвешивание компонентов осуществляется на аналитических весах.

На первом этапе технологического процесса происходит смешивание компонентов резистивного материала (проводящего материала и стекла), которое обычно осуществляется в шаровых мельницах в присутствии спиртоводного раствора. После перемешивания, при котором происходит и дополнительный помол частиц исходных материалов, композиция высушивается. Перемешивание небольших партий можно проводить в агатовых ступках после предварительного многократного просеивания порошков через сита. После перемешивания исходных компонентов проводящего материала и стекла производится сушка полученной суспензии.

Основными операциями технологического процесса изготовления толстопленочных резисторных компонентов являются формирование толстопленочных элементов и их термообработка.

Органическое связующее вводится в высушенную композицию, и приготовление паст обычно производится на валковых пастотерках

Рис. 2. Технологический процесс изготовления керметных

резистивных материалов

Рис. 3. Принципиальная схема трафаретной печати: 1 - основание с местом крепления пластины; 2 - керамическая пластина; 3 -эмульсионный слой; 4 - ракель; 5 - паста; 6 - сетка трафарета

Трафарет играет основную роль при формировании толстопленочного элемента - он не только обеспечивает требуемую конфигурацию толстопленочного элемента, но и дозирует количество пасты, поступающей на подложку. Трафарет представляет собой, как правило, эластичный экран, с "окнами", точно соответствующими конфигурации формируемого элемента, а его толщина во многом определяет количество пасты, поступающей на подложку.

Ракель - это пластина из синтетического материала, устойчивого к воздействию компонентов паст и различных растворителей, имеющая вид ножа. Рабочая кромка ракеля заострена и во время движения по поверхности трафарета оказывает давление на пасту вперед и вниз. Конструкция ракеля, его эластичность, угол атаки и т.д. определяют количество пасты, поступающей на подложку.

Пасты - композиционные материалы, являющиеся полуфабрикатами при изготовлении толстопленочных элементов. Они представляют собой суспензии порошков функциональных материалов в высоковязких органических жидкостях или их смесях -органических связующих.

Функциональным материалом является вещество, определяющее свойства формируемого элемента. Так, в качестве функциональных материалов проводниковых паст используют вещества с высокой проводимостью (металлы, сплавы, а также их смеси), диэлектрических и изоляционных паст -вещества с минимальной проводимостью (стекловидные диэлектрики различных типов, композиционные материалы на их основе), а резистивных паст - вещества с промежуточной проводимостью (металлы, сплавы, их оксиды, бориды, силициды и др.).

Пасты, как правило, содержат порошки стекол, которые после вжигания паст расплавляются, соединяют частицы функционального материала друг с другом и с подложкой и играют роль постоянного связующего. В ряде случаев, например, в резисторах, стекла играют и активную роль - они в немалой степени определяют величину сопротивления последних.

При перемешивании пасты перед трафаретной печатью и переносе ее ракелем на сетку происходит частичное разрушение образовавшегося каркаса, в результате ее вязкость уменьшается. При воздействии на пасту сил, возникающих при движении ракеля по трафарету в процессе трафаретной печати за время от t1 до t2, происходит дальнейшее разрушение каркаса и уменьшение ее вязкости, в результате паста легко проникает через ячейки трафарета на подложку. После того, как паста поступает на подложку и воздействие на нее внешних сил прекращается, вновь начинается самопроизвольное ее структурирование, вязкость возрастает и

восстанавливается к моменту t3. Это препятствует растеканию сформирован-

ного отпечатка.

Рассмотренное явление разжижения дисперсной системы при воздействии на нее внешних сил и ее самопроизвольного застудневания при снятии нагрузки называется тиксотропией.

Следует отметить, что большинство паст имеют небольшую степень тиксотропии.

Статья подготовлена в рамках реализации проекта «Производство композиционных материалов на основе метода определения оптимальных размеров частиц» (ГК № П416 от 12 мая 2010 г.) ФЦП «Научные и научнопедагогические кадры инновационной России (2009-2013 гг.)».

Список использованных источников информации

1. Третьяков Ю.Д., Метлин Ю.Г. Керамика - материал будущего.М.,1987.

2. Физическое металловедение / Под ред. Р. Канна. - Вып. 1. - М.: Мир, 1967. - 333 с.

3. Рид С. Электронно-зондовый микроанализ. - M.: Мир, 1979. - 423 с

4. Боровский И.Б. Использование РСМА в изучении кинетики формирования

керметных резистивных материалов / И.Б. Боровский, Д.М. Иванов, В.Г. Недорезов, Т.Н. Каминская // Тезисы докладов Х Всесоюзной научнотехнической конференции «Локальные рентгеноспектральные

исследования и их применение». - Ижевск, 1985. - С. 285.

5. Алексеев Е.В., Росляк А.Т., Квеско Н.Г., Ворошилов А.С. Исследование процесса седиментации угольных частиц применительно к анализу гранулометрического состава угольной пыли в шахтах // Доклады III всероссийской научной конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы современной механики», г. Томск, 2002, с.203 - 204.

6. Алексеев Е.В., Росляк А.Т., Смоловик В.А. Разработка компьютеризированных комплексов для проведения виртуальных лабораторных работ // Открытое и дистанционное образование, 2004, № 2, Томск, с. 27 - 33.