CC BY
21
автомобилей КамАЗ. // Теоретические и прикладные аспекты современной науки. 2014. № 2. С. 83 — 85.
7. Зиганшин Р. А., Захаров Н. С., Зиганшина А. В. [и др.]. Влияние свойств трансмиссионных масел на надежность специальной нефтепромысловой техники в условиях холодного климата // Наука и бизнес: пути развития. 2013. № 10. С. 35 — 39.
8. Корнеев С. В., Буравкин Р. В., Аноприенко А. А., Иван-ников А. А. Современные подходы к технической эксплуатации техники и оборудования в условиях низких температур // Журнал Сибирского федерального университета. 2015. № 4. С. 414-418.
9. Войтов В. А., Митиков С. А. Системный подход в подборе трансмиссионных масел к механическим агрегатам трансмиссии. // Автомобильный транспорт. 2007. № 20. С. 19-21.
10. Иванов А. В., Селезнев М. В. К вопросу о периодичности смены трансмиссионных масел в процессе эксплуатации автомобилей // Вестник НГИЭИ. 2016. № 10. С. 94-102.
КОРНЕЕВ Сергей Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Химическая технология и биотехнология» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).
ПАШУКЕВИЧ София Вячеславовна, студентка гр. ЭРС-141 нефтехимического института ОмГТУ. Адрес для переписки: [email protected] БУРАВКИН Руслан Валерьевич, кандидат технических наук, начальник отдела Управления внешнеэкономических связей ОАО «Сургутнефтегаз», г. Сургут.
Адрес для переписки: [email protected]
АНОПРИЕНКО Александр Анатольевич, начальник производственного отдела по ремонту нефтепромысловой и автотракторной техники Управления технологического транспорта, спецтехники и автомобильных дорог ОАО «Сургутнефтегаз», г. Сургут. МАЧЕХИН Николай Юрьевич, доцент кафедры «Ремонт бронетанковой и автомобильной техники» Омского автобронетанкового инженерного института.
Статья поступила в редакцию 26.09.2017 г. © С. В. Корнеев, С. В. Пашукевич, Р. В. Буравкин, А. А. Аноприенко, Н. Ю. Мачехин
УДК 655.33:621.382 С. Н. ЛИТУНОВ
И. À. СЫСУЕВ Е. Н. ГУСАК
Омский государственный технический университет, г. Омск
К ВОПРОСУ
ОБ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОЧИСТКЕ ТРАФАРЕТНЫХ ФОРМ_
Предложен метод регенерации печатной пасты, применяемой при изготовлении LTCC-микросхем. Разработано ла бораторное устройство для проведения испытаний. Опыты показали, что наилучший результат достигается при расстоянии от волновода до поверхности печатной формы 3,5 мм, при скорости движения устройства по форме 3—4 см/с. Н аилучшей средой для очистки яв ляется дистиллированная вода и этиловый спирт в соотношении 1:1 при температуре 15—17 °С.
Ключевые слова: ультразвуковая очистка, трафаретная печать, LTCC-технология.
Введение. В последние годы происходит стремительный рост интереса производителей радиоэлектронной аппаратуры к технологии низкотемпературной совместно обжигаемой керамики (ЬТСС-технология). Такие микросхемы представляют собой многослойные системы. На каждом слое микросхемы формируют поверхностные элементы: резис-тивные, емкостные, индуктивные, а также токо-проводные дорожки, соединяющие их [1, 2].
В качестве материала слоя используют специальную, так называемую «зеленую» керамику на основе стеклокерамических композитов и кристаллического стекла. В качестве материала для формирования поверхностных элементов применяют специальные пасты, представляющие собой суспензию металлического порошка (золота или серебра) в связующем. Составы, как керамики, так и паст, сложны
и содержатся их производителями в секрете. Мировыми лидерами в производстве таких материалов являются фирмы «Du Pont» и «Ferro» (США). В России также предпринимаются попытки создания паст и «зеленой» керамики [3]. Однако, судя по их применению в промышленности, отечественные материалы отстают по своим характеристикам от зарубежных. При этом стоимость паст зарубежного производства может превышать стоимость исходных металлов (золота и серебра) в 250 — 300 раз.
Для нанесения рисунка пастой на листе «зеленой» керамики применяют способ трафаретной печати. Согласно требованиям [1] минимальная ширина проводника должна быть не более 0,1016 мм, а минимальное расстояние между соседними проводниками — не более 0,127 мм. Таких характеристик позволяют достичь только трафаретные печатные формы,
о
оэ
Рис. 1. Схематичное изображение печатной формы с пастой: 1 — нити сетчатой основы;
2 — пространство между копировальным слоем и нитями;
3 — копировальный слой; 4 — лист «зеленой» керамики;
5 — печатающий элемент; 6 — ракель
изготовленные прямым способом с использованием пленочного копировального слоя. Особенностью такой формы является то, что при изготовлении формы копировальный слой погружается в сетку на глубину, которая зависит от параметров сетки и толщины пленочного копировального слоя и составляет 10 — 20 мкм (рис. 1).
Во время печатного цикла ракель 6, продавливая пасту через печатающие элементы 5, сформированные в копировальном слое 3, на лист «зеленой» керамики 4, заполняет пространство 2 между нитями сетки и копировальным слоем. По окончании печатания собрать пасту с поверхности формы полностью не удается. Оставшуюся на форме пасту смывают растворителем и утилизируют. Наблюдения показали, что при малых тиражах, свойственных опытному производству, на форме остается до 90 % применяемой пасты. Таким образом, задача сбора дорогостоящей пасты с поверхности печатной формы с целью ее дальнейшей регенерации является актуальной.
Постановка задачи. Для регенерации пасты, с целью дальнейшего ее использования по прямому назначению было предложено использовать ультразвук. Его применение давно известно, однако работы по совершенствованию технологии применения ультразвука в полиграфии и радиоэлектронике продолжаются [4 — 7]. В радиотехнической промышленности ультразвук широко используют для очистки радиодеталей различного назначения [8— 10].
Также известно применение ультразвука для очистки фольговых трафаретных форм, которые используются в технологии поверхностного монтажа (ЯМТ-технология) [11 — 13]. При этом не стоит задача сохранения копировального слоя, так как форма изготавливается из никелевого листового проката. О регенерации паяльной пасты речи в указанных работах не идет.
Кроме того, в качестве среды для распространения ультразвука применяют растворители (спирт и другие углеводороды), нагретые до определенной температуры [14, 15]. Такой выбор связан, прежде всего, с эффективностью очистки без учета необходимости регенерации паяльной пасты.
Основная задача данной работы заключается в разработке технологии очистки поверхности печатной формы от пасты, применяемой в ЬТСС-технологии, и ее регенерации. Кроме того, в задачу исследования входил подбор основных параметров технологии при ее применении.
Описание эксперимента. Основные требования к разрабатываемой технологии заключаются в следующем:
1. Копировальный слой печатной формы после ее очистки должен остаться не поврежденным и готовым к дальнейшему использованию.
2. Рабочая жидкость для прохождения ультразвука не должна вступать в химическую реакцию со связующим пасты.
Для экспериментов была изготовлена трафаретная форма из сетки из нержавеющей стали плотностью 150 нит./см. В качестве копировального слоя использовали капиллярную пленку ОРС-18 фирмы ЯЛЛТ1 (Италия). Толщина копировального слоя 18 мкм. Она предназначена для сеток плотностью 150- 180 нит./см.
Для выбора рабочей жидкости были проведены эксперименты по определению скорости набухания копировального слоя дистиллированной водой и этиловым спиртом. Такой выбор обусловлен тем, что рабочая жидкость не должна разрушать связующее пасты. Дистиллированная вода обладает большим поверхностным натяжением (72,7 мН/м) и обычно ее не используют для очистки деталей. Однако основным требованием к среде было отсутствие химического взаимодействия со связующим пасты. Поверхностное натяжение этилового спирта значительно ниже (22,3 мН/м), но скорость его испарения на порядок выше скорости испарения воды, что позволяет сделать предположение о более простом удалении спирта из пасты при ее регенерации. Скорость набухания определяли гравиметрическим методом. Образцы сухой капиллярной пленки размерами 30x30 мм взвешивали с помощью электронных весов ОИЛиЯ модель РЮЫЕБЯ (Китай) с точностью измерения ±0,0005 г. Затем укладывали в емкость с водой или спиртом, выдерживали определенное время и снова взвешивали. Так как исходный вес образцов различался, то вес набухшей пленки приводили к 1 см2.
Перед проведением опытов по очистке печатной формы проводили имитацию печати пастой для изготовления ЬТСС-микросхем с помощью модельной жидкости, а затем воздействовали на форму ультразвуком. На рис. 2 показан фрагмент печатной формы с нанесенной на ее поверхность модельной жидкостью после воздействия ультразвуком. На рисунке хорошо различим участок с удаленной модельной жидкостью.
Расстояние между волноводом и поверхностью формы рекомендовано выбирать из условия длины волны ультразвука в среде. Наилучшие результаты получаются, если расстояние будет кратно целому количеству волн или полуволн. Для частоты 25 кГц в воде длина волны составляет 7,1 мм. Учитывая рассеяние волны в вязкоупругой среде, выбрали расстояние, равное полуволне — 3,5 мм.
Далее проводили исследование влияния температуры рабочей жидкости на скорость: очистки пасты с поверхности печатной формы; отслаивания копировального слоя на форме. Для этого воздействовали ультразвуком на поверхность печатной формы с нанесенной на ее поверхность модельной жидкостью при разной температуре рабочей жидкости.
Для проведения опытов по определению эффективности воздействия ультразвука на пасту был разработан и изготовлен лабораторный макет устройства для очистки. На рис. 3 показана схема, а на рис. 4 — внешний вид лабораторного макета.
Такая конструкция устройства обусловлена снижением времени воздействия рабочей жидкости на копировальный слой. Устройство работает следующим образом. Через трубку 5 в корпус 4 пода-
Рис. 2. Фрагмент печатной формы с модельной жидкостью после обработки ультразвуком в рабочей жидкости при температуре 17 °С и продолжительности обработки 8 с
вали рабочую жидкость. На вход волновода подавали ультразвук. Устройство перемещали по поверхности печатной формы с определенной скоростью. Из трубки 6 с помощью пылесоса отсасывали рабочую жидкость, которая скапливалась в специальном отстойнике (на рис. 4 не показан). После прохождения устройства на поверхности формы оставался минимальный слой рабочей жидкости, что позволяет снизить ее воздействие на копировальный слой до минимума.
Лабораторный макет использовали для изучения влияния температуры рабочей жидкости на скорость очистки формы и набухание капиллярной пленки. Детали корпуса изготовили с помощью 3Э принтера модели РшБа 13, класса ЯерЯар с печатающим прутком из РЬЛ-пластика. В качестве источника ультразвука использовали установку УЗП-100, которая генерирует ультразвук с частотой 25 кГц с амплитудой 10 мкм.
Вследствие высокой стоимости вместо пасты использовали модельную жидкость: металлизированную пластизольную краску «под серебро» фирмы «Спика технология» (Россия). Особенностью такой краски является вязкость, близкая к вязкости пасты (750 Па-с), и закрепление с помощью нагрева до 150 °С. То есть в обычных условиях краска не высыхает, что позволяет работать с ней в комфортных условиях.
Критерием эффективности работы лабораторного устройства считали полное удаление пасты с ее поверхности при целостности копировального слоя. Это параметр определяли визуально. На рис. 5 приведен пример разрушенного участка капиллярного слоя при избыточной ее обработке ультразвуком.
На рис. 6 показана поверхность печатной формы после обработки ультразвуком. На поверхности модельной жидкости заметны поперечные полосы обработки, говорящие о недостаточной очистке формы.
Результаты и обсуждение. На рис. 7 приведены результаты экспериментов по определению скорости набухания копировального слоя. При проведении предварительных экспериментов было выяснено, что воздействие рабочей жидкости, как воды, так и спирта, на копировальный слой в течение более 20 с ведет к его отслаиванию. Из рисунка видно, что набухание образцов капиллярного слоя в воде и эти-
Рис. 3. Схема лабораторного макета: 1 — ванна; 2 — формная рама с натянутой сеткой; 3 — волновод; 4 — корпус;
5 — трубка с подачей рабочей среды;
6 — трубка отсоса рабочей жидкости
Рис. 4. Внешний вид лабораторного макета
Рис. 5. Участок копировального слоя с печатающими элементами в виде контактных площадок и проводников микросхемы. Кругом отмечен участок, разрушенный воздействием ультразвука
ловом спирте происходит практически с одной скоростью. Различия в значениях не превышают погрешность измерений. На основании того, что этиловый спирт обладает более высокой смачиваемостью, чем вода, однако более дорог и быстрее испаряется при работе, дальнейшие эксперименты проводили с использованием смеси дистиллированной воды и этилового спирта в соотношении 1:1.
Опыты по определению оптимальной температуры рабочей жидкости показали, что наилучший результат достигается при 15—17 °С. При этой температуре наблюдается довольно быстрое удаление пасты с поверхности формы и минимальное воздействие рабочей жидкости на копировальный слой. При более высокой температуре удаление пасты с формы происходит более эффективно, при этом отслаивание копировального слоя растет.
Рис. 6. Поверхность печатной формы
после обработки ультразвуком: температура рабочей жидкости 15 °С, время обработки 6 с, расстояние от волновода до поверхности формы 0,5 мм
Рис. 7. Зависимость набухания образца капиллярного слоя от времени в воде и спирте
Опыты по обработке поверхности печатной формы с помощью лабораторного устройства показали, что удаление пасты с поверхности формы в количестве 80 — 85 % при сохранении целостности копировального слоя достигается при скорости 3 — 4 см/с при однократном проходе. При меньшей скорости наблюдается отслаивание копировального слоя, а при большей — эффективность устройства резко падает.
Заключение. Для изготовления микросхем по LTCC-технологии используют дорогостоящие пасты. Эти пасты наносятся способом трафаретной печати, со специально изготовленной трафаретной формой.
Одной из проблем является регенерация пасты, которая остается на форме. Проведенные эксперименты и разработанное лабораторное устройство позволили определить основные параметры технологии регенерации пасты после окончания печатания. В частности, в качестве рабочей жидкости предложено использовать смесь дистиллированной воды и этилового спирта в соотношении 1:1. Скорость движения лабораторного устройства по поверхности формы при однократном проходе составляет 3 — 4 см/с. Расстояние между волноводом и поверхностью формы — 3,5 мм.
Библиографический список
ненных по LTCC-технологии. Заказная тонкопленочная продукция. 32 с. URL: http://www.etsc.ru/files/atc/atc_ltcc_ products_guide_rus.pdf (дата обращения: 29.09.2017).
2. Кондратюк P. LTCC — Низкотемпературная совместно обжигаемая керамика // Наноиндустрия. Промышленные нанотехнологии. 2011. № 2. С. 26-30.
3. Непочатов Ю., Кумачёва С., Швецова Ю. [и др.]. Разработка отечественного керамического материала для изготовления изделий по технологии LTCC // Современные технологии. 2014. № 4. С. 12-14.
4. Пат. 112093 Российская Федерация, МПК B 41 F 23/04. Офсетная ротационная печатная машина / Калмаков Е. Б., Литунов С. Н., Хмелев В. Н. № 2011135974/12; заявл. 29.08.11; опубл. 10.01.12, Бюл. №1.
5. Verhaagen B., Zanderink T., Rivas D. F. Ultrasonic Cleaning of 3D Printed Objects and Cleaning Challenge Device // Applied Acoustics. 2016. Vol. 3, Part B. P. 172-181. DOI: 10.1016/ j.apacoust.2015.06.010.
6. Safak G. O. Further Investigations on Simultaneous Ultrasonic Coal Flotation // Minerals. 2017. Vol. 7, Issue 10. P. 177. DOI: 10.3390/min7100177.
7. Wen N., Peng S., Yang X. [at al.] A Cycle-Etching Approach toward the Fabrication of Superamphiphobic Stainless Steel Surfaces With Excellent Anticorrosion Properties // Advanced Engineering Materials. 2017. Vol. 19, Issue 6. 8 p. DOI: 10.1002/ adem.201600879.
8. Гарбуз Д. Установки струйной отмывки Systronic: автоматизация процесса отмывки печатных узлов // Технологии в электронной промышленности. 2014. № 8 (76). С. 40-41.
9. Афанасьев В. Определение наиболее эффективного способа отмывки печатных узлов. Лабораторная работа // Технологии в электронной промышленности. 2010. № 5 (41). С. 26-30.
10. Финк В. выбор технологической схемы промывки печатных узлов на установках типа Unidean // Технологии в электронной промышленности. 2012. № 5 (57). С. 38-43.
11.Вахрушев О., Кантер А. Новое решение по ультразвуковой очистке трафарета // Технологии в электронной промышленности. 2009. № 5 (33). С. 22-23.
12. Вахрушев О. Отмывка печатных плат и трафаретов // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 1 (21). С. 48-56.
13. Антипов В. Отмывка печатных плат и трафаретов // Технологии в электронной промышленности. 2014. № 1 (69). С. 54-62.
14. Кивелев А. Вы все еще используете спирт для протирки трафаретов? // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 2 (14). С. 37-39.
15. Переятенец А., Лебедева Н. «AIM» означает «цель» // Компоненты и технологии. 2004. № 43. С. 186-188.
ЛИТУНОВ Сергей Николаевич, доктор технических наук, доцент (Россия), заведующий кафедрой «Оборудование и технологии полиграфического производства».
СЫСУЕВ Игорь Александрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства».
ГУСАК Елена Николаевна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Оборудование и технологии полиграфического производства». Адрес для переписки: [email protected]
1. American Technical Ceramics. Руководство по разработке продуктов на основе многослойных керамических плат, выпол-
Статья поступила в редакцию 03.10.2017 г. © С. Н. Литунов, И. А. Сысуев, Е. Н. Гусак
