CC BY
0
40. Удалов Ю.П. Применение программных комплексов вычислительной и геометрической термодинамики в проектировании технологических процессов неорганических веществ. СПб.: СПбГТИ (ТУ), 2012. 187 с.
41. Ахназарова С.Л., Кафаров В.В. Методы оптимизации эксперимента в химической технологии. М.: Высшая школа, 1985. 327 с.
42. Инков А.М., Тапалов Т., Умбетов У.У., Ху Вен Цен В., Ахметова К.Т., Дьякова Е.Т. Методы оптимизации: электронная книга. ЮКГУ, 2003
43. Очков В.Ф. Mathcad 14 для студентов, инженеров и конструкторов.-СПб.: БХВ-Петербург, 2009. 512 с.
Гончаренко Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»,
Утетилеуов Рауан Ержанович, соискатель, [email protected], Россия, Москва, Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
MODELING TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR PRODUCING FERROALLOY FROMFERROSILICOMANGANESE
PRODUCTION DUSTS
S.N. Goncharenko, R.E. Utetileuov
The author presents results of the study of temperature and carbon amount influence on the process of forming a grade ferroalloy from dust obtained in the process of ferrosilicomanganese production. The study applies thermodynamic modeling method based on searching for optimal values of the Gibbs energy. For thermodynamic forecasting, the author uses characteristics of dust rich in lead and zinc, obtained from ferrosilicomanganese production. The study determines influence of temperature and amount of carbon on the equilibrium degree of manganese, silicon and iron distribution.
Key words: dust, ferrosilicomanganese, ferroalloy, carbon, thermodynamic modeling, rotatable planning.
Goncharenko Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Moscow, National Research Technological University "MISIS",
Utetileuov Rauan Yerzhanovich, applicant, [email protected], Russia, Moscow, National Research Technological University "MISIS"
УДК 655.33
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-9-637-638
ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ НАНЕСЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ЬТСС-МИКРОСХЕМ
С.Н. Литунов
Предложено для получения проводников шириной 50...100 мкм при изготовлении LTCC-микросхем использовать печать с цельнометаллических форм. Для определения параметров печатного устройства с помощью теплового лазера получены отверстия диаметром (выход/вход) 55/75 и 80/120 мкм в фольге толщиной 50 мкм. Построены трехмерные модели отверстий и рассчитаны зависимости давления от скорости пасты на входе в отверстие. Устройство для нанесения топологии проводников на поверхность одного из слоев микросхемы должно обеспечивать давление на поверхность печатной фольговой формы от 17 до 26 Кпа.
Ключевые слова: LTCC-микросхема, фольговые печатные формы, ширина проводников
Введение. Для нанесения топологии проводников на поверхность одного из слоев микросхемы используют пастообразное вещество - шликер, включающий связующие материалы, пластификаторы, диспергирующие добавки и растворители [1, 2, 3]. Конечный продукт имеет высокую вязкость, до нескольких сотен Па^с. Традиционно для нанесения шликера используют способ трафаретной печати, который представляет собой продавливание пасты на запечатываемую поверхность через сетчатую основу печатной формы. Этот способ печати обладает известными технологическими ограничениями. С точки зрения производства LTCC-микросхем наиболее серьезными ограничениями являются, во-первых, низкая разрешающая способность трафаретной печати; во-вторых, деформация наносимого изображения в ходе его нанесения.
Второй из указанных недостатков обусловлен тем, что ракель, инструмент, применяемый для продавлива-ния пасты на запечатываемую поверхность, оказывает тянущие усилия на поверхность печатной формы во время рабочего хода. Для снижения этого эффекта в LTCC-технологии в качестве основы печатной формы применяют сетки, сплетенные из проволоки из нержавеющей стали. Первый недостаток вытекает из второго — минимальный диаметр проволоки ограничен. Наиболее плотная сетка имеет диаметр проволоки 16 мкм при плотности 196 нит./см [4]. Но для использования вязких металлизированных паст приходится применять менее плотные сетки, например, сетку BOPPSD 125-30 (плотность 125 нит./см, диаметр нити 30 мкм). В [5] отмечается, что одной из основных проблем при печати изображений, имеющих размер порядка сотен микрометров, является деформация сетчатой основы трафаретной формы. Там же отмечено, что при изготовлении ЬТСС-микросхемы требуется воспроизводить контактные площадки и токоведущие элементы шириной порядка 50 мкм. Однако в условиях производства удается стабильно воспроизводить проводники шириной не менее 100 мкм.
Еще одной проблемой при печати элементов микросхем является зубчатый контур на границе изображения и растекание пасты за пределы печатающего элемента, которое принято называть «шприц» (рис. 1).
Рис. 1. Изображение токопроводных дорожек микросхемы (слева) и увеличенный фрагмент изображения (справа). Фотографии получены с помощью микроскопа МБС-10 и цифровой фотокамеры Меон 5000
Кроме того, важную роль играет расположение элементов изображения (дорожек, контактных площадок) относительно нитей сетчатой основы печатной формы, что на практике носит случайный характер. Нужно отметить, что после каждого использования печатной формы требуется ее смывка, в результате которой часть печатающих элементов неизбежно получает повреждения, особенно заметные, учитывая малый их малый размер [6].
Указанные обстоятельства ведут к ограничению минимальных размеров воспроизводимых элементов микросхемы, что снижает характеристики, как микросхемы, так и всего комплекса радиоаппаратуры. Выходом из создавшегося положения может быть использование цельнометаллических печатных форм, полученных на металлической фольге с помощью теплового лазера [7]. Принцип печати и фрагмент изображения, полученного с помощью фольговой формы, показаны на рис. 2.
"1 УА^^д
Рис. 2. Принцип печати (слева) и фрагмент изображения (справа): 1 - фрагмент печатной формы;
2 - печатающий элемент; 3 - отверстие в печатающем элементе; 4 - запечатываемый материал;
5 - элементы напечатанного изображения
Принцип действия такого способа печати заключается в продавливании специальной пастообразной краски через отверстия в печатающем элементе. Для создания давления используют цилиндр, катящийся по поверхности печатной формы (на рис. 2 не показан). Под действием цилиндра краска заполняет весь объем печатающего элемента и достигает поверхности запечатываемого материала. После отделения печатной формы от запечатываемого материала на поверхности последнего остаются элементы изображения. Точность получаемого изображения в этом случае выше потому что, во-первых, фольга деформируется меньше сетки, во-вторых, элементы изображения получаются с более гладкой границей по сравнению с изображением, полученным с использованием плетеных сеток.
Анализ изображений на рис. 1 и рис. 2 показывает, что даже на неровной поверхности бумаги границы штриха более ровные, чем полученные способом трафаретной печати, что подтверждается в [8]. Там же отмечено, что предложенная технология позволяет получить штрихи шириной 30-60 мкм. Однако в указанной работе речь идет о краске для металлографской печати, состав и свойства которой существенно отличаются от пасты, применяемой для производства LTCC-микросхем.
С целью исследования возможностей применения цельнометаллической печатной формы для нанесения пасты на подложку LTCC-микросхемы были получены отверстия в алюминиевой фольге толщиной 50 мкм с помощью СО-лазера (рис. 3). Микрофотографии получены с помощью микроскопа JCM-5700. Такая толщина обусловлена тем, что для изготовления ЬТСС-микросхем используются подложки именно такой толщины [9].
Разные режимы работы лазера позволили получить отверстия диаметром, в среднем, на входе/выходе 120/80 мкм, и 75/55 мкм. Из-за особенностей плавления металла под действием лазерного луча отверстия имеют форму конуса. Сечение отверстия представляет собой неправильную окружность, на входе в отверстие заметен кратер, сформировавшийся при плавлении металла под действием лазерного луча. Объем отверстия, рассчитанный по средним значениям малого и большого диаметров, составил: 397708 мкм3 для отверстия 120/80 мкм; 167129 мкм3 для отверстия 65/55 мкм.
В печатном устройстве давление создается катящимся валиком. Для определения конструктивных характеристик валика и технологических параметров печатного устройства необходимо определить давление, при котором секундный расход через отверстие будет обеспечивать заполнение всего объема печатающего элемента за время прохождения валика над отверстием.
Время действия давления на входе в отверстия, определенное по методике, изложенной в [10] и [11], составило 0,0784-0,122 с. То есть, за это время паста должна полностью заполнить печатающий элемент известного объема через отверстие заданной площади. В таблице приведена скорость на входе в отверстие для разного времени прохождения валика над отверстием.
Рис. 3. Микроотверстия в алюминиевой фольге толщиной 50 мкм, 120/80 мкм - верхний ряд, 65/55 мкм - нижний ряд. В левом столбце — со стороны лазера, в правом — с противоположной стороны
Рассчитанные значения скорости прохождения пасты через отверстие, мкм/с
Отверстие вход/выход, мкм Время прохождения валика над отверстием, с
0,0784 0,122
80/120 1013 649
55/75 901 577
Таким образом, необходимо определить давление, которое необходимо задать на входе в отверстие, чтобы паста заполняла отверстие за время прохождения над ним валика.
ТЕОРИЯ. Для проведения расчетов приняли, что печатающий элемент имеет форму одиночного отверстия в виде усеченного конуса. В реальных условиях такой печатающий элемент используется для заполнения переходных отверстий между слоями микросхемы. Паста продавливается со стороны малого отверстия.
Для расчетов использовали программу FlowVision. Изменяемым параметром является скорость на входе в отверстие. При расчетах делали следующие допущения:
- паста представляет собой однородную вязкую среду.
- течение установившееся, ламинарное, сплошное;
- вязкость и плотность пасты постоянные;
- отверстие пустое, что соответствует полному ее опорожнению после каждого печатного цикла.
На рис. 4 приведены изображения 3-Э модели печатающего элемента в виде конусного отверстия, пропорции которого соответствуют отверстию, показанному на рис. 3.
Расчеты проводили в диапазоне скоростей, указанных в таблице, с шагом 91 и 81 мкм/с соответственно.
Рис. 4. Трехмерная модель печатающего элемента в виде конусного отверстия: слева внешний вид отверстия, справа - границы отверстия; 1 - вход в отверстие; 2 - выход из отверстия; 3 - стенки отверстия
639
F^23271.9
F-0 ~Г ; t=0.025
Рис. 5. Пример распределения давления на входе в отверстие 55/75 мкм при скорости 901 мкм/с (вверху) и расчетные зависимости давления от скорости пасты на входе в отверстие
Результаты и обсуждение. На рис. 5 показано распределение давления на входе в отверстие и расчетные зависимости давления от скорости пасты на входе в отверстие. Из рисунка видно, что давление на входе в отверстие достигает 23271,9 Па. На рисунке показана половина графика, вторая половина расположена симметрично относительно вертикальной оси отверстия.
Из рисунков видно, что зависимость имеет слабо выраженную нелинейность, что позволяет использовать линейную аппроксимацию такой зависимости для предварительных расчетов. Однако для уточняющих расчетов и подготовки к проведению опытов требуется использовать зависимость, приведенную на рисунках. Разница минимального и максимального давлений для отверстия 80/120 мкм составляет 19.4 %, а для отверстия 55/75 мкм - 33,1 %, что объясняется более быстрым ростом гидравлического сопротивления в более малом отверстии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Таким образом, устройство для нанесения топологии проводников на поверхность одного из слоев микросхемы должно обеспечивать давление на поверхность печатной фольговой формы от 17 до 26 Кпа. Полученные результаты необходимы для проведения дальнейшего исследования технологических возможностей печатного устройства для нанесения токопроводной пасты в производстве LTCC-микросхем. В частности, давление, необходимое для прохождения вязкой пасты через отверстия малого диаметра можно создавать разными способами. Однако каждый из них имеет свои технологические и конструктивные возможности. Рассчитанные зависимости позволят выбрать наиболее подходящий вариант создания такого давления в печатном устройстве, применяемом при изготовлении LTCC-микросхем.
Список литературы
1. Чигиринский С. LTCC-технология. Материалы и подготовка шликера // Электроника: Наука, технология, бизнес. 2010. № 2 (100). С. 90-93.
2. Потешкина А.А., Уваренкова Ю.А., Иванова В.И. Низкотемпературные порошковые керамические наполнители для технологии LTCC // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2015. Т. 1. С. 77-80.
3. Вайман Д.А., Данилов В.С. Разработка технологии изготовления LTCC керамики для создания приборов СВЧ диапазона // Электроника и микроэлектроника СВЧ. 2017. Т. 1. С. 51-54.
4. Металлическая сетка для трафаретной печати и шелкографии. Основные свойства металлической сетки для трафаретной печати. [Электронный ресурс] URL: https://mavat.ltd/trafaretnava-pechat/materialv-dlva-trafaretnoi pechati/metallicheskava-setka-dlva-trafaretnoj-pechati (дата обращения: 10.05.2024).
5. Чигиринский С., Черных В., Штупар Е. Особенности трафаретной печати и сборки в пакет необожженной керамики // Наноиндустрия. Промышленные технологии. 2013. № 6 (44). С. 40-46.
6. Литунов С.Н., Сысуев И.А., Гусак Е.Н. К вопросу об ультразвуковой очистке трафаретных форм // Омский научный вестник. 2017. № 5 (155). С. 21-24.
7. Патент 2191700 РФ. Способ печати / Ю.В. Пономарев, С.Н. Платонов. Опубл. 27.10.2002. Бюл. № 30.
8. Сопоставление технологических особенностей оттисков металлографского и рельефного способов печати. [Электронный ресурс] URL: https ://www. ntgraph. ru/main. mhtml?Part=36&PubID=101 (дата обращения: 10.05.2024).
9. Потапов Ю. Особенности технологии проектирования и производства LTCC (технология низкотемпературной керамики) модулей // Технологии в электронной промышленности. 2008. № 3 (23). С. 59-64.
10. Хилаль Х.А., Литунов С.Н., Гусак Е.Н., Проскуряков Н.Е. Вычислительный эксперимент по определению заполнения краской ячеек трафаретной формы // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2019. № 9. С. 115-124.
11. Литунов С.Н., Хилаль Х.А., Матар Т.Ф., Бочкарева С.С. Расчет глубины заполнения ячейки сетчатой основы в трафаретном устройстве повышенной точности // В сборнике: Полиграфия: технология, оборудование, материалы. Материалы X научно-практической конференции с международным участием. 2019. С. 141-147.
Литунов Сергей Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет
JUSTIFICATION OF DEVICE PARAMETERS FOR IMAGE APPLICATION IN THE MANUFACTURE OF LTCC-
ICIRCUITS
S.N. Litunov
It is proposed to use the Scrintaglio printing method to obtain conductors with a width of50...100 microns in the manufacture of LTCC microcircuits. To determine the parameters of a printing device using a thermal laser, holes with a diameter (exit/input) of55/75 and 80/120 ¡m were obtained in a foil 50 ¡m thick. Based on the analysis of such holes, a three-dimensional model was built and the dependences of pressure on the speed of the paste at the entrance to the hole were obtained. The speed at the entrance to the hole was determined from the condition of filling the hole with paste in one pass of the pressure roller. The results obtained will make it possible to justify the parameters of the printing device at the stage of preliminary experiments and design.Key words: printed electronics, LTCC-technology, screen-printing.
Key words: LTCC chip, Screentaglio, wire width.
Litunov Sergey Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of chair, litunov-sergey@mail. ru, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
УДК 69.002.5
Б01: 10.24412/2071-6168-2024-9-641-642
УЧЕТ ВЛИЯНИЯ УТЕЧЕК ВОЗДУХА В РАБОЧЕЙ КАМЕРЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ РУЧНЫХ МАШИН
УДАРНОГО ДЕЙСТВИЯ
А.Н. Дроздов, Е.Р. Белкина
В данной статье отражено направление модернизации математической модели ручных машин ударного действия, а именно их компресионно-вакуумного ударного механизма, являющегося их основным узлом с отражением влияние утечек сжатого воздуха из рабочей камеры и функционирования системы компенсации утечек воздуха.
Ключевые слова: рабочая камера, электрические ручные машины, ручные машины ударного действия, утечки воздуха.
Вопросы динамики ручных машин ударного действия (РМУД) посвящено значительное число работ, отражающих результаты теоретических и экспериментальных подходов к решению задач, способствующих их созданию. Это вопросы развития математических моделей привода, оценки вибрации на корпусе, энергетических характеристик и систем управления.
При изучении динамики ручных электроперфораторов с компрессионно-вакуумным ударным механизмом, представленных в данной работе, эффект утечки из воздушной рабочей камеры освещен недостаточно. Процесс создания ручных машин ударного действия [1] показал необходимость учета указанного явления, с целью исключения проведения экспериментальных работ по уточнению коэффициента политропы при согласовании расчетных и экспериментальных энергетических характеристик. Проведенный нами конструктивный анализ решений компрессионно-вакуумных ударных механизмов и характеристик молотков и перфораторов (частота ударов до 20 Гц) дал повод для разработки математической модели, алгоритма ее расчета и реализации с целью численной оценки указанного явления в сравнении с базовой математической моделью [2, 3].
Компрессионный вакуумный ударный механизм является основным механизмом в приводе электрических ручных машин ударного действия, который обеспечивает виброударный режим работы. Это особый пневматический ударный механизм возбуждения ударника, в котором обеспечивается гармонически движущимся поршнем через воздушную (рабочую) камеру, периодически опорожняемую и заполняемую вновь через имеющееся отверстие. Из существующих систем компенсации утечек воздуха - поршневой и бойковой, наиболее широко используется последняя. При бойковой системе воздух распределён в связи со значительно большей высотой ударника по сравнению с высотой поршня - это обусловило ее более широкое применение в ручных машинах ударного действия.
Используемый метод включает последовательную реализацию математических моделей в течение одного из серии ударных циклов с целью отражения переходного режима (с холостого на рабочий). Учет влияния утечек воздуха в рабочей камере в общем случае должен отражать в математической модели рабочего процесса [4] эффекты перетечки его через резиновые уплотнения, имеющиеся на бойке (ударнике) и через выхлопное отверстие. Основываясь на ранее полученных моделях рабочего процесса для одномассовой модели КВУМ (компрессионно-вакуумный ударный механизм) выявлено влияние утечек на параметры ударных механизмов и как следствие на энергию единичного удара.
