Технология изготовления плат толстопленочных гибридных интегральных схем

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ

ОРЛОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ФАКУЛЬТЕТ ЭЛЕКТРОНИКИ И ПРИБОРОСТРОЕНИЯ

Кафедра: Проектирование и технология электронных и вычислительных систем

РАСЧЕТНО-ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА К КУРСОВОЙ РАБОТЕ

По дисциплине «Материаловедение и материалы ЭС»

Тема работы: «Технология изготовления плат толстопленочных ГИС»

Выполнил

Студент группы 31B Журавлев Е. Ю

Проверил

Преподаватель Косчинская Е. В

Орел, 2010г.

Введение

Под керамикой понимают большую группу диэлектриков с разнообразными свойствами, объединенных общностью технологического цикла.

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами. При изготовлении из них изделий требуется высокотемпературный обжиг.

1. Аналитический обзор

Для современной радиоэлектроники важное значение имеют керамические диэлектрики, которым присущи многие положительные свойства: высокая нагревостойкость, отсутствие у большинства материалов гигроскопичности, хорошие электрические характеристики при достаточной механической прочности, стабильность характеристик и надежность, стойкость к воздействию излучения высокой энергии, развитию плесени и поражению насекомыми. Сырье для производства основных радиокерамических, изделий доступно и дешево.

Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства. Некоторые керамические диэлектрики благодаря определенным свойствам позволяют наиболее просто решать ряд задач новой техники. Это относится к сегнетокерамике, пьезокерамике и керамическим электретам.

При массовом производстве керамических изделий основные операции технологического процесса могут быть полностью автоматизированы. Существенным достоинством керамического производства является отсутствие ограничений на изготовление изделий необходимой формы и габаритов.

В общем случае керамический материал может состоять из нескольких фаз. Основными фазами являются кристаллическая (одна или несколько) и стекловидная. Кристаллическую фазу образуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений. Основные свойства керамики — диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическая прочность — во многом зависят от особенностей кристаллической фазы.

Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие» кристаллическую фазу. Технологические свойства керамики температура спекания, степень пластичности керамической массы при формовании — определяются в основном количеством стекловидной

2. Разработка технологического маршрута

Получение сырья

В качестве основных сырьевых материалов для изготовления дешевых керамических изделий электронной техники, к электрофизическим параметрам которых предъявляются невысокие требования, используются традиционные материалы (глина, полевой шпат, кремнезем, каолин и др ). К ним применяют упрощенные способы очистки для удаления загрязнений, попадающих в массу при технологической переработке При измельчении в массу попадают железистые примеси, которые удаляются последующей промывкой смеси раствором соляной кислоты. С той же целью часто применяются электромагнитная сепарация, водная промывка, гидравлическая сепарация тяжелыми жидкостями и флотационное обогащение

Основные исходные компоненты, предназначенные для изготовления ответственных изделий электронной техники, представляют собой химические реактивы высокой чистоты Основные требования к сырьевым материалам — стабильность химического состава (т. е качественное и количественное постоянство максимально допустимых примесей) и стабильность физико-химического состояния. Последнее характеризует реакционную способность этих материалов и качественно определяется состоянием поверхности частиц, дефектностью кристаллической решетки, процентным соотношением полиморфных модификаций. От этих факторов существенно зависит скорость синтеза керамики В большинстве случаев отмеченные свойства поставляемых химических продуктов не отвечают требованиям соответствующего керамического производства; обычно они вообще не регламентируются действующими стандартами и техническими условиями и, следовательно, могут быть непостоянными. Поэтому в технологию керамического производства в этих случаях необходимо включать процессы предварительной термообработки исходных материалов (прокаливание до определенных температур, иногда плавление) и эффективные методы весьма тонкого измельчения, часто сопровождаемого изменением строения частиц диспергируемого материала.

Для получения высокоплотной керамики необходимо, чтобы исходные компоненты имели достаточно малый размер частиц, не более нескольких микрометров. Поэтому исходные сырьевые материалы для керамического производства, имеющие вид кусков разных размеров с различными физическими свойствами, подвергаются операции измельчения до получения необходимого гранулометрического состава. Сверхтонкая дисперсность измельченного материала (до размеров частиц 0,5—5 мкм) обеспечивает интенсивную активацию порошкообразных материалов, что приводит к интенсификации процессов твердофазного спекания керамики за счет протекания механохимических реакций. При проведении процессов сверхтонкого диспергирования необходимо учитывать, что механическое воздействие на материал может вызвать ряд следующих физико-химических процессов: химическое разложение некоторых соединений (нитратов, галогенатов, оксалатов); диссоциацию карбонатов с выделением углекислоты, а в случае сложных карбонатов — их предварительное разложение на простые карбонаты; разрушение кристаллической решетки и амортизацию материала; протекание обменных реакций в ионных соединениях; синтез новых соединений; изменение физико-химических свойств соединений (термодинамических параметров, растворимости, гигроскопичности и др.). Протекание этих процессов обусловливается главным образом за счет тепловыделения в местах значительного механического воздействия, нарушения упорядоченности кристаллической решетки и влияния воды, адсорбированной частицами.

Гранулометрический состав сырьевых материалов влияет на физико-химические, механические и термические свойства керамических изделий, особенно когда их изготовляют из непластичных масс. Присутствие в шихте мелких фракций непластичных исходных материалов увеличивает контактную реакционную поверхность, что в процессе обжига повышает прочность и плотность изделий, но снижает их термостойкость. За счет повышения содержания крупных фракций структура изделия становится более рыхлой, увеличиваются пористость и термостойкость.

Получение диэлектрических слитков

Изостатическое прессование

Этот метод основан на всестороннем обжатии засыпанного в эластичную форму пресс-порошка или предварительно оформленной каким-либо другим способом заготовки давлением жидкости или сжатого газа. Изостатическое прессование в резиновых формах путем приложения гидростатического давления жидкости называют гидростатическим прессованием. Этот способ позволяет получать наиболее плотные и однородные заготовки сложной конфигурации. В этом случае равномерные уплотняющие усилия и соответственно равноплотность всех участков прессуемого изделия обеспечиваются всесторонним приложением давления от нагнетаемой жидкости к прессуемому изделию через эластичную резиновую оболочку. При гидростатическом прессовании устраняются потери давления на трение о стенки формы, в результате чего изделия хорошо пропрессовываются и имеют меньшие внутренние напряжения, чем при изготовлении их другими способами. При этом важным условием получения высококачественных плотных заготовок является равномерная укладка гранул пресс-порошка (желательно изометрической конфигурации) в форме и полное удаление воздуха может производиться как предварительное до начала прессования, так и в процессе прессования, например вакуумированием. Гидростатическое прессование в резиновых формах производится для различных материалов в широком интервале давлений жидкости 10—103 МПа.

Особенности процесса гидростатического прессования рассмотрим на примере получения заготовок для высоковольтных конденсаторов (рис. 7.7).

В решетчатый или сетчатый каркас-ограничитель 3, служащий для крепления формы и придания ей жесткости во время засыпки пресс-порош ком, помещается резиновая форма 5. С помощью крепежного и уплотняющего устройства 6 она прижимается так, чтобы пространство в прессовочной камере вне формы было изолировано от атмосферы. Далее производится откачка воздуха из этого пространства, в результате чего резиновая форма прижимается к каркасу-ограничителю и принимает конфигурацию, соответствующую конфигурации заготовки с учетом коэффициента уплотнения пресс-порошка. После установления в форму сердечника 7, формирующего внутреннюю полость заготовки, производится засыпка пресс-порошка при одновременном воздействии на систему вертикально направленной вибрации. Форма закрывается крышкой 8 с уплотнением 6 и производится вакуумирование ее внутренней части с пресс-порошком. Далее на стадии прессования пространство вне формы отключают от вакуумной системы и его заполняют гидравлической жидкостью Жидкость, давя на форму со всех сторон, обжимает ее, прессуя заключенный в форме пресс-порошок при одновременном его вакуумировании.

Удаление технологической связки

Рис 7 8- Температурно-временной режим процесса удаления связки из заготовки

Основной задачей этого этапа является подготовка заготовки к спеканию. Конфигурация заготовки при этом должна остаться без изменения Удаление связки производят повышением температуры заготовки, что приводит к снижению вязкости и структурно механической прочности системы, из которой сделана заготовка. В результате этого заготовка при определенной температуре может начать деформироваться под действием собственной массы. Для предотвращения этого удаление связки из заготовки необходимо производить по специально подобранному температурно-временному режиму, причем начало удаления связки должно происходить при относительно низких температурах, при которых деформации еще не начинаются. Рассмотрим типовой температурно-временной режим нагрева заготовки при удалении из нее связки (рис. 7.8)

Удаление связки в этой области можно осуществлять как миграцией ее в жидком состоянии, так и испарением При наличии больших количеств термопластичной связки в заготовке (например, при ее изготовлении горячим литьем) на первой стадии процесса удаление связки надо производить миграцией в жидком состоянии, так как она осуществляется при более низких температурах, чем при испарении, что предотвращает деформацию заготовки Для этого заготовку обсыпают или помещают в тонкодисперсный минеральный порошок, являющийся адсорбентом связки. При нагревании заготовки порошок активно адсорбирует появляющуюся на ее поверхности жидкую связку. Для образцов, обладающих достаточной структурно-механической прочностью, адсорбентом может являться пористая огнеупорная подставка, на которую устанавливается заготовка, или насыпанный на нее слой тонкодисперсного порошка. Дальнейшее удаление связки производят при более высоких температурах испарением (до 300 °С).

В рассматриваемой области нагрева происходит удаление значительной части органической связки, сопровождающееся заметным снижением прочности заготовки В этом температурном диапазоне целесообразно давать медленный подъем температур и периодическую выдержку для равномерного прогрева всего изделия во избежание чрезмерно бурного испарения связки и появления дефектов в изделиях При этом чем больше толщина стенки изделия, тем длительнее должна быть выдержка.

Рассмотренный температурно-временной режим имеет обобщенный характер. Для изделий разных конфигураций и составов температурный ход зависимости в пределах каждой области определяется опытным путем так, чтобы обеспечить безопасное протекание всех объемных изменений заготовки (увеличения объема системы при плавлении связки, расширения системы в твердом, жидком состоянии и при переходе связки из жидкого в газообразное состояние). Основными «опасными» моментами при нагревании заготовки являются переходы связки из твердого в жидкое состояние (при температуре плавления) и из жидкого в газообразное.

Общая продолжительность процесса удаления связки — от 5 до 24 ч.

Спекание

Спекание является основным этапом керамической технологии, завершающим процесс образования керамического изделия и определяющим его основные механические и электрофизические свойства. По определению, спекание является агломерацией тонкодисперсных материалов с образованием прочных монолитных и высокоплотных продуктов. Спекание осуществляют путем нагревания (обжига) заготовки до соответствующей температуры, составляющей примерно 0,8 от температуры плавления керамического материала, и производят после удаления из нее связки. При высокотемпературном обжиге в сырьевой смеси происходят многообразные физико-химические процессы, приводящие к образованию новых химических соединений, твердых растворов, стекловидной фазы и кристаллических новообразований. Образующийся в результате спекания монолитный продукт (черепок) характеризуется определенной плотностью, формой и размером кристаллитов, характером пористости, распределением примесей и микрокомпонентов. Совокупность этих свойств составляет керамическую структуру материалов, которая тесно связана с магнитными, электрическими и механическими свойствами. Свойствами керамики можно варьировать в широких пределах, изменяя только керамическую структуру, определяемую режимом обжига при спекании (изменением температуры и газовой среды во времени). Режим обжига строят на основе диаграммы состояния соответствующей системы, исходя из химического и гранулометрического составов шихты, размера и конфигурации заготовки. Таким образом, для каждого керамического изделия существуют свои оптимальные режимы, подбираемые экспериментально на основе знания физико-химических закономерностей процесса спекания.

Различают два вида спекания:

Твердофазное спекание, характерное для масс, состоящих из одной твердой фазы, например из одного чистого оксида А1_>2>0_>3> или MgO и др.

Спекание с участием жидкой фазы, которое в зависимости от количества жидкой фазы подразделяется на:

жидкостное спекание, характерное для масс, имеющих сложный химический состав, при нагревании которых образуется значительное количество жидкой фазы (более 30 %);

смешанное, твердожидкостное спекание, когда в процессе участвует сравнительно небольшое количество жидкой фазы (2—12 %).

Механизм спекания кристаллических порошков следует рассматривать как результат следующих процессов: перемещения частиц шихты друг относительно друга; вязкого течения, т. е. переноса атомов или ионов из объема зерен к контактным перемычкам, в результате чего происходит сближение центров зерен, сопровождаемое усадкой материала; поверхностной диффузии, т. е. переноса вещества в поверхностном слое частиц; переноса вещества путем диффузии паров через газовую фазу; объемной диффузии, приводящей к выравниванию концентраций атомов (ионов) и вакансий внутри кристаллической частицы; пластической деформации частиц, происходящей при спекании в процессе горячего прессования; рекристаллизации.

Рис. 7.9, Модельная схема процесса взаимодействия зерен сферической формы при их спекании

Спрессованная шихта, подлежащая спеканию, представляет собой систему с избыточной свободной энергией. Источниками свободной энергии в шихте являются внутренняя поверхность пор, наружная поверхность микрокристалликов и дефекты их кристаллической решетки, возникающие при синтезе шихты и прессовании. Избыток этой свободной энергии и является движущей силой процесса спекания.

Процесс спекания условно можно разделить на три стадии. На первой, начальной, стадии основной движущей силой является избыточная свободная поверхностная энергия мелкодисперсных частиц, приводящая к возникновению давления, стремящегося сжать заготовку и уменьшить ее свободную поверхность. Под действием этого давления может происходить уплотнение заготовки за счет пограничного скольжения частиц относительно друг друга. Значительную роль в уплотнении пористого изделия играют также остаточные напряжения в кристаллических зернах шихты. Так как силы спекания между частицами и силы сопротивления скольжению по границам малы, то даже при небольших усилиях, действующих на заготовку, можно ожидать значительных скоростей ее уплотнения. Процесс скольжения по границам зерен заканчивается при достижении плотной упаковки частиц, при этом происходит интенсивное увеличение площади контакта между частицами за счет их припекания. Припекание частиц порошка в точке происходит в результате перераспределения вещества под действием градиента химического потенциала, возникающего при наличии градиента концентрации, механического давления или температуры. Перераспределение вещества возможно при диффузии (поверхностной и объемной), при вязком течении, а также в результате процессов испарения — конденсации. Действие каждого из этих механизмов характеризуется своим законом изменения во времени размера пятна контакта между отдельными частицами. Разделение механизмов массопереноса при спекании производят на основе модельных представлений зависимости увеличения радиуса контакта X от времени процесса т. На рис. 7.9 представлена модельная схема твердофазного спекания неустойчивой системы, состоящей из однородных зерен сферической формы, с образованием перешейка. В процессе обжига радиус кривизны перешейка увеличивается, контакты между частицами расширяются,а радиус зерен уменьшается. В простейшем случае для модели спекания сферических частиц процесс описывается зависимостью где k — константа, определяемая температурой и свойствами материала; п — показатель степени.

При массопереносе путем диффузионно-вязкого течения увеличение площади контакта происходит за счет направленного перемещения атомов из объема частиц к контактному перешейку (рис. 7.10, а). Скорость этого процесса определяется динамической вязкостью вещества, которая обратно пропорциональна объемному коэффициенту диффузии. Для данного механизма массопереноса показатель степени п=2 и процесс спекания сопровождается сближением центров частиц.

Рис 7.10. Схема основных механизмов взаимного припекания твердых сфер (зерен), контактирующих в начальный момент в точке: о — вязкое течение, б — объемная днффузня; в — объемная диффузия при наличии стока в области контакта г—поверхностная диффузия; д — перенос вещества через газовую фазу: е — прилеканне под влиянием прижимающих усилий

Реализация механизма переноса вещества за счет объемной самодиффузии может осуществляться двумя путями в зависимости от вида стока избыточных вакансий, которые образуются вблизи вогнутой поверхности перешейка. Если стоком вакансий является выпуклая поверхность частиц, то диффузионный поток атомов будет формироваться от нее, п=5 и рост площади контакта не сопровождается сближением центров (рис. 7.10, б). Если стоком избыточных вакансий является граница между частицами или дислокации в объеме частиц, то также л=5, а рост площади контакта сопровождается сближением центра частиц (рис. 7.10, в).

При переносе вещества вследствие диффузии атомов (и вакансий) по поверхности от выпуклых участков профиля поверхности контактирующих частиц к вогнутым участкам п=7. Рост площади контактного перешейка в этом случае не сопровождается сближением центров частиц (рис. 7.10, г).

Перенос вещества через газовую фазу к перешейку происходит под влиянием разности равновесных давлений пара вблизи выпуклых и вогнутых участков профиля контактирующих частиц. В этом случае закон роста площади контактного перешейка определяется механизмами массопереноса в газовой фазе: при малых давлениях инертного газа (режим молекулярного пучка) 3, а при больших (режим диффузии) — п=5. Процесс спекания не сопровождается сближением центров частиц (рис. 7.10, д).

Под действием прижимающих усилий (в случае горячего прессования) перенос вещества к перешейку может осуществляться механизмом диффузии вдоль границы, разделяющей контактирующие частицы, что приводит к п—4. Этот процесс сопровождается сближением центров частиц (рис. 7.10, с).

В реальных условиях при спекании порошков могут одновременно действовать несколько механизмов, тогда показатели степеней п и т в приведенных выше уравнениях будут представлять собой некоторые средневзвешенные величины. При этом следует иметь в виду, что кинетика взаимного припекания частиц сложной формы зависит от геометрии приконтактной. Рассмотренная модель первой, начальной, стадии перестает быть справедливой, когда образуется развитая система стыкующихся границ, и процесс спекания переходит во вторую стадию. К этому моменту радиус контактного перешейка достигает 0,2— 0,3 радиуса спекающихся частиц, а усадка прессовки составляет 4—6 %.

На второй стадии спекания дальнейшее уплотнение прессовки связано с уменьшением размеров и трансформацией формы всех имеющихся в ней пор. Вначале они приобретают вид сообщающихся каналов, а затем происходят их интенсивное уменьшение, изоляция друг от друга и к концу промежуточной стадии наблюдаются изолированные поры, расположенные на границах зерен или внутри них. При равномерном распределении пор происходят равномерное уплотнение пористого тела и увеличение его механической прочности. Процесс уплотнения осуществляется под действием капиллярного давления, приложенного к участкам свободных поверхностей, обладающих малым радиусом кривизны Кинетика этого процесса определяется скоростью вязкого течения среды, в которой расположены поры. Вязкое течение среды, в свою очередь, осуществляется посредством «испарения» вакансий с поверхности пор в объем частиц с последующим оседанием их на прилегающих к поре границам, в том числе и дислокационных. Погло щение же вакансий дислокациями, например малоугловой границы, приводит к ее перемещению.

Диффузия вакансий к границам может происходить как через объем частицы, так и непосредственно в приграничном слое. Поскольку в приграничном слое периодичность кристаллической решетки нарушена, движение вакансий здесь происходит с меньшими энергетическими затратами и различие в коэффициентах поверхностной и объемной диффузии может достигать 2—4 порядков.

Для некоторых материалов, обладающих при температуре спекания относительно большим равновесным давлением пара, возможен также значительный перенос вещества через газовую фазу. Поскольку скорость процессов испарения во многом определяется характером дефектов и их распределением в кристаллической решетке зерен, интенсивность процесса спекания во много зависит от химической и термической предыстории компонентов шихты, главным образом определяющей их дефектность.

На второй стадии скорость усадки прессовки максимальна по сравнению с первой и третьей. Это обусловлено интенсивным ростом перешейков с образованием новых границ между частицами, удалением открытых пор, в результате чего происходит стыковка границ зерен, приводящая к увеличению размеров межзеренных контактов. Вторая стадия спекания является самой короткой во времени, но в течение ее достигается основное уплотнение прессовки.

На третьей, конечной, стадии процесса спекания происходит залечивание образовавшихся к концу промежуточной стадии части изолированных пор. Движущей силой процесса уплотнения на этой стадии является избыточная свободная энергия внутренних поверхностей пор. Внутри каждой из пор имеется отрицательное давление. Это давление эквивалентно некоторому равному ему по абсолютному значению положительному давлению, действующему на внешнюю поверхность заготовки. Сумма давлений от всех пор и вызывает уплотнение заготовки. Залечивание пор может происходить по различным механизмам в зависимости от соотношения между линейным размером поры R и характерным средним расстоянием I между источниками и стоками вакансий

По мере залечивания пор, роста контактов и формирования в образце сетки границ энергия поверхности исходных зерен частично переходит в энергию границ, которая также становится движущей силой процесса спекания. Под действием ее происходит движение границ зерен в направлении собственных центров кривизны, приводящее к укрупнению зерен, т. е. к рекристаллизации. В результате движения границ может происходить захват пор внутрь зерен, что будет приводить к образованию закрытой пористости. Залечивание этих пор может происходить по механизмам, рассмотренным выше, или за счет их движения как единого целого к поверхности образца. Сопутствующим этому процессу является процесс слияния пор (коалесценция), что нежелательно при получении однородных керамических изделий.

Таким образом, на третьей стадии спекания движущей силой процесса является избыточная свободная энергия поверхности пор и границ зерен. Уменьшение этой энергии может происходить при протекании трех процессов: рекристаллизации, залечивания отдельных пор и коалесценции пор, причем все эти три процесса являются конкурирующими. Благоприятным является процесс залечивания пор, так как это приводит к увеличению плотности и получению однородных изделий.

В результате рекристаллизации происходит укрупнение кристаллических зерен керамики Размер зерен может оказывать существенное влияние на структурно-чувствительные физико-химические и электрофизические свойства готовых изделий, поэтому важно уметь управлять процессом рекристаллизации при спекании.

Различают три стадии рекристаллизации: первичную, собирательную и вторичную. Первичная рекристаллизация наблюдается при сильной пластической деформации материала, в результате которой формируется ячеистая дислокационная структура и на ее основе образуются новые зерна центры первичной рекристаллизации Собирательная и вторичная рекристаллизация происходит вследствие миграции границ зерен. В реальных условиях при спекании керамики редко протекают все три стадии В зависимости от предыстории образца и условий нагрева могут реализоваться одна, причем любая, либо две стадии рекристаллизации. В частности, в ферритах, характеризующихся высокой хрупкостью, не наблюдается образования границ зерен из дислокационных скоплений.

Конечный размер зерен тем меньше, чем выше исходная пористость заготовки. Конкретное значение критической пористости (при которой начинается интенсивный рост зерен) зависит от природы спекаемого материала, что связано с энергией межзеренных границ. Длительному сохранению мелкозернистой структуры и замедлению скорости движения их границ способствует введение в шихту небольших добавок, не растворимых (или мало растворимых) в основном материале при температуре спекания мелкодисперсных включений примеси Эти включения, располагаясь по границам зерен, препятствуют движению границ, предотвращая собирательную и вторичную рекристаллизацию. Это способствует эффективному спеканию и получению высокоплотного материала. Наибольший практический интерес представляют изделия с однородной керамической структурой, характеризуемой минимальным значением дисперсии распределения кристаллических зерен по размерам.

Отметим, что третья стадия спекания является наиболее медленной и для получения беспористых материалов с высокой плотностью необходима продолжительная изотермическая выдержка. Эта стадия характеризуется уменьшением скорости усадки по сравнению со второй, так как процесс уплотнения лимитируется диффузионным рассасыванием изолированных пор.

Рассматривая процесс спекания в целом, следует подчеркнуть, что отчетливой границы между указанными тремя стадиями нет. И на промежуточной стадии уплотнение реальной заготовки в ее различных объемах может определяться процессами, характерными как для ранней, так и для поздней стадии. Сложность явлений, происходящих в порошковой прессовке при ее нагревании, не позволяет дать единое теоретическое описание процесса спекания. На данном этапе развития теории и практики вполне оправданным является феноменологическое описание процесса с последующим уточнением физического смысла эмпирических коэффициентов.

Интенсификация процесса спекания

Одним из важнейших способов интенсификации процесса спекания порошков являются введение в систему жидкой фазы и горячее прессование.

Механизм и кинетика процесса спекания в присутствии жидкой фазы зависят от многих факторов: состава и количества жидкой фазы, размера и конфигурации кристаллических зерен, характера смачиваемости их жидкой фазой, взаимной растворимости компонентов жидкой и твердой фаз и др.

Жидкая фаза в системе может появляться в результате добавления в шихту специальных легкоплавких добавок и путем образования эвтектик между компонентами шихты. На первой стадии процесса спекания в этом случае образовавшаяся между частицами жидкая прослойка играет роль смазки, облегчающей взаимное перемещение частиц и приводящей к уплотнению заготовки. Для получения удовлетворительных результатов вязкость жидкой фазы должна быть такой, чтобы уплотнение происходило в приемлемые сроки без деформации и коробления изделия под действием силы тяжести. Эта стадия может привести к полному завершению уплотнения, если объем жидкой фазы, присутствующей в системе при

температуре спекания, достаточен для заполнения промежутков между частицами Если вещество твердой фазы частично растворимо в жидкой, то на второй стадии спекания увеличение плотности заготовки происходит за счет процессов растворения и роста зерен твердой фазы. В этом случае при относительно малых количествах расплава в местах контактов частиц могут возникать достаточно большие давления и деформации частиц, вследствие чего участки зерен, находящихся в контакте, растворяются (за счет их более высокого химического потенциала) и осаждаются на периферийных частях В результате этого процесса центры зерен сближаются, а также происходит растворение более мелких зерен и рост за их счет крупных. Наконец, третья стадия приводит к завершению процесса путем обычного твердофазного спекания.

Другими важными путями интенсификации спекания являются повышенные температуры процесса, физическое и химическое активирование спекания.

Увеличение температуры спекания сопровождается ускорением массопереноса и, как следствие, более интенсивным спеканием. Однако при этом надо учитывать возможности диссоциации и увеличения летучести некоторых компонентов керамики, что может существенно ухудшить ее электрофизические свойства. Кроме того, при этом интенсифицируется рекристаллизация, а также происходит слияние мелких пор в крупные с образованием в некоторых случаях раковин, что нежелательно.

Физическое активирование достигается следующими методами: спеканием в переменном магнитном поле, спеканием предварительно деформированных материалов, воздействием ультразвуковых колебаний и др. В частности, воздействие ультразвука на кристаллическую структуру материала способствует интенсификации миграции дислокаций и ускорению диффузионных процессов. Это, в свою очередь, приводит не только к активизации и ускорению спекания, но и значительно повышает плотность и прочность керамики.

После очистки и отжига платы на нее накосят и вжигают поочередно с обеих сторон проводниковую пасту для формирования проводников, контактных площадок и нижних обкладок конденсаторов (рис. 1, а), после чего формируют диэлектрик для конденсаторов и пересечений проводников (рис. 1, б). Верхние обкладки и пленочные перемычки (рис. 2.8, в) изготавливают из одной пасты. Последними формируют резисторы (рис. 1, г), имеющие самую низкую температуру вжигания. После обслуживания контактных площадок (верхние обкладки конденсаторов, резисторы и диэлектрик припоем не смачиваются, так как их изготавливают из паст, инертных к припою) производят лазерную подгонку резисторов (рис. 1, д). На рис. 1, е, ж представлены заключительные сборочные операции: установка выводов, монтаж навесных компонентов и герметизация опрессовкой С использованием пластмассы, после тего производят обрезание рамки и разъединение выводов. В том случае, когда какие-либо из пленочных элементов в толстопленочной ГИС отсутствуют (например, пленочные конденсаторы), технологический маршрут такой ГИС упрощается.

Рис. 1. Технологический маршрут изготовления топстопленочной ГИС:

1 - обожженная керамическая подложка с системой сквозных отверстий; 2 - навесной конденсатор; 3 - навесной транзистор с жесткими выводами; 4 - резистор; 5 - толстопленочный конденсатор 

Расчетная часть

ВАРИАНТ 28

Материал высокоглиноземистая керамика

Размеры заготовки S=60×48 мм

Типоразмер платы №9; 10×16 мм

Толщина платы l=0,6 мм

Годовой план N=500 тыс. штук

Выход годного по обработке V1 =78%

Выход годного по плате V2=81%

1) Определение суммарного припуска на обработку поверхности заготовки:

Z=0,1мм

2) Определение исходной толщины заготовки

l_>Σ >= l + Z,

l_>Σ >= 0,6 + 0,1=0,7мм=0,0007м

3) Определение исходной массы заготовки

m _>Σ >= l_>Σ >·S·ρ,

m _>Σ >= 0,7_> >·0,06·0,048·2600=0,0052416кг=5,2416г=5241,6мг

4) Определение массы пластины или подложки после обработки поверхности

m = l ·S·ρ,

m = 0,6 ·0,00288·2600=0,0044928кг=4,4928г=4492,8мг

5) Определение количества плат, получаемых из одной подложки, или количества кристаллов, получаемых их одной пластины n.

n=18

6) Определение количества материала, необходимого для выпуска годового плана

6.1) определение количества подложек или пластин, запущенных на разделение

N1=N/(V2·n),

N1=500000/(0,81·18)= 34294,

6.2) определение количества заготовок, запущенных на обработку

N2=N1/V1,

N2=34 294/0,78=43967

7) Определение исходной массы материала

M_>и >= N2·m_>Σ>,

M_>и >= 43967·0,0052416=230.457427кг,

8) Определение полезной массы материала

M_>п >= (N·m)/n,

M_>п >= (500000·0,0044928)/18=124,8кг,

9) Определение коэффициента использования материала

К_>им >= M_>п >/ M_>и>,

К_>им >= 124,8_> >/ 230,457427=0.54153169.