Проект: Принтер печатных плат

ППринтер, реализующий технологию изготовления печатной электроники. Принтер позволяет поочередно наносить проводящие и диэлектрические пасты для создания многослойных печатных плат. Применение функциональных материалов (таких резистивные пасты, ферриты, сегнетоэлектрики и т.д.) позволяет создавать планарные компоненты электронной техники и печатать на их основе гибридные интегральные схемы. Таким образом, имеется возможность прямой печати по цифровому файлу (без применения сетчатых трафаретов) изделий толстопленочной электроники (толщина одного слоя 15-20 мкм). Принтер применим для создания керамических микросборок сильноточный цепей, мощных резистивных и транзисторных узлов, где требуется хороший теплоотвод, например, в цепях электропитания космических аппаратов, а также может быть использован для быстрого прототипирования изделий, изготавливаемых на основе LTCC-керамики. Потенциальными потребителями данного принтера выступают предприятия радиоэлектронной промышленности, которые изготавливают изделия толстопленочной электроники. В России к таковым относятся следующие наиболее крупными предприятия: АО «НПЦ «Полюс», ООО НПП «Фликс», АО «ВЭЛКОНТ», ООО «Фокон» и др.

Аддитивные цифровые технологии создания печатных плат электронной аппаратуры позволяют заменить трафаретную технологию. При мелкосерийном производстве, характерном для космической отрасли, это позволяет исключить затратные вложения и малоэффективное использование производственных мощностей, сократить жизненный цикл создания изделий, обеспечить прототипирование, применить цифровые технологии и программные продукты для автоматизации технологических процессов. Кроме этого аддитивная принтерная печать позволяет: - исключить необходимость изготовления физических шаблонов, характерных для трафаретной (screen printing) технологии; - снизить потери исходных материалов на формирование топологии; - существенно сократить время создания элементов и устройств электроники; - обеспечить возможность изготовления многослойных/объёмных печатных плат в едином технологическом цикле; - снизить себестоимость и обеспечить возможность быстрого прототипирования печатных плат.

Принтер, который позволяет поочередно наносить проводящие и диэлектрические пасты для создания многослойных печатных плат. Применение функциональных материалов (таких как резистивные пасты, ферриты, сегнетоэлектрики и т.д.) позволяет создавать планарные компоненты электронной техники и печатать на их основе гибридные интегральные схемы. Таким образом, имеется возможность прямой печати по цифровому файлу изделий толстопленочной электроники (толщина одного слоя 15-20 мкм). Главными требованиями к многослойным ГИС являются: наличие хорошего контакта одного функционального слоя к другому, равномерность рельефа на нижележащем слое, хорошая электропроводность и перекрытие ступенчатого рельефа проводящего слоя и межуровневом диэлектрике, наличие электрического контакта между проводящими слоями. Качество поверхности и однородность пленок по толщине играют важную роль в функционировании напечатанной платы. Наличие пор в диэлектрике может привести к нарушению изоляции, пробою диэлектрика. В проекте предполагается проведение исследований данных параметров экспериментальных образцов, напечатанных на разработанном макете принтера.

Проектирование функциональных узлов и всей системы принтера будет осуществляться в среде SolidWorks с проведением статического, термического и гармонического анализа. Проведение анализа на стадии проектирования позволит выполнить оптимизацию деталей устройства, обеспечить оптимальный теплоотвод, устранить резонансные эффекты. В работе будет применено численное моделирование в программном обеспечении Comsol Multiphysics процесса экструзии паст для оптимизации процесса их нанесения. Численное моделирование позволяет согласовать характеристики паст (вязкость, тиксотропию, плотность, поверхностное натяжение, скорость высыхания и др.) с параметрами устройства (геометрия шнека, размеры сопла, усилие поршня, температура), выявить особенности гидродинамического поведения паст при прохождении через сопло. Электрическое сопротивление напечатанных элементов будут измеряться методом Ван-дер-Пау, а диэлектрические характеристики – на напечатанных конденсаторных структурах. Измерение морфологии напечатанных пленок будет проводиться интерферометрическими методами WLI (интерферометрия белого света) и PSI (интерферометрия фазового сдвига) на оптическом интерференционном профилометре Profilm 3D. Модификация паст для обеспечения пропускной способности через сопло будет проводиться с вискозиметрическим контролем на вискозиметре брукфильда DV3TLV в конфигурации конус-плита. Для получения оптимальной геометрии напечатанных элементов необходимо учитывать взаимодействие пасты с поверхностью подложки, поскольку слишком малые контактные углы приводят к растеканию пасты. Поэтому будет осуществляться контроль и коррекция контактного угла смачивания и, в случае необходимости, выполнять его коррекцию за счет обработки поверхности (химическая или плазмо-химическая обработка), либо поверхностно-активными добавками к пастам. Контроль контактного угла будет проводиться на анализаторе формы капли DSA-25 (Kruss). Известно, что для предотвращения механического засорения сопла максимальный размер частиц не должен превышать 1/10 диаметра сопла. Контроль размера частиц в составе паст будет выполняться на лазерном анализаторе размера частиц Analysette 22 Nano Tec (Fritch). Для получения качественных элементов необходимо контролировать механические параметры, такие как адгезия, растяжение-сжатие (для гибких подложек), прочность на отслаивание и др. Механические характеристики будут определяться на динамометрическом стенде МЕГЕОН 03500.

В настоящее время исследования, посвященные принтерной технологии нанесения материала, находятся на стадии научных исследований. За рубежом активно ведутся работы, направленные на печать однослойных элементов. Применение многослойных ГИС, изготовленных по принтерной технологии, вызывает ряд вопросов связанных с совместимостью проводящих и диэлектрических материалов. Существуют технологические установки для нанесения проводящих паст с относительно невысокой вязкостью. При этом создание толстопленочной электроники затруднительно. Развитие принтерной технологии возможно при создании широкой номенклатуры функциональных паст с определенной вязкостью и температурой спекания. Однако на отечественном рынке таких паст не представлено. Поэтому представляет интерес проведение исследования для создания собственных паст. Таким образом, научной проблемой является совмещение технологий изготовления проводящих и диэлектрических слоев в одном технологическом цикле и улучшение их характеристик по основным электрическим параметрам. Научная новизна проекта состоит в исследовании и разработке аддитивной технологии принтерной печати, применяемой для изготовления многослойных ГИС. Технология заключается в комбинированном послойном прецизионном нанесении проводящих и диэлектрических паст с их последующим спеканием. Таким образом, в едином технологическом цикле получается прототип многослойной ГИС.

Заявители имеют опыт работы в области печатной электроники и обладают необходимыми компетенциями для успешного выполнения заявляемого проекта. Артищев С.А. Область научных интересов: разработка и создание органической и печатаной электроники, электроника в СВЧ диапазоне, моделирование нелинейных процессов в СВЧ устройствах. Результаты исследований в области принтерной печати опубликованы в работах [DOI: 10.1063/1.5009892, DOI: 10.1051/itmconf/20193007004, DOI: 10.1109/CRMICO.2014.6959587]. Являлся руководителем проекта: СТАРТ №15ГС1ЦТС10-D5/56048 "Разработка технологии принтерного изготовления СВЧ гибридных интегральных схем". Получено свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ №2021611481 "Auger PCB Printer v.1.0.0". Преподает дисциплины: "Защита интеллектуальной собственности", "Компьютерное моделирование электронных средств", "Основы компьютерного проектирования РЭС", "Проектирование электронных средств". Труфанова Н.С. Область научных интересов: разработка и исследование толстопленочной печатной электроники, численное моделирование физических процессов в СВЧ устройствах, исследование толстопленочных устройств в СВЧ диапазоне. Результаты работ опубликованы в [10.1109/EFRE47760.2020.9242149] и представлены на 10 международных конференциях. Рагимов Э.Р. Область научных интересов: разработка устройств для дозирования материалов, 3d моделирование и проектирование. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ №2021680695 "Программа для проведения диагностики системы управления установки принтерной печати для создания элементов толстопленочной электроники космической аппаратуры".

Особенностью разрабатываемой технологической установки, реализующую предлагаемую технологию, является использование комбинированного дозатора функциональных материалов (паст), представляющего собой комбинацию шнекового (для проводящих линий) и поршневого (для диэлектрических слоёв) дозирования. В имеющихся зарубежных аналогах используется только один дозатор для нанесения проводящей пасты (Voltera V-One - поршневой дозатор, GPD Global Catalina - шнековый дозатор). Разрабатываемый принтер ориентирован на использование отечественных функциональных паст высокой вязкостью, которые используются в традиционной трафаретной печати. Зарубежные аналоги принтера не могут наносить пасты высокой вязкости. Для принтера Voltera V-One используются фирменные электропроводящие пасты, а диэлектрические отсутствуют в продаже.