WYKŁAD 6 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Mikrosystemy ceramiczne WYKŁAD 6 Dr hab. inż. Karol Malecha, prof. Uczelni

Wykład 6 Wykonywanie struktur przestrzennych Laminacja wysoko i niskociśnieniowa (przypomnienie) Laminacja wieloetapowa Laminacja pseudo-izostatyczna Wykonywanie struktur przestrzennych z wykorzystaniem warstw pomocniczych Współwypalanie z warstwami grubymi

Metody mikroobróbki surowej folii LTCC Mikroobróbka laserowa Wykrojnik mechaniczny Frezarka CNC Wytłaczanie na gorąco Trawienie chemiczne Metody fotolitograficzne Fotodefiniowalne folie LTCC

Proces laminacji p = 5 30 MPa T = 25 90 o C t = 5 30 min laminacja Prasa jednoosiowa F laminacja Prasa izostatyczna Woreczek próżniowy Folie folia LTCC LTCC Pompa pompa

Laminowanie wysokociśnieniowe Laminowanie termokompresyjne pozwala na bardzo dobre połączenie folii, dając dobrą hermetyzację struktur LTCC, ale Wysoka temperatura i ciśnienie mogą uszkodzić kształt struktur mikroprzepływowych i uszkodzić całe urządzenie. Jurków et al., JECS, 2009.

Metody laminowania niskociśnieniowego Minimalizacja niepożądanych odkształceń struktur fluidycznych i wiszących. Folie LTCC łączone w temperaturze pokojowej przy zastosowaniu bardzo niskiego ciśnienia (< 5 MPa). Stosowanie dwustronnej taśmy klejącej (CLPL) lub rozpuszczalnika (CCL). Proces kompatybilny z większością past stosowanych w technologii grubowarstwowej.

Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Low Pressure Lamination (CLPL) Proces laminacji niskociśnieniowej z zastosowaniem taśmy klejącej (metoda CLPL) K. Malecha

Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Low Pressure Lamination (CLPL) Laminowanie bez taśmy klejącej Laminowanie z taśmą klejącą Source: Roosen et al., JECS, 2010.

Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Chemical Lamination (CCL) Metoda podobna do techniki CLPL. Surowa ceramika jest pokrywana cienką warstwą rozpuszczalnika (sitodruk, malowanie pędzlem). Rozpuszczalnik rozpuszcza powierzchnie ceramik. Wytwarzanie kanałów w ceramice LTCC metodą laminacji CCL K. Malecha

Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Chemical Lamination (CCL) Kanały i wnęki Struktury wiszące Uszkodzony rezystor D. Jurków

Laminowanie niskociśnieniowe Metoda Cold Chemical Lamination (CCL) Wady metody : Nie można stosować do wytwarzania precyzyjnych struktur przestrzennych (< 100 μm) z powodu trawienia surowej folii ceramicznej w czasie procesu laminacji chemicznej. Metodą CCL nie można laminować cienkich folii ceramicznych (< 150 μm). Do każdego rodzaju materiału folii ceramicznych musi być dobrany odpowiedni rozpuszczalnik. Rozpuszczalnik może uszkadzać ścieżki przewodzące i rezystywne.

Laminacja metodą termokompresji Y. Fournier, PhD diss., 2010 A. Roosen, CICMT, 2005

Laminacja metodą termokompresji Kanały powierzchniowe (otwarte) Kanały zagrzebane Y. Fournier, PhD diss., 2010

Laminacja wieloetapowa każda folia ceramiczna jest indywidualnie laminowana do poprzedniej warstwy za pomocą prasy izostatycznej lub jednoosiowej, obniżone ciśnienie procesu (poniżej 5 MPa), uniknięcie deformacji struktur przestrzennych.

Laminacja wieloetapowa Wpływ ciśnienia procesu laminacji na jakość kanałów Szerokość kanału: 0.1 mm P 1 < P 2 =2P 1 < P 3 =6P 1 0.5 mm 1 mm J. Kita et al., IMAPS PL, 2002

Laminacja wieloetapowa Struktury laminowane przy obniżonym ciśnieniu (różne wyniki) Rozwarstwienie Y. Fournier, PhD diss., 2010

Laminacja pseudo-izostatyczna Y. Fournier, PhD diss., 2010

Laminacja pseudo-izostatyczna Przygotowanie elastycznej okładki do laminacji Przebieg procesu wykonywania kanału z wykorzystaniem elastycznej okładki do laminacji

K. Peterson, Sandia Labs, 2005 M. Gongora-Rubio i in., Sens. Actuators A, 2001 Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) WEMiF (Z9)

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Wytwarzanie kanału metodą Collate and laminate (składaj i laminuj)

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Metoda collate and laminate zagrzebane kanały i wnęki wiszące warstwy grube Thermistor 1 mm Peterson et al., CICMT, 2005.

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Metoda collate and laminate zagrzebane kanały i wnęki wiszące warstwy grube Lucat et al., IMAPS, 2007. Peterson et al., CICMT, 2005.

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Wytwarzanie kanału metodą Define and fill (wytnij i wypełnij)

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Maska na podłożu 1 mm Po usunięciu maski SVM Maska LTCC Drukowanie Osiadanie Suszenie Laminacja Source: Peterson et al., MIXDES, 2008

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) 1) Wycinanie i laminacja Laminacja termokompresyjna lub niskociśnieniowa (dwustronna taśma klejąca CLPL lub rozpuszczalnik CCL). 2) Wycinanie i wypełnianie Materiały pomocnicze (SVM) 3) Składanie i laminowanie Kanał nie jest wycinany Source: Peterson et al., MIXDES, 2008

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Substancje organiczne - usuwane w temperaturze poniżej 450 o C - nie zabezpieczają struktury przestrzennej w trakcie procesu wypalania. Warstwy węglowe: (pasty, folie) - zabezpieczają struktury przestrzenne w trakcie procesu laminacji oraz wypalania. mogą wprowadzać zanieczyszczenia Materiały mineralne: (szkło, ceramika ) - usuwane za pomocą odczynników chemicznych (H 3 PO 4 ). - niedopasowanie skurczu oraz rozszerzalności termicznej materiału i ceramiki LTCC

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Metoda Zalety Wady Materiał organiczny jako SVM Materiały na bazie grafitu jako SVM (warstwy węglowe) Dobra kontrola rozmiarów struktur powierzchniowych Wspiera struktury w czasie laminacji Struktury 3D i wiszące warstwy grube (rozmiary od 100 mm do 10 mm) Możliwość wytworzenia w pełni zamkniętych i zagrzebanych struktur. Wspiera struktury w czasie laminacji i wypalania. Ograniczenia do względnie dużych i prostych struktur. Nie wspiera struktur w czasie wypalania. Stosunkowo słaba stabilność wymiarowa. Trudne wypełnianie i kształtowanie materiału SVM. Materiały mineralne jako SVM Struktury 3D i wiszące warstwy grube. Wspiera struktury w czasie laminacji i wypalania. Wymagane trawienie chemiczne. Niemożliwe wytwarzanie zamkniętych struktur zagrzebanych. Trudne wypełnianie i kształtowanie materiału SVM.

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Pasta węglowa typu SVM Faza funkcjonalna proszek grafitowy Nośnik organiczny rozpuszczalnik - korekcja lepkości (terpineol)- obniżenie napięcia powierzchniowego - poprawa zwilżalności - adhezja do podłoża po procesie suszenia (70-120 o C)

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Zanieczyszczenie struktury przestrzennej Deformacja struktury przestrzennej

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Analiza EDX (Energy Dispersive X-ray analysis) Struktura LTCC wypalana z pastą węglową Struktura referencyjna

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Wpływ warunków wypalania na geometrię struktur przestrzennych wykonywanych w ceramice LTCC Birol et al., JMM, 2007

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) 100 95 Waga [%] Odparowanie substancji lotnych Usuwanie substancji nielotnych 90 85 80 75 Utlenianie grafitu: C + O 2 CO 2 70 100 300 600 800 T [ o C]

Khoong et al., JECS, 2009 Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Różne procesy wypalania (a) i (b) standardowy profil wypalania (c) i (d) zmodyfikowany profil wypalania (dodatkowy etap wygrzewania)

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Dno kanału wykonanego w ceramice LTCC

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Analiza EDX (Energy Dispersive X-ray analysis) Struktura LTCC wypalana z pastą SVM (profil zmodyfikowany) Struktura referencyjna

Materiały pomocnicze (SVM sacrificial volume material) Elementy ruchome Peterson et al., App. J. Cer.T., 2005

Materiał pomocniczy - podsumowanie Jako materiały pomocnicze można stosować komercyjnie dostępne produkty (pasta i folia węglowa) oraz alkohol cetylowy. Na podstawie wyników analizy TGA można zoptymalizować proces wypalania modułów ceramicznych w taki sposób, aby możliwe było jak najbardziej efektywne usuwanie materiałów pomocniczych z ich objętości. Zastosowanie materiałów pomocniczych pozwala na zmniejszenie deformacji oraz uszkodzeń struktur przestrzennych mających miejsce w trakcie procesu laminacji surowych foli ceramicznych. Metoda może być stosowana do wykonywania w ceramice LTCC kanałów przepływowych o szerokościach od 100 μm do pojedynczych milimetrów.

Współwypalanie z warstwami grubymi Kompensacja ugięcia ceramiki LTCC poprzez naniesienie warstwy grubej Czujnik przepływu wykonany za pomocą metody współwypalania z warstwą grubą Zdjęcia rentgenowskie pokazujące umiejscowienie warstw grubych na mostku Gongora-Rubio et al., S&A., 2001