eng
Содержание
Перечень сокращений и условный обозначений ............................................ 6
Предисловие ...................................................................................................... 12
Введение ............................................................................................................ 15
ГЛАВА 1. ПЕЧАТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ КВАЗИ-3D-ТЭУ .................. 18
1.1.
Технологии фиксированной печати .......................................................... 20
1.1.1.
Трафаретная печать (screen printing) ................................................ 20
1.1.2.
Глубокая печать (gravure printing) ..................................................... 24
1.1.3.
Высокая печать (flexographic) ........................................................... 26
1.1.4.
Горячее тиснение (hot pressing/embossing) ....................................... 28
1.1.5.
Офсетная печать (offset) .................................................................... 30
1.1.5.1.
Однократная форма ............................................................... 32
1.1.5.2.
Перезаписываемая форма ..................................................... 33
1.1.6.
Нанопечатная литография (NIL) ..................................................... 35
1.1.6.1.
Нанопечатная термическая литография ............................... 36
1.1.6.2.
Нанопечатная фотолитография ............................................ 37
1.1.6.3.
Микроконтактная печать (μCP) ........................................... 39
1.1.7.
Ударная консолидация (Cold Spray) ................................................. 42
1.1.8.
Общие выводы по технологиям фиксированной печати ................ 44
1.2.
Технологии нефиксированной печати ...................................................... 44
1.2.1.
Матричная печать (dot matrix printing) ............................................. 45
1.2.2.
Электрография (electrophotography) ................................................. 46
1.2.3.
Ризография (Risography) ................................................................... 48
1.2.4.
Струйная печать (BPM) .................................................................... 49
1.2.5.
Термография (Thermography) ........................................................... 52
1.2.5.1.
Термотрансферный перенос (thermotransfer) ....................... 53
1.2.5.2.
Сублимационная технология (sublimatic heat transfer
printing) ................................................................................... 55
1.2.5.3.
Лазерная абляция (Laser ablation) ......................................... 56
1.2.6.
Общие выводы по технологиям нефиксированной печати
квази-3D-объектов ........................................................................... 57
1.3.
Сравнение технологий формирования квазиобъемных фигур на базе
2
D-подложек ............................................................................................... 58
ГЛАВА 2. 3D-ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЭУ ................................. 64
2.1.
Технология склеивания порошков (3DP-технология) ............................. 66
2.2.
Технологии теплового воздействия на конструкционный материал
до процесса формирования слоя ............................................................... 68
2.2.1.
Экструзия (выдавливание вязкого расплава) материала
(extrusion) ........................................................................................... 68
2.2.2.
Струйное распыление расплавленного материала
(DODJet, LMJP и др.) ....................................................................... 71
2.3.
Технологии теплового воздействия на конструкционный материал
в процессе формирования слоя ................................................................. 74
2.3.1.
Ламинирование листовых материалов (LOM) ................................. 74
2.3.2.
Селективное тепловое спекание (SHS) ............................................ 76
2.3.3.
Селективное лазерное спекание порошков (SLS/SLM) ................. 77
2.3.4.
Лазерное сплавление материалов (LENS) ....................................... 79
2.3.5.
Электронно-лучевое сплавление порошков (EBM) ........................ 81
2.3.6.
Электронно-лучевая наплавка твердых веществ (EBF3) ................. 82
2.3.7.
Ультразвуковая консолидация (UAM) ............................................. 84
2.3.8.
Электродуговое наваривание в различных газовых средах
(3DMP) .............................................................................................. 85
2.3.9.
Плазменно-дуговое наплавление материала (IFF) ......................... 88
2.4.
Технологии фотополимеризации .............................................................. 90
2.4.1.
Прямая лазерная стереолитография (SLA) ...................................... 91
2.4.2.
Интегральная непрерывная тонкослойная технология (FTI) ......... 92
2.4.3.
Выращивание монолита из раствора (CLIP) ................................... 94
2.4.4.
Технология послойного отверждения через маску (SGC) ............... 97
2.4.5.
Стимулированное струйное распыление (PJP/PolyJet) ................... 99
2.4.6.
Голографическая печать (HIS) ......................................................... 101
2.5.
Заключение главы 2 .................................................................................... 103
2.5.1.
Достоинства и недостатки технологий ............................................. 103
2.5.2.
Ближайшие перспективы внедрения 3D-принтеров ...................... 108
2.5.3.
Перспективные технологии изготовления трехмерных
электронных устройств (ТЭУ) .......................................................... 112
ГЛАВА 3. КВАЗИ-4D-ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ТЭУ ................... 117
3.1.
Сплавные 3D MID-технологии (V-3D MID) ............................................ 118
3.2.
Жидкостные S-3D MID-технологии (LS-3D MID) .................................. 122
3.2.1.
Двухшаговая заливка («2S»-технология) .......................................... 123
3.2.2.
Лазерное структурирование (LDS) .................................................. 126
3.2.2.1.
Композитная технология (LDS-C) ....................................... 126
3.2.2.2.
Печатно-аддитивная технология (LDS-P) ............................ 128
3.2.3.
Субтрактивное лазерное структурирование (LSS) .......................... 131
3.2.4.
Струйно-аэрозольная технология (AJD/M3D) ................................ 131
3.2.5.
Струйная микрокапельная печать (µDWT) ...................................... 135
3.2.6.
3D-фотолитография (3D-Photoimaging) .......................................... 136
3.3.
Газофазные (сухие) 3D MID-технологии (DS-3D MID) .......................... 139
3.3.1.
Газоплазменное (газотермическое) напыление (Flamecon) ............ 141
3.3.2.
Осаждение при помощи электродугового плазмотрона (PST) ....... 143
3.4.
Анализ и перспективы развития 3D MID-технологий ............................. 147
3.5.
Перспективы развития 3D-технологий ТЭУ ............................................ 157
ГЛАВА 4. ТЕСТОВЫЕ ЗАДАНИЯ ................................................................... 166
4.1.
Тестовые задания к главе 1 «Печатная электроника
для квази-3D-ТЭУ» .................................................................................... 166
4.2.
Тестовые задания к главе 2 «3D-технология производства ТЭУ» ............ 176
4.3.
Тестовые задания к главе 3 «Квази-4D-технологии производства
интегральных ТЭУ» .................................................................................... 189
4.4.
Эталоны ответов к тестовым заданиям ..................................................... 198
К главе 1 ...................................................................................................... 198
К главе 2 ...................................................................................................... 199
К главе 3 ...................................................................................................... 200
Список использованной литературы ............................................................... 201
Перечень сокращений и условный обозначений
БМК — базовые матричные кристаллы
БПЛА — беспилотный летательный аппарат
ИМС — интегральная микросхема
НПЛ — нанопечатная литография
ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы
ПП — печатная плата
ПУ — печатный узел
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
ТЭУ — трехмерное электронное устройство
ТПС — технологии послойного синтеза
ХГДН — холодное газодинамическое напыление
ЧПУ — числовое программное управление
3DP (3D printing powdered bed and inkjet heads) — печать объемных объ-
ектов в камерах с порошковым материалом при помощи раз-
брызгивания клея
3DMP (3D Metal Print) — метод электродугового наваривания в газовых
средах
4K/UHD (Ultra High Definition) — разрешающая способность в сред-
ствах отображения информации, соответствующая матрице
3840×2160 пикселей
AF/AM (Additive Fabrication/Additive Manufacturing)/RPM (Rapid
Prototyping and Manufacturing) — аддитивные технологии по-
слойного наращивания
ABS — акрилонитрилбутадиенстирол (АБС)
AJD (Aerosol Jet Deposition)/M3D (Maskless Mesoscale Material
Deposition) — технология струйно-аэрозольного напыления
BIS (Beam Interference Solidification) — двулучевое интерференционное
затвердевание
BJ (Binder Jetting)/IIP (Indirect Inkjet Printing) — «обратная» струйная пе-
чать 3D-объектов, т.е. разбрызгивание растворителя по поли-
мерным порошкам
BPM (Ballistic Particle Manufacture)/IP (Inkjet Printing)/MJ (Material
Jetting) — технология прямой струйной печати
BTF (Buy-To-Fly ratio) — коэффициент использования материала
CAD (Computer-Aided Design) — системы автоматизированного проек-
тирования
CAM (Computer-Aided Manufacturing) — системы автоматизированного
производства
CVD (Chemical Vapor Deposition) — химическое (плазмохимическое)
осаждение материалов из газовой фазы
CLIP (Continuous Liquid Interface Production) — технология непрерывно-
го выращивания изделия из жидкого фоточувствительного по-
лимера
CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key color) — система формирования чер-
ного цвета путем вычитания из белого трех первичных цветов
(RGB). Таким образом, получаются три дополнительных цвета
(голубой, пурпурной и желтый), которые в сумме и дают чер-
ный цвет
CS (Cathode Sputtering) — катодное распыление
CJP (Color Jet Printing) — склеивание слоев материалов с их одновре-
менным окрашиванием при помощи струйных технологий
DMF (Direct Metal Fabrication) — технология прямой печати расплавом
металлов
DODJet (Drop-On-Demand-Jet) — струйное нанесение слоев расплав-
ленного воска
DLP (Digital Light Processing) — «цифровая обработка потока света» при
помощи микроэлектромеханической технологии
DPI (Dots Per Inch) — количество точек на дюйм (мера разрешения изо-
бражения)
EBM (Electron Beam Melting) — электронно-лучевое спекание по-
рошков
EBF3 (Electron Beam Free Form Fabrication) — электронно-лучевая на-
плавка
EHLA (Extreme High Speed Laser Cladding) — высокоскоростное лазер-
ное сплавление
EBE (Electron Beam Evaporation) — электронно-лучевое испарение
FDM (Fused Deposition Modeling)/FFF (Fused Filament Fabrication) —
технология выдавливания расплавленного материала (экстру-
зия) через сопло
FIM (Film Insert Molding) — литье с закладкой (вставкой) пленочных за-
готовок (одна из разновидностей технологии литья под давле-
нием)
FST (Flame Spray Technologies)/FWST (Flame Wire Spray Technologies)/
FPS (Flame Powder Spray) — технологии газоплазменного на-
пыления
FSP (Flat Screen Printing) — плоская трафаретная печать
FTI (Film transfer imaging) — послойный перенос изображения путем
создания пленочного слоя
GMAW (Gas Metal Arc Welding) — электродуговая металлизация
GSM (Global System for Mobile Communications) — стандарт мобильной
сотовой связи
GPS (Global Positioning System) — спутниковая система навигации
HIS (Holographic Interference Solidification) — голографическая интерфе-
ренционная полимеризация (голографическая печать)
IMD (In Mould Decoration) — декорирование в пресс-форме (одна
из разновидностей технологии литья под давлением с предва-
рительно отформованными закладными деталями)
IML (In Mould Labelling) — этикетирование в пресс-форме (одна из раз-
новидностей технологии литья под давлением с предваритель-
но отформованными закладными деталями)
IP (Inkjet Printing)/BPM (Ballistic Particle Manufacture)/MJ (Material
Jetting) — технология прямой струйной печати
IIP (Indirect Inkjet Printing)/BJ (Binder Jetting) — «обратная» струйная пе-
чать 3D-объектов, т.е. разбрызгивание растворителя по поли-
мерным порошкам
IFF (Ion Fusion Formation) — плазменное наплавление материала
LENS (Laser Engineered Net Shaping)/LMF (laser metal fusion)/LMD
(Laser Metal Deposition) — технологии селективного лазерного
спекания порошков
LMJP (Liquid Metal Jet Printing) — струйное нанесение расплавленного
металла
LOM (Laminated Оbject Мanufacturing) — технология получения объем-
ных объектов путем многослойного ламинирования листовых
материалов
LJ (LotJet) — технология, применяющая множество одинаковых тонко-
канальных сопел в печатающей головке и/или множество пе-
чатных головок
LTE (Long-Term Evolution) — стандарт высокоскоростной мобильной
связи
LDS (Laser Direct Structuring) — лазерное структурирование поверхно-
сти полимеров с последующей металлизацией облученных
участков
LDS-C — композитная технология LDS для металлсодержащих полиме-
ров
LDS-P — печатно-аддитивная технология LDS, не использующая металлсодержащие
пластики
LSS (Laser Subtractive Structuring) — субтрактивное лазерное травление ме-
таллического адгезионного слоя, нанесенного ранее на подложку
MAG (Metal Active Gas) — плазмообразующий химически активный газ
в технологии электродугового наваривания
MIG (Metal Inert Gas) — плазмообразующий защитный (инертный) газ
в технологии электродугового наваривания
MID (Molded Interconnected Devices) — литое монтажное основание
MSJ (Metal Spray Jet) — одна из технологий газоплазменного напыления
MSpD (Magnetron Sputtering process) — магнетронное распыление
μCP (microcontact printing) — микроконтактная печать (разновидность
нанофотолитографии)
µDWT (micro Direct Write Technology) — струйная микрокапельная печать
MRD (Multy Rolle Developer) — узлы подачи различных материалов
на поверхность формного вала
MJM (Multi-Jet Modeling)/PJP (Plastic Jet Printing) — струйное распыле-
ние фотопластика с его последующим отверждением УФ-облу-
чением
MPJS (Multiphase Jet Solidification) — технология нанесения легкоплав-
ких материалов на подложку с их предварительным плавле-
нием
NIL (Nanoimprint Lithography) — нанопечатная (термо- или фото-) ли-
тография
NIP (Non-Impact Printing) — технологии нефиксированной печати
NFC (Near Field Communication) — коммуникации ближнего радиуса
действия
OLED (Organic Light-Emitting Diode) — светодиод из органических мате-
риалов
РА-Prozess — производство печатных плат, разработанное фирмой
Kollmorgen (Германия), с металлизацией негатива «изображе-
ния»
PCK (Printed Circuit Board) — производство печатных плат, разработан-
ное фирмой Kollmorgen (Германия), с металлизацией позитива
«изображения»
PLED (Plastic Light Emmittig Diod) — светодиод из полимерных матери-
алов
PET — полиэтилентерефталат (ПЭТФ, лавсан)
PEN — полиэтиленнафталат (высокоплавкий аналог PET)
RFID (Radio Frequency IDentification) — система однонаправленной свя-
зи (радиометка системы безопасности)
PI — полиимид
PJP (Plastic Jet Printing)/MJM (Multi-Jet Modeling) — струйное распыле-
ние фотопластика с его последующим отверждением УФ-облу-
чением
PVD (Physical Vapor Deposition) — физическое осаждение из газовой
фазы
PLA — полилактид
PP — полипропилен
PST (Plasma Spray Technologies)/Plasma dust — осаждение при помощи
электродугового плазмотрона
PTF (Polymer Precision thick-Film) — способ получения проводящих, по-
лупроводниковых, диэлектрических и полимерных покрытий
R2R (Roll to Roll) — рулонные технологии печати
RPM (Rapid Prototyping and Manufacturing)/AF/AM (Additive Fabrication/
Additive Manufacturing) — аддитивные технологии послойного
наращивания
S2S (Sheet to Sheet) — листовые плоскопечатные технологии
SKW (Sankyo Kasei Wiring Board) — производство печатных плат, разра-
ботанное фирмой Sankyo Kasei (Япония), с металлизацией по-
зитива «изображения»
Smart NIL — технология, разработанная австрийской компанией EVG,
аналогичная технологии NIL (см. выше), но использующая
специальные гибкие штампы, повторяющие рельеф подложки
при нагрузке
SLM (Selective Laser Melting) — лазерное сплавление металлического по-
рошка
SMD (Surface Mounted Device) — чип, монтируемый на поверхность пе-
чатной платы
SHS (Selective Нeating Sintering) — селективное тепловое спекание по-
рошков
SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание по-
рошков
SLA (Stereolithography Laser Apparatus) — технология фотополимериза-
ции полимеров с использованием интегрального облучения
УФ-лазером
SGC (Solid Ground Curing) — технология фотополимеризации полиме-
ров с использованием интегрального облучения УФ-лампой
через маску
SPLJ (Singlephase LotJet) — технологии нанесения однофазных (жидких)
материалов на подложку без их предварительного нагрева
T-LJ (Termo LotJet) — технологии нанесения пасто- или гелеобразных
материалов на подложку с их предварительным нагревом
UAM (Ultrasonic Аdditive Мanufacturing, Fabrisonic)/UС (Ultrasonic
Consolidation) — технология ультразвуковой консолидации
(ультразвукового наплавления)
Предисловие
С развитием новых технологий конструирования и производства элек-
тронных устройств за счет создания и редактирования их трехмерных
компьютерных моделей и новых типов устройств и материалов для по-
слойного создания физического объекта все более реальным становится
воспроизводимый выпуск полноценных трехмерных электронных
устройств (ТЭУ). В связи с этим представляется необходимым произве-
сти новую классификацию сложных объемных (3D) объектов и всех со-
временных технологий их изготовления по физическому принципу воз-
действия на конструкционный материал. Только выявив преимущества
и недостатки данных технологий и определив приоритетные направле-
ния их развития, можно будет определить перспективы развития совре-
менных физико-химических методов формирования ТЭУ.
В главе 1 пособия выявлены основные принципы и возможности
формирования ТЭУ на плоских (2D) и квазиобъемных (квази-3D) под-
ложках. Проанализированы основные характеристики методов печати:
максимальная толщина слоя, наличие контакта, тип переноса печатно-
го изображения (фиксированное, нефиксированное), производитель-
ность и т.д. Показано, что использование современных технологий
плоской печати не позволяет экономически целесообразно изготавли-
вать объемные структуры сложной формы в непрерывном технологиче-
ском цикле.
В главе 2 пособия проанализированы возможности современных ад-
дитивных и полуаддитивных технологий для производства ТЭУ по их ос-
новным характеристикам: диапазонам толщин наносимых материалов,
максимальному разрешению формирования структур и производитель-
ности. Произведена классификация данных технологий по физическо-
му принципу воздействия на конструкционный материал. Показано, что
общими недостатками всех данных технологий являются слоистость по-
лучаемых структур, ведущая к худшим механическим свойствам, доста-
точно низкое разрешение изготавливаемых объектов (до 1 мкм) и достаточно высокая стоимость сформированных изделий, что значительно
ограничивает возможность их массового (конвейерного) производства.
Использование традиционных аддитивных и полуаддитивных техноло-
гий, как и традиционных 2D-технологий печати, также не позволяет
формировать многослойные сложные 3D-объекты с использованием
в качестве функциональных элементов всех граней, ребер и толщин
стенок.
Впервые понятие 4D-печати (4D-технологий) ввел в употребление
в 2013 г. Скайлар Тиббитс (Skylar Tibbits) из Массачусетского технологи-
ческого института (MIT). Поэтому в последнее время в литературе поя-
вилось множество работ [1—3], посвященных созданию 4D-объектов,
т.е. созданию трехмерных объектов, которые могут менять свою форму
или структуру после создания в зависимости от внешних условий, на-
пример при попадании в водную среду, облучении УФ определенной
длины, изменении температуры, механическом воздействии и т.д.
То есть к трем измерениям добавилась четвертая координата — время.
В главе 3 пособия рассматриваются лишь первые этапы создания
4D-объектов — создание жестких многослойных 3D-структур, назван-
ных в данной работе квази-4D объектами. Это название связано с тем,
что предлагаемые гибридные технологии в настоящее время находятся
лишь в стадии разработки (являются пред-4D-технологиями или «3D+»
технологиями), практически не обеспечены необходимыми материала-
ми и элементной базой, но имеют потенциальные возможности для соз-
дания полноценных 4D-объектов. Достоверной информации о созда-
нии и применении полноценных 4D-объектов на момент написания
пособия не найдено.
При этом отдельные разрабатываемые гибридные технологии связа-
ны между собой в реальном (объективном) времени сложными зависи-
мостями. Чтобы абстрагироваться от этих сложных зависимостей, пред-
лагается рассматривать изготовление ТЭУ по таким технологиям не в ре-
альном времени, а на условной шкале времени, состоящей из дискретных
участков реального времени не в хронологической последовательности.
При таком подходе назовем использование таких гибридных технологий
квази-4D-технологиями.
В дальнейшем с развитием данных технологий приставка «квази-»
перестанет быть актуальной.
Первым шагом при разработке квази-4D-объектов стала разработка
3D MID-технологий (Three Dimensional Molded Interconnect Devices).
В главе 3 произведен сравнительный анализ возможностей различных
3D MID-технологий формирования ТЭУ. Показано, что основным не-
достатком 3D MID-технологий является невозможность изготовления
полноценных квази-4D-деталей ТЭУ с использованием в качестве
функциональных элементов всех свободных граней, ребер и объема (или
всей толщины стенок). Приведены примеры внедрения 3D MID-техно-
логий в производство изделий радиоэлектроники.
В заключении представлены этапы и перспективы развития (так на-
зываемая дорожная карта) современных физических методов формиро-
вания ТЭУ до 2026 г.
Данный материал является блоком, который может использоваться
в курсах «Моделирование конструкций и технологических процессов
производства электронных средств», «Научные и организационные
проблемы конструирования и технологии РЭС», «Проектирование
и технология РЭС специального назначения», «Нанотехнология и нано-
материалы в производстве электронных средств», «Средства отображе-
ния информации», «Физико-химические основы нанотехнологии и тех-
нологии электронных средств» и «Интегральные устройства радиоэлек-
троники и наноэлектроники».
Введение
До недавнего времени электронное устройство состояло из печатного
узла (ПУ) — печатной платы (ПП) с установленными на ней чипами
пассивных и активных элементов и корпуса. Одним из способов умень-
шения габаритов печатных плат является замена части их дискретных
элементов и интегральных схем на ПЛИС (программируемые логиче-
ские интегральные схемы) и БМК (базовые матричные кристаллы).
В условиях мелкосерийного производства разработка специализирован-
ной элементной базы нецелесообразна. Еще одним способом миниатю-
ризации устройств является использование корпуса печатного узла
не только в качестве пассивного конструкционного несущего элемента,
но и в качестве объемной печатной платы (трехмерных электронных
устройств — ТЭУ). Первые неудачные попытки создать ТЭУ (наносить
токопроводящие дорожки непосредственно на внутренние поверхности
объемных пластиковых корпусов) относятся еще к 80-м гг. XX в.
И только с развитием новых принципов конструирования устройств
за счет создания их трехмерных компьютерных моделей, новых типов
устройств послойного создания физического объекта и новых материа-
лов стало возможно наладить воспроизводимый выпуск полноценных
ТЭУ.
Создание 3D-объектов в технике, машиностроении, электронике
и т.д. вне зависимости от типа конструкционного материала осущест-
вляется в основном при помощи четырех групп методов:
субтрактивные методы (subtractive) — методы удаления «лишнего»
объема из изначального объема заготовки, т.е. технологии удале-
ния (химическим травлением, фрезерованием, плазменным трав-
лением и т.д.) массива материала подложки;
формовочные методы — методы получения изделий по форме
предварительно изготовленной модели (штамповка, литье, ковка
и т.д.);
аддитивные методы (AF — Additive Fabrication), (AM — Additive
Manufacturing) или (RPM — Rapid Prototyping and Manufacturing)
технологии — методы последовательного узконаправленного «на-
ращивания» материала слой за слоем (наплавка, наклеивание,
спекание и т.д.);
полуаддитивные (semiadditive) (гибридные, многофункциональ-
ные и т.д.) — технологии аддитивного наращивания с последую-
щим удалением части нанесенного материала, например, метода-
ми токарной или фрезерной обработки, лазерной резки и т.д.
на станках с ЧПУ или методами химического (плазмохимическо-
го) травления, используя нанесенный материал в качестве маски.
Достаточно долгое время аддитивные технологии считались эконо-
мически нецелесообразными, так как стоимость механообработки де-
шевле порошкового синтеза в 3—10 раз [4]. Изначально АF-технологии,
которые часто называют технологиями быстрого прототипирования,
предназначались только для изготовления несерийных (опытных) моде-
лей. Но современное развитие общества требует от поставщиков-произ-
водителей (заводов, предприятий и т.п.) деталей все более и более слож-
ной формы при уменьшении их геометрических размеров. При этом
цена изготовления изделий механообработкой значительно увеличива-
ется, а решать задачи при помощи формовочных методов становится
крайне затруднительным (вплоть до невозможности изготовления)
или экономически нецелесообразным. При этом все большее значение
имеют:
коэффициент использования материала — BTF (Buy-To-Fly ratio),
т.е. отношение массы материала, необходимого для изготовления
деталей, к массе конечной детали. Для традиционных (субтрак-
тивных) механообрабатывающих технологий величина параметра
соответствует (15—20):1. Аддитивные технологии доводят этот по-
казатель до (1—5):1;
скорость изготовления детали. У аддитивных технологий скорость
«выращивания» детали может превышать скорость «удаления»
материалов до 2—4 раз;
необходимость изготовления объектов с высокой степенью вос-
производимости.
Все вышесказанное и породило настоящий бум развития различных
3D-технологий печати. Меньше чем за последние 10 лет стоимость изго-
товления 3D-объектов при помощи аддитивных технологий уменьши-
лась на 30—40% [4]. В настоящее время аддитивные технологии уже рас-
сматривают в качестве одной из стратегических технологий аэрокосми-
ческой и оборонной отраслей. Это стало возможным за счет очевидных
достоинств AF-технологий:
простота изготовления образцов за счет компьютерных техноло-
гий визуализации объектов и возможность быстрого исправления
ошибок перед запуском изделия в серию;
насыщение рынка доступными расходными материалами;
достаточно высокая точность изготовления объектов различных
форм и материалов.
плотность, например, металлических изделий, напечатанных
на 3D-принтере, оказывается на 50% выше плотности металличе-
ских изделий, получаемых литьем, и всего на 10—15% ниже плот-
ности, получаемой у металлов при прокате [4];
возможность корректировки отклонения размеров детали от за-
данных непосредственно в процесс печати при помощи системы
обратной связи — оптических датчиков и соответствующего про-
граммного обеспечения.
ГЛАВА 1
ПЕЧАТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
ДЛЯ КВАЗИ-3D-ТЭУ
В настоящее время в производстве ТЭУ различают несколько типов
сложных объемных объектов (см. табл. 1.1):
объемные фигуры (квази-3D-объекты), создаваемые из отдель-
ных 2D-модулей на базе жестких или гибких подложек [5, 6];
жесткие объемные (3D) фигуры [7, 8], создаваемые послойно при
помощи 3D-принтеров (или многофункциональных устройств)
и ex-situ технологий (дополнительных посттехнологий) обработки
поверхности;
жесткие объемные (3D) фигуры, получаемые традиционными
промышленными методами (литьем, штамповкой и т.д.) и ex-situ
технологиями обработки поверхности (3DMID) [9, 10].
Создание первых ТЭУ осуществлялось именно на базе нанесения по-
крытий различного вида (проводящих резистивных, полупроводнико-
вых или диэлектрических) на:
жесткие подложки (стеклотекстолит, гетинакс и т.д.) [11];
гибкие подложки (полиэтилентерефталат (PET), полиэтиленнаф-
талат (PEN), полиимид (PI), полипропилен (PP), полилактид
(PLA), бумагу, полиэтилен и т.д.) [12].
Это направление не потеряло своей актуальности и по настоящее
время. В большинстве случаев нанесение покрытий на гибкие и жесткие
подложки аналогично. Разница лишь в соединении гибкой и жесткой
платы в единый модуль (рис. 1.1) или в размещении гибкой печатной
платы внутри жесткого 3D-корпуса (рис. 1.2) [13].
С точки зрения типа переноса изображения все технологии 2D-печа-
ти (рис. 1.3) можно подразделить на следующие виды:
фиксированное печатное изображение переносится со специаль-
но изготовленной печатной формы (штампа, вала и т.д.) или осу-
ществляется через трафарет (маску) на подложку. При этом мак-
симальный размер изображения определяется, например, длиной
окружности цилиндра (трафаретная печать, глубокая печать
и т.д.), а качество изображения — современным уровнем техноло-
гии изготовления печатного элемента на печатной форме
(«computer-to-press»);
нефиксированное (динамическое) изображение переносится
на подложку с редактируемого источника и не требует изготовле-
ния постоянной фиксированной печатной формы. Максималь-
ное разрешение для черно-белой или цветной печати измеряется
в dpi (струйная печать, лазерная абляция, матричная и т.д.)
(«computer-to-print»);
гибридная технология — сочетание фиксированной и нефиксиро-
ванной печати. Например, трафаретная печать для создания тол-
стых покрытий и струйная для создания тонких покрытий с высо-
кой точностью.
1.1. Технологии фиксированной печати
1.1.1. Трафаретная печать (screen printing)
Аддитивная технология нанесения рисунка в трафаретной печати состо-
ит в продавливании пасты через трафарет с использованием ракеля.
В настоящее время существуют две технологии трафаретной печати —
плоскопечатная (FSP — Flat Screen Printing) и ротационная (RSP —
Rotary Screen Printing) [14]. Они различаются формой и расположением
трафарета (рис. 1.4 и 1.5).
В плоскопечатных установках (рис. 1.4) материал покрытия (4) про-
давливается ракелем (5) на подложку (6), закрепленную на основа-
нии (3), через ячейки трафарета (1), располагаемого между ракелем
и подложкой. Производительность этих установок невысока в связи
с предварительным приготовлением (раскроем) плоских заготовок и пе-
риодической подачей их в камеру нанесения.
Для повышения производительности используется полая ротацион-
ная установка печати (рис. 1.5), в которой печатный вал с трафаретом (4)
представляет собой полый цилиндр с ячейками. Внутри этого полого
цилиндра помещается ракель (3), переносящий краску (3) на подлож-
ку (1), продавливая ее через ячейки вращающегося печатного цилиндра.
Трафаретная краска закачивается непрерывно в трафаретную форму
нагнетающим насосом.
Для получения качественного отпечатка с четким краем рисунка за-
данной толщины элементов ТЭУ необходимо осуществлять контроль
следующих технологических параметров:
1) вязкости паст. Пасты должны обладать тиксотропностью (способ-
ностью под действием механического давления увеличивать теку-
честь (уменьшать вязкость) и затем после прекращения давления
снова загустевать). Чем больше вязкость, тем толще пленка;
2) параметры ракеля:
угол встречи (атаки) с поверхностью подложки (выбирается
от 4° до 60° — чем меньше угол встречи, тем больше давление
и толщина пленки);
твердость материала ракеля (величина его прогиба). Большой
прогиб уменьшает угол атаки, увеличивая расход пасты;
давление ракеля на трафарет (повышение давления увеличива-
ет толщину слоя пасты);
скорость перемещения ракеля (чем выше скорость перемеще-
ния, тем меньше толщина наносимой пленки);
3) параметры трафарета:
размеры ячеек (для получения толстых пленок однородной
толщины необходимо применять крупную сетку, а для точного
воспроизведения — более мелкую сетку или регулировать на-
тяжение одной сетки);
зазор между трафаретом и подложкой. Увеличение зазора при-
водит к увеличению толщины слоя;
4) режимы термообработки:
сушка (для удаления легколетучих компонентов). Так как сразу
наносится слой значительной толщины, то требуется опреде-
ленное время сушки;
обжиг (например, для удаления органических связующих ком-
понентов или спекания компонентов). При производстве тол-
стопленочных электронных схем сначала вжигается рисунок
проводников при температуре 850 °С, далее диэлектриков при
Т = 750 °С, а затем и резисторов при Т = 700 °С;
БМК — базовые матричные кристаллы
БПЛА — беспилотный летательный аппарат
ИМС — интегральная микросхема
НПЛ — нанопечатная литография
ПЛИС — программируемые логические интегральные схемы
ПП — печатная плата
ПУ — печатный узел
СБИС — сверхбольшая интегральная схема
ТЭУ — трехмерное электронное устройство
ТПС — технологии послойного синтеза
ХГДН — холодное газодинамическое напыление
ЧПУ — числовое программное управление
3DP (3D printing powdered bed and inkjet heads) — печать объемных объ-
ектов в камерах с порошковым материалом при помощи раз-
брызгивания клея
3DMP (3D Metal Print) — метод электродугового наваривания в газовых
средах
4K/UHD (Ultra High Definition) — разрешающая способность в сред-
ствах отображения информации, соответствующая матрице
3840×2160 пикселей
AF/AM (Additive Fabrication/Additive Manufacturing)/RPM (Rapid
Prototyping and Manufacturing) — аддитивные технологии по-
слойного наращивания
ABS — акрилонитрилбутадиенстирол (АБС)
AJD (Aerosol Jet Deposition)/M3D (Maskless Mesoscale Material
Deposition) — технология струйно-аэрозольного напыления
BIS (Beam Interference Solidification) — двулучевое интерференционное
затвердевание
BJ (Binder Jetting)/IIP (Indirect Inkjet Printing) — «обратная» струйная пе-
чать 3D-объектов, т.е. разбрызгивание растворителя по поли-
мерным порошкам
BPM (Ballistic Particle Manufacture)/IP (Inkjet Printing)/MJ (Material
Jetting) — технология прямой струйной печати
BTF (Buy-To-Fly ratio) — коэффициент использования материала
CAD (Computer-Aided Design) — системы автоматизированного проек-
тирования
CAM (Computer-Aided Manufacturing) — системы автоматизированного
производства
CVD (Chemical Vapor Deposition) — химическое (плазмохимическое)
осаждение материалов из газовой фазы
CLIP (Continuous Liquid Interface Production) — технология непрерывно-
го выращивания изделия из жидкого фоточувствительного по-
лимера
CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key color) — система формирования чер-
ного цвета путем вычитания из белого трех первичных цветов
(RGB). Таким образом, получаются три дополнительных цвета
(голубой, пурпурной и желтый), которые в сумме и дают чер-
ный цвет
CS (Cathode Sputtering) — катодное распыление
CJP (Color Jet Printing) — склеивание слоев материалов с их одновре-
менным окрашиванием при помощи струйных технологий
DMF (Direct Metal Fabrication) — технология прямой печати расплавом
металлов
DODJet (Drop-On-Demand-Jet) — струйное нанесение слоев расплав-
ленного воска
DLP (Digital Light Processing) — «цифровая обработка потока света» при
помощи микроэлектромеханической технологии
DPI (Dots Per Inch) — количество точек на дюйм (мера разрешения изо-
бражения)
EBM (Electron Beam Melting) — электронно-лучевое спекание по-
рошков
EBF3 (Electron Beam Free Form Fabrication) — электронно-лучевая на-
плавка
EHLA (Extreme High Speed Laser Cladding) — высокоскоростное лазер-
ное сплавление
EBE (Electron Beam Evaporation) — электронно-лучевое испарение
FDM (Fused Deposition Modeling)/FFF (Fused Filament Fabrication) —
технология выдавливания расплавленного материала (экстру-
зия) через сопло
FIM (Film Insert Molding) — литье с закладкой (вставкой) пленочных за-
готовок (одна из разновидностей технологии литья под давле-
нием)
FST (Flame Spray Technologies)/FWST (Flame Wire Spray Technologies)/
FPS (Flame Powder Spray) — технологии газоплазменного на-
пыления
FSP (Flat Screen Printing) — плоская трафаретная печать
FTI (Film transfer imaging) — послойный перенос изображения путем
создания пленочного слоя
GMAW (Gas Metal Arc Welding) — электродуговая металлизация
GSM (Global System for Mobile Communications) — стандарт мобильной
сотовой связи
GPS (Global Positioning System) — спутниковая система навигации
HIS (Holographic Interference Solidification) — голографическая интерфе-
ренционная полимеризация (голографическая печать)
IMD (In Mould Decoration) — декорирование в пресс-форме (одна
из разновидностей технологии литья под давлением с предва-
рительно отформованными закладными деталями)
IML (In Mould Labelling) — этикетирование в пресс-форме (одна из раз-
новидностей технологии литья под давлением с предваритель-
но отформованными закладными деталями)
IP (Inkjet Printing)/BPM (Ballistic Particle Manufacture)/MJ (Material
Jetting) — технология прямой струйной печати
IIP (Indirect Inkjet Printing)/BJ (Binder Jetting) — «обратная» струйная пе-
чать 3D-объектов, т.е. разбрызгивание растворителя по поли-
мерным порошкам
IFF (Ion Fusion Formation) — плазменное наплавление материала
LENS (Laser Engineered Net Shaping)/LMF (laser metal fusion)/LMD
(Laser Metal Deposition) — технологии селективного лазерного
спекания порошков
LMJP (Liquid Metal Jet Printing) — струйное нанесение расплавленного
металла
LOM (Laminated Оbject Мanufacturing) — технология получения объем-
ных объектов путем многослойного ламинирования листовых
материалов
LJ (LotJet) — технология, применяющая множество одинаковых тонко-
канальных сопел в печатающей головке и/или множество пе-
чатных головок
LTE (Long-Term Evolution) — стандарт высокоскоростной мобильной
связи
LDS (Laser Direct Structuring) — лазерное структурирование поверхно-
сти полимеров с последующей металлизацией облученных
участков
LDS-C — композитная технология LDS для металлсодержащих полиме-
ров
LDS-P — печатно-аддитивная технология LDS, не использующая металлсодержащие
пластики
LSS (Laser Subtractive Structuring) — субтрактивное лазерное травление ме-
таллического адгезионного слоя, нанесенного ранее на подложку
MAG (Metal Active Gas) — плазмообразующий химически активный газ
в технологии электродугового наваривания
MIG (Metal Inert Gas) — плазмообразующий защитный (инертный) газ
в технологии электродугового наваривания
MID (Molded Interconnected Devices) — литое монтажное основание
MSJ (Metal Spray Jet) — одна из технологий газоплазменного напыления
MSpD (Magnetron Sputtering process) — магнетронное распыление
μCP (microcontact printing) — микроконтактная печать (разновидность
нанофотолитографии)
µDWT (micro Direct Write Technology) — струйная микрокапельная печать
MRD (Multy Rolle Developer) — узлы подачи различных материалов
на поверхность формного вала
MJM (Multi-Jet Modeling)/PJP (Plastic Jet Printing) — струйное распыле-
ние фотопластика с его последующим отверждением УФ-облу-
чением
MPJS (Multiphase Jet Solidification) — технология нанесения легкоплав-
ких материалов на подложку с их предварительным плавле-
нием
NIL (Nanoimprint Lithography) — нанопечатная (термо- или фото-) ли-
тография
NIP (Non-Impact Printing) — технологии нефиксированной печати
NFC (Near Field Communication) — коммуникации ближнего радиуса
действия
OLED (Organic Light-Emitting Diode) — светодиод из органических мате-
риалов
РА-Prozess — производство печатных плат, разработанное фирмой
Kollmorgen (Германия), с металлизацией негатива «изображе-
ния»
PCK (Printed Circuit Board) — производство печатных плат, разработан-
ное фирмой Kollmorgen (Германия), с металлизацией позитива
«изображения»
PLED (Plastic Light Emmittig Diod) — светодиод из полимерных матери-
алов
PET — полиэтилентерефталат (ПЭТФ, лавсан)
PEN — полиэтиленнафталат (высокоплавкий аналог PET)
RFID (Radio Frequency IDentification) — система однонаправленной свя-
зи (радиометка системы безопасности)
PI — полиимид
PJP (Plastic Jet Printing)/MJM (Multi-Jet Modeling) — струйное распыле-
ние фотопластика с его последующим отверждением УФ-облу-
чением
PVD (Physical Vapor Deposition) — физическое осаждение из газовой
фазы
PLA — полилактид
PP — полипропилен
PST (Plasma Spray Technologies)/Plasma dust — осаждение при помощи
электродугового плазмотрона
PTF (Polymer Precision thick-Film) — способ получения проводящих, по-
лупроводниковых, диэлектрических и полимерных покрытий
R2R (Roll to Roll) — рулонные технологии печати
RPM (Rapid Prototyping and Manufacturing)/AF/AM (Additive Fabrication/
Additive Manufacturing) — аддитивные технологии послойного
наращивания
S2S (Sheet to Sheet) — листовые плоскопечатные технологии
SKW (Sankyo Kasei Wiring Board) — производство печатных плат, разра-
ботанное фирмой Sankyo Kasei (Япония), с металлизацией по-
зитива «изображения»
Smart NIL — технология, разработанная австрийской компанией EVG,
аналогичная технологии NIL (см. выше), но использующая
специальные гибкие штампы, повторяющие рельеф подложки
при нагрузке
SLM (Selective Laser Melting) — лазерное сплавление металлического по-
рошка
SMD (Surface Mounted Device) — чип, монтируемый на поверхность пе-
чатной платы
SHS (Selective Нeating Sintering) — селективное тепловое спекание по-
рошков
SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание по-
рошков
SLA (Stereolithography Laser Apparatus) — технология фотополимериза-
ции полимеров с использованием интегрального облучения
УФ-лазером
SGC (Solid Ground Curing) — технология фотополимеризации полиме-
ров с использованием интегрального облучения УФ-лампой
через маску
SPLJ (Singlephase LotJet) — технологии нанесения однофазных (жидких)
материалов на подложку без их предварительного нагрева
T-LJ (Termo LotJet) — технологии нанесения пасто- или гелеобразных
материалов на подложку с их предварительным нагревом
UAM (Ultrasonic Аdditive Мanufacturing, Fabrisonic)/UС (Ultrasonic
Consolidation) — технология ультразвуковой консолидации
(ультразвукового наплавления)
Предисловие
С развитием новых технологий конструирования и производства элек-
тронных устройств за счет создания и редактирования их трехмерных
компьютерных моделей и новых типов устройств и материалов для по-
слойного создания физического объекта все более реальным становится
воспроизводимый выпуск полноценных трехмерных электронных
устройств (ТЭУ). В связи с этим представляется необходимым произве-
сти новую классификацию сложных объемных (3D) объектов и всех со-
временных технологий их изготовления по физическому принципу воз-
действия на конструкционный материал. Только выявив преимущества
и недостатки данных технологий и определив приоритетные направле-
ния их развития, можно будет определить перспективы развития совре-
менных физико-химических методов формирования ТЭУ.
В главе 1 пособия выявлены основные принципы и возможности
формирования ТЭУ на плоских (2D) и квазиобъемных (квази-3D) под-
ложках. Проанализированы основные характеристики методов печати:
максимальная толщина слоя, наличие контакта, тип переноса печатно-
го изображения (фиксированное, нефиксированное), производитель-
ность и т.д. Показано, что использование современных технологий
плоской печати не позволяет экономически целесообразно изготавли-
вать объемные структуры сложной формы в непрерывном технологиче-
ском цикле.
В главе 2 пособия проанализированы возможности современных ад-
дитивных и полуаддитивных технологий для производства ТЭУ по их ос-
новным характеристикам: диапазонам толщин наносимых материалов,
максимальному разрешению формирования структур и производитель-
ности. Произведена классификация данных технологий по физическо-
му принципу воздействия на конструкционный материал. Показано, что
общими недостатками всех данных технологий являются слоистость по-
лучаемых структур, ведущая к худшим механическим свойствам, доста-
точно низкое разрешение изготавливаемых объектов (до 1 мкм) и достаточно высокая стоимость сформированных изделий, что значительно
ограничивает возможность их массового (конвейерного) производства.
Использование традиционных аддитивных и полуаддитивных техноло-
гий, как и традиционных 2D-технологий печати, также не позволяет
формировать многослойные сложные 3D-объекты с использованием
в качестве функциональных элементов всех граней, ребер и толщин
стенок.
Впервые понятие 4D-печати (4D-технологий) ввел в употребление
в 2013 г. Скайлар Тиббитс (Skylar Tibbits) из Массачусетского технологи-
ческого института (MIT). Поэтому в последнее время в литературе поя-
вилось множество работ [1—3], посвященных созданию 4D-объектов,
т.е. созданию трехмерных объектов, которые могут менять свою форму
или структуру после создания в зависимости от внешних условий, на-
пример при попадании в водную среду, облучении УФ определенной
длины, изменении температуры, механическом воздействии и т.д.
То есть к трем измерениям добавилась четвертая координата — время.
В главе 3 пособия рассматриваются лишь первые этапы создания
4D-объектов — создание жестких многослойных 3D-структур, назван-
ных в данной работе квази-4D объектами. Это название связано с тем,
что предлагаемые гибридные технологии в настоящее время находятся
лишь в стадии разработки (являются пред-4D-технологиями или «3D+»
технологиями), практически не обеспечены необходимыми материала-
ми и элементной базой, но имеют потенциальные возможности для соз-
дания полноценных 4D-объектов. Достоверной информации о созда-
нии и применении полноценных 4D-объектов на момент написания
пособия не найдено.
При этом отдельные разрабатываемые гибридные технологии связа-
ны между собой в реальном (объективном) времени сложными зависи-
мостями. Чтобы абстрагироваться от этих сложных зависимостей, пред-
лагается рассматривать изготовление ТЭУ по таким технологиям не в ре-
альном времени, а на условной шкале времени, состоящей из дискретных
участков реального времени не в хронологической последовательности.
При таком подходе назовем использование таких гибридных технологий
квази-4D-технологиями.
В дальнейшем с развитием данных технологий приставка «квази-»
перестанет быть актуальной.
Первым шагом при разработке квази-4D-объектов стала разработка
3D MID-технологий (Three Dimensional Molded Interconnect Devices).
В главе 3 произведен сравнительный анализ возможностей различных
3D MID-технологий формирования ТЭУ. Показано, что основным не-
достатком 3D MID-технологий является невозможность изготовления
полноценных квази-4D-деталей ТЭУ с использованием в качестве
функциональных элементов всех свободных граней, ребер и объема (или
всей толщины стенок). Приведены примеры внедрения 3D MID-техно-
логий в производство изделий радиоэлектроники.
В заключении представлены этапы и перспективы развития (так на-
зываемая дорожная карта) современных физических методов формиро-
вания ТЭУ до 2026 г.
Данный материал является блоком, который может использоваться
в курсах «Моделирование конструкций и технологических процессов
производства электронных средств», «Научные и организационные
проблемы конструирования и технологии РЭС», «Проектирование
и технология РЭС специального назначения», «Нанотехнология и нано-
материалы в производстве электронных средств», «Средства отображе-
ния информации», «Физико-химические основы нанотехнологии и тех-
нологии электронных средств» и «Интегральные устройства радиоэлек-
троники и наноэлектроники».
Введение
До недавнего времени электронное устройство состояло из печатного
узла (ПУ) — печатной платы (ПП) с установленными на ней чипами
пассивных и активных элементов и корпуса. Одним из способов умень-
шения габаритов печатных плат является замена части их дискретных
элементов и интегральных схем на ПЛИС (программируемые логиче-
ские интегральные схемы) и БМК (базовые матричные кристаллы).
В условиях мелкосерийного производства разработка специализирован-
ной элементной базы нецелесообразна. Еще одним способом миниатю-
ризации устройств является использование корпуса печатного узла
не только в качестве пассивного конструкционного несущего элемента,
но и в качестве объемной печатной платы (трехмерных электронных
устройств — ТЭУ). Первые неудачные попытки создать ТЭУ (наносить
токопроводящие дорожки непосредственно на внутренние поверхности
объемных пластиковых корпусов) относятся еще к 80-м гг. XX в.
И только с развитием новых принципов конструирования устройств
за счет создания их трехмерных компьютерных моделей, новых типов
устройств послойного создания физического объекта и новых материа-
лов стало возможно наладить воспроизводимый выпуск полноценных
ТЭУ.
Создание 3D-объектов в технике, машиностроении, электронике
и т.д. вне зависимости от типа конструкционного материала осущест-
вляется в основном при помощи четырех групп методов:
субтрактивные методы (subtractive) — методы удаления «лишнего»
объема из изначального объема заготовки, т.е. технологии удале-
ния (химическим травлением, фрезерованием, плазменным трав-
лением и т.д.) массива материала подложки;
формовочные методы — методы получения изделий по форме
предварительно изготовленной модели (штамповка, литье, ковка
и т.д.);
аддитивные методы (AF — Additive Fabrication), (AM — Additive
Manufacturing) или (RPM — Rapid Prototyping and Manufacturing)
технологии — методы последовательного узконаправленного «на-
ращивания» материала слой за слоем (наплавка, наклеивание,
спекание и т.д.);
полуаддитивные (semiadditive) (гибридные, многофункциональ-
ные и т.д.) — технологии аддитивного наращивания с последую-
щим удалением части нанесенного материала, например, метода-
ми токарной или фрезерной обработки, лазерной резки и т.д.
на станках с ЧПУ или методами химического (плазмохимическо-
го) травления, используя нанесенный материал в качестве маски.
Достаточно долгое время аддитивные технологии считались эконо-
мически нецелесообразными, так как стоимость механообработки де-
шевле порошкового синтеза в 3—10 раз [4]. Изначально АF-технологии,
которые часто называют технологиями быстрого прототипирования,
предназначались только для изготовления несерийных (опытных) моде-
лей. Но современное развитие общества требует от поставщиков-произ-
водителей (заводов, предприятий и т.п.) деталей все более и более слож-
ной формы при уменьшении их геометрических размеров. При этом
цена изготовления изделий механообработкой значительно увеличива-
ется, а решать задачи при помощи формовочных методов становится
крайне затруднительным (вплоть до невозможности изготовления)
или экономически нецелесообразным. При этом все большее значение
имеют:
коэффициент использования материала — BTF (Buy-To-Fly ratio),
т.е. отношение массы материала, необходимого для изготовления
деталей, к массе конечной детали. Для традиционных (субтрак-
тивных) механообрабатывающих технологий величина параметра
соответствует (15—20):1. Аддитивные технологии доводят этот по-
казатель до (1—5):1;
скорость изготовления детали. У аддитивных технологий скорость
«выращивания» детали может превышать скорость «удаления»
материалов до 2—4 раз;
необходимость изготовления объектов с высокой степенью вос-
производимости.
Все вышесказанное и породило настоящий бум развития различных
3D-технологий печати. Меньше чем за последние 10 лет стоимость изго-
товления 3D-объектов при помощи аддитивных технологий уменьши-
лась на 30—40% [4]. В настоящее время аддитивные технологии уже рас-
сматривают в качестве одной из стратегических технологий аэрокосми-
ческой и оборонной отраслей. Это стало возможным за счет очевидных
достоинств AF-технологий:
простота изготовления образцов за счет компьютерных техноло-
гий визуализации объектов и возможность быстрого исправления
ошибок перед запуском изделия в серию;
насыщение рынка доступными расходными материалами;
достаточно высокая точность изготовления объектов различных
форм и материалов.
плотность, например, металлических изделий, напечатанных
на 3D-принтере, оказывается на 50% выше плотности металличе-
ских изделий, получаемых литьем, и всего на 10—15% ниже плот-
ности, получаемой у металлов при прокате [4];
возможность корректировки отклонения размеров детали от за-
данных непосредственно в процесс печати при помощи системы
обратной связи — оптических датчиков и соответствующего про-
граммного обеспечения.
ГЛАВА 1
ПЕЧАТНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА
ДЛЯ КВАЗИ-3D-ТЭУ
В настоящее время в производстве ТЭУ различают несколько типов
сложных объемных объектов (см. табл. 1.1):
объемные фигуры (квази-3D-объекты), создаваемые из отдель-
ных 2D-модулей на базе жестких или гибких подложек [5, 6];
жесткие объемные (3D) фигуры [7, 8], создаваемые послойно при
помощи 3D-принтеров (или многофункциональных устройств)
и ex-situ технологий (дополнительных посттехнологий) обработки
поверхности;
жесткие объемные (3D) фигуры, получаемые традиционными
промышленными методами (литьем, штамповкой и т.д.) и ex-situ
технологиями обработки поверхности (3DMID) [9, 10].
Создание первых ТЭУ осуществлялось именно на базе нанесения по-
крытий различного вида (проводящих резистивных, полупроводнико-
вых или диэлектрических) на:
жесткие подложки (стеклотекстолит, гетинакс и т.д.) [11];
гибкие подложки (полиэтилентерефталат (PET), полиэтиленнаф-
талат (PEN), полиимид (PI), полипропилен (PP), полилактид
(PLA), бумагу, полиэтилен и т.д.) [12].
Это направление не потеряло своей актуальности и по настоящее
время. В большинстве случаев нанесение покрытий на гибкие и жесткие
подложки аналогично. Разница лишь в соединении гибкой и жесткой
платы в единый модуль (рис. 1.1) или в размещении гибкой печатной
платы внутри жесткого 3D-корпуса (рис. 1.2) [13].
С точки зрения типа переноса изображения все технологии 2D-печа-
ти (рис. 1.3) можно подразделить на следующие виды:
фиксированное печатное изображение переносится со специаль-
но изготовленной печатной формы (штампа, вала и т.д.) или осу-
ществляется через трафарет (маску) на подложку. При этом мак-
симальный размер изображения определяется, например, длиной
окружности цилиндра (трафаретная печать, глубокая печать
и т.д.), а качество изображения — современным уровнем техноло-
гии изготовления печатного элемента на печатной форме
(«computer-to-press»);
нефиксированное (динамическое) изображение переносится
на подложку с редактируемого источника и не требует изготовле-
ния постоянной фиксированной печатной формы. Максималь-
ное разрешение для черно-белой или цветной печати измеряется
в dpi (струйная печать, лазерная абляция, матричная и т.д.)
(«computer-to-print»);
гибридная технология — сочетание фиксированной и нефиксиро-
ванной печати. Например, трафаретная печать для создания тол-
стых покрытий и струйная для создания тонких покрытий с высо-
кой точностью.
1.1. Технологии фиксированной печати
1.1.1. Трафаретная печать (screen printing)
Аддитивная технология нанесения рисунка в трафаретной печати состо-
ит в продавливании пасты через трафарет с использованием ракеля.
В настоящее время существуют две технологии трафаретной печати —
плоскопечатная (FSP — Flat Screen Printing) и ротационная (RSP —
Rotary Screen Printing) [14]. Они различаются формой и расположением
трафарета (рис. 1.4 и 1.5).
В плоскопечатных установках (рис. 1.4) материал покрытия (4) про-
давливается ракелем (5) на подложку (6), закрепленную на основа-
нии (3), через ячейки трафарета (1), располагаемого между ракелем
и подложкой. Производительность этих установок невысока в связи
с предварительным приготовлением (раскроем) плоских заготовок и пе-
риодической подачей их в камеру нанесения.
Для повышения производительности используется полая ротацион-
ная установка печати (рис. 1.5), в которой печатный вал с трафаретом (4)
представляет собой полый цилиндр с ячейками. Внутри этого полого
цилиндра помещается ракель (3), переносящий краску (3) на подлож-
ку (1), продавливая ее через ячейки вращающегося печатного цилиндра.
Трафаретная краска закачивается непрерывно в трафаретную форму
нагнетающим насосом.
Для получения качественного отпечатка с четким краем рисунка за-
данной толщины элементов ТЭУ необходимо осуществлять контроль
следующих технологических параметров:
1) вязкости паст. Пасты должны обладать тиксотропностью (способ-
ностью под действием механического давления увеличивать теку-
честь (уменьшать вязкость) и затем после прекращения давления
снова загустевать). Чем больше вязкость, тем толще пленка;
2) параметры ракеля:
угол встречи (атаки) с поверхностью подложки (выбирается
от 4° до 60° — чем меньше угол встречи, тем больше давление
и толщина пленки);
твердость материала ракеля (величина его прогиба). Большой
прогиб уменьшает угол атаки, увеличивая расход пасты;
давление ракеля на трафарет (повышение давления увеличива-
ет толщину слоя пасты);
скорость перемещения ракеля (чем выше скорость перемеще-
ния, тем меньше толщина наносимой пленки);
3) параметры трафарета:
размеры ячеек (для получения толстых пленок однородной
толщины необходимо применять крупную сетку, а для точного
воспроизведения — более мелкую сетку или регулировать на-
тяжение одной сетки);
зазор между трафаретом и подложкой. Увеличение зазора при-
водит к увеличению толщины слоя;
4) режимы термообработки:
сушка (для удаления легколетучих компонентов). Так как сразу
наносится слой значительной толщины, то требуется опреде-
ленное время сушки;
обжиг (например, для удаления органических связующих ком-
понентов или спекания компонентов). При производстве тол-
стопленочных электронных схем сначала вжигается рисунок
проводников при температуре 850 °С, далее диэлектриков при
Т = 750 °С, а затем и резисторов при Т = 700 °С;