ТЕХНОЛОГИЯ 3D-ПЕЧАТИ МНОГОСЛОЙНЫХ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ С ПРИМЕНЕНИЕМ LTCC- И HTCC-СОСТАВОВ Российский патент 2025 года по МПК H05K3/46 B33Y10/00 

Изобретение относится к области аддитивных технологий, а именно к способу производства многослойных печатных плат на основе керамики совместного обжига методами 3D-печати. Технология включает стадии синтеза сырья в соответствии с требованиями метода аддитивного производства, формования изделия путем 3D-печати, а также обжиг с целью получения функционального компонента.

Из уровня техники [патент WO 2023027992 A1, опубл. 02.03.2023] известен способ изготовления электропроводящих устройств, таких как печатные платы, посредством применения 3D-печати. Способ представляет собой изготовление электропроводящего устройства, включающее: 3D-печать керамического материала с целью создания керамической подложки, причем строение керамической подложки включает наличие пустот и заполнение электропроводящим материалом пустот.

Однако указанный способ имеет следующие недостатки:

- отсутствует описание применяемой технологии 3D-печати.

Из уровня техники [патент CN 115003045 A, опубл. 08.09.2023] известен способ изготовления электронных схем на основе керамики, в частности, относится к методу 3D-печати с использованием струйного осаждения материала. Однако указанный способ имеет следующие недостатки:

- наличие многоступенчатого процесса производства без возможности повышения его эффективности,

- технология не исключает наличия стадий фототравления и травления.

Из уровня техники [патент CN 116583012 A), опубл. 11.08.2023] известен метод получения электронных компонентов, в частности многослойной керамической подложки на основе керамики совместного обжига, включающий следующие этапы: обработка керамического материала, смешивание органических и неорганических компонентов в определенной пропорции, формирование сквозных отверстий с использованием технологии лазерного сверления, нанесение рисунков и полостей на каждом слое неспеченной керамической подложки, печать и сушка проводниковой пасты, заполнение сквозных отверстий проводящей пастой, совмещение слоев путем горячего прессования, удаление органического связующего и спекание. Однако указанное изобретение имеет следующие недостатки:

- наличие многоступенчатого процесса производства без возможности повышения его эффективности,

- высокая температура совместного спекания проводящих и диэлектрических слоев (1700°C),

- нестабильность проводящего материала, в качестве которого используется W, обладающий способностью быстро окисляться на воздухе.

Задачей настоящего изобретения является получение многослойных печатных плат, изготовленных из низкотемпературной (LTCC) или высокотемпературной (HTCC) керамики совместного обжига при помощи 3D-печати.

Технический результат, достигаемый настоящим изобретением, заключается в реализации более эффективного и недорогого производство керамических плат с сохранением свойств керамики, таких как высокое изоляционное сопротивление, диэлектрическая прочность, высокая надежность, способность выдерживать нагрузки в СВЧ-диапазоне при низких диэлектрических потерях.

Указанный технический результат достигается тем, что в качестве технологии производства многослойных печатных плат на основе керамики совместного обжига методами трехмерной печати, используется способ, включающий:

- изготовление композиционного материала, представляющего собой полимерно-керамический состав для 3D-печати по реализуемой технологии;

- подачу материала в 3D-принтер;

- формирование изделия по запрограммированной траектории путем применения различных технологий 3D-печати, подобранных исходя из характеристик изготовленного полимерно-керамического сырья;

- заполнение определенных участков слоев электропроводящим материалом;

- совместный обжиг изделия в соответствии с температурными режимами, характерными для используемого керамического материала.

Предложенный в настоящем изобретении композиционный материал представляет собой полимерно-керамический состав для 3D-печати, изготовление которого осуществляется при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Полимерное связующее 20-40 Керамический наполнитель 60-80

В некоторых предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения в качестве керамического наполнителя используется HTCC-состав, в содержание которого входит алюмооксидная керамика (корунд) с размером частиц от 1 до 2 мкм и плотностью 3,8 г/см³.

В некоторых предпочтительных вариантах в качестве керамического наполнителя используется LTCC-состав, состоящий из частиц алюмооксидной керамики (корунд) с размером частиц от 1 до 2 мкм и плотностью 3,8 г/см³, а также из стеклофазы в виде бессвинцового барий-боросиликатного стекла с размером частиц 3-5 мкм.

В одном из предпочтительных вариантов в качестве полимерно-керамического состава, используемого для изготовления композиционного материала для технологии 3D-печати, применяется суспензия на основе смеси акрилатных смол варьируемого химического состава, как минимум одного активного разбавителя для снижения вязкости смеси, фотоинициатора для отверждения фотополимерной смолы и порошкового наполнителя на основе LTCC- или HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

В одном из предпочтительных вариантов в качестве полимерно-керамического состава, используемого для изготовления композиционного материала для технологии 3D-печати, применяются чернила на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одного разбавителя для снижения вязкости смеси и порошкового наполнителя на основе LTCC- или HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

В одном из предпочтительных вариантов в качестве полимерно-керамического состава, используемого для изготовления композиционного материала для технологии 3D-печати, применяется филамент на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одной модифицирующей добавки для обеспечения возможности формования нити путем экструдирования и порошкового наполнителя на основе LTCC- или HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

В предпочтительном варианте, где полимерно-керамическим составом, используемым для изготовления композиционного материала, является суспензия в качестве метода формирования изделия путем 3D-печати может использоваться DLP-технология.

В предпочтительном варианте, где полимерно-керамическим составом, используемым для изготовления композиционного материала, являются чернила в качестве метода формирования изделия путем 3D-печати может использоваться DIW-технология.

В предпочтительном варианте, где полимерно-керамическим составом, используемым для изготовления композиционного материала, является филамент в качестве метода формирования изделия путем 3D-печати может использоваться FDM-технология.

Также технический результат достигается тем, что в электропроводящего материала выступает серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

Также технический результат достигается тем, что способ включает стадию термической обработки изделия, в ходе которой производится удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала LTCC- или HTCC-состава.

Реализация предложенного способа производства многослойных печатных плат методами 3D-печати иллюстрируется следующими практическими примерами.

Пример 1. Изготовили полимерно-керамическую суспензию на основе смеси акрилатных смол варьируемого химического состава, как минимум одного активного разбавителя для снижения вязкости смеси, фотоинициатора для отверждения фотополимерной смолы и порошкового наполнителя на основе HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

Полученная суспензия подвергалась процессу 3D-печати при помощи принтера, работающего по технологии DLP, согласно заранее подготовленной модели подложки печатной платы с учетом рисунка для нанесения слоев проводящего материала.

После печати слоя керамической подложки на нее наносилась проводящая паста согласно структурам схемы печатной платы. В качестве электропроводящего материала выступала серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

Окончательным этапом технологии являлась термическая обработка изделия, в ходе которой производилось удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала. Для HTCC-состава температура спекания составляла диапазон от 1600°С до 1700°С со временем выдержки 3-4 часа.

Пример 2. Изготовили полимерно-керамическую суспензию на основе смеси акрилатных смол варьируемого химического состава, как минимум одного активного разбавителя для снижения вязкости смеси, фотоинициатора для отверждения фотополимерной смолы и порошкового наполнителя на основе LTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

Полученная суспензия подвергалась процессу 3D-печати при помощи принтера, работающего по технологии DLP, согласно заранее подготовленной модели подложки печатной платы с учетом рисунка для нанесения слоев проводящего материала.

После печати слоя керамической подложки на нее наносилась проводящая паста согласно структурам схемы печатной платы. В качестве электропроводящего материала выступала серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

Окончательным этапом технологии являлась термическая обработка изделия, в ходе которой производилось удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала. Для LTCC-состава температура спекания составляла диапазон от 800°С до 900°С со временем выдержки 3-4 часа.

Пример 3. Изготовили полимерно-керамические чернила на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одного разбавителя для снижения вязкости смеси и порошкового наполнителя на основе HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

Полученные чернила подвергались процессу 3D-печати при помощи принтера, работающего по технологии DIW, согласно заранее подготовленной модели подложки печатной платы с учетом рисунка для нанесения слоев проводящего материала.

После печати слоя керамической подложки на нее наносилась проводящая паста согласно структурам схемы печатной платы. В качестве электропроводящего материала выступала серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

Окончательным этапом технологии являлась термическая обработка изделия, в ходе которого производилось удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала. Для HTCC-состава температура спекания составляла диапазон от 1600°С до 1700°С со временем выдержки 3-4 часа.

Пример 4. Изготовили полимерно-керамические чернила на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одного разбавителя для снижения вязкости смеси и порошкового наполнителя на основе LTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

Полученные чернила подвергались процессу 3D-печати при помощи принтера, работающего по технологии DIW, согласно заранее подготовленной модели подложки печатной платы с учетом рисунка для нанесения слоев проводящего материала.

После печати слоя керамической подложки на нее наносилась проводящая паста согласно структурам схемы печатной платы. В качестве электропроводящего материала выступала серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

Окончательным этапом технологии являлась термическая обработка изделия, в ходе которого производилось удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала. Для LTCC-состава температура спекания составляла диапазон от 800°С до 900°С со временем выдержки 3-4 часа.

Пример 5. Изготовили полимерно-керамический филамент на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одной модифицирующей добавки для обеспечения возможности формования нити путем экструдирования и порошкового наполнителя на основе HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

Полученный филамент подвергался процессу 3D-печати при помощи принтера, работающего по технологии FDM, согласно заранее подготовленной модели подложки печатной платы с учетом рисунка для нанесения слоев проводящего материала.

После печати слоя керамической подложки на нее наносилась проводящая паста согласно структурам схемы печатной платы. В качестве электропроводящего материала выступала серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

Окончательным этапом технологии являлась термическая обработка изделия, в ходе которого производилось удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала. Для HTCC-состава температура спекания составляла диапазон от 1600°С до 1700°С со временем выдержки 3-4 часа.

Пример 6. Изготовили полимерно-керамический филамент на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одной модифицирующей добавки для обеспечения возможности формования нити путем экструдирования и порошкового наполнителя на основе LTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

Полученный филамент подвергался процессу 3D-печати при помощи принтера, работающего по технологии FDM, согласно заранее подготовленной модели подложки печатной платы с учетом рисунка для нанесения слоев проводящего материала.

После печати слоя керамической подложки на нее наносилась проводящая паста согласно структурам схемы печатной платы. В качестве электропроводящего материала выступала серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

Окончательным этапом технологии являлась термическая обработка изделия, в ходе которого производилось удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала. Для LTCC-состава температура спекания составляла диапазон от 800°С до 900°С со временем выдержки 3-4 часа.

Экспериментальные исследования предложенных в настоящем изобретении способов изготовления многослойных печатных плат по различным технологиям 3D-печати с применением LTCC- или HTCC-составов показали их высокую эффективность.

Технологические способы, описанные в примерах 1-4, при своем использовании обеспечили успешную 3D-печать керамических подложек на основе совместно спекаемой керамики низкотемпературного (LTCC) и высокотемпературного (HTCC) обжига, обеспечили повышение эффективности и экономичности производственного процесса, обеспечили сохранение свойств керамики, что позволило придать изделию высокое изоляционное сопротивление, диэлектрическую прочность, высокую надежность и способность выдерживать нагрузки в СВЧ-диапазоне при низких диэлектрических потерях.

Изобретение относится к области аддитивных технологий, а именно к способу производства многослойных печатных плат на основе керамики совместного обжига методами 3D-печати. Технология включает стадии синтеза сырья в соответствии с требованиями метода аддитивного производства, формования изделия путем 3D-печати, а также обжиг с целью получения функционального компонента. Изобретение обеспечивает получение многослойных печатных плат, изготовленных из низкотемпературной (LTCC) или высокотемпературной (HTCC) керамики совместного обжига при помощи 3D-печати, что позволяет реализовать более эффективное и недорогое производство керамических плат с сохранением свойств керамики, таких как высокое изоляционное сопротивление, диэлектрическая прочность, высокая надежность, способность выдерживать нагрузки в СВЧ-диапазоне при низких диэлектрических потерях. 11 з.п. ф-лы, 6 пр.

1. Способ производства многослойных печатных плат на основе керамики совместного обжига методами трехмерной печати, включающий:

- изготовление композиционного материала, представляющего собой полимерно-керамический состав для 3D-печати и включающего 20-40 мас.ч. полимерного связующего и 60-80 мас.ч. керамического наполнителя;

- подачу материала в 3D-принтер;

- формирование изделия по запрограммированной траектории путем применения различных технологий 3D-печати, подобранных исходя из характеристик изготовленного полимерно-керамического сырья;

- заполнение определенных участков слоев электропроводящим материалом;

- совместный обжиг изделия в соответствии с температурными режимами, характерными для используемого керамического материала.

2. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве керамического наполнителя используется HTCC-состав, полностью состоящий из частиц алюмооксидной керамики (корунд) с размером частиц от 1 до 2 мкм и плотностью 3,8 г/см³.

3. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве керамического наполнителя используется LTCC-состав, состоящий из частиц алюмооксидной керамики (корунд) с размером частиц от 1 до 2 мкм и плотностью 3,8 г/см³, а также из стеклофазы в виде бессвинцового барий-боросиликатного стекла с размером частиц 3-5 мкм.

4. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полимерно-керамического состава применяется суспензия на основе смеси акрилатных смол варьируемого химического состава, как минимум одного активного разбавителя для снижения вязкости смеси, фотоинициатора для отверждения фотополимерной смолы и порошкового наполнителя на основе LTCC- или HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

5. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полимерно-керамического состава применяются чернила на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одного разбавителя для снижения вязкости смеси и порошкового наполнителя на основе LTCC- или HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

6. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве полимерно-керамического состава применяется филамент на основе смеси полимерного связующего варьируемого химического состава, как минимум одной модифицирующей добавки для обеспечения возможности формования нити путем экструдирования и порошкового наполнителя на основе LTCC- или HTCC-состава как основного компонента с диспергирующим агентом, необходимым для получения изотропного распределения свойств получаемого объекта.

7. Способ по п. 4, характеризующийся тем, что в качестве метода формирования изделия путем 3D-печати может использоваться DLP-технология.

8. Способ по п. 5, характеризующийся тем, что в качестве метода формирования изделия путем 3D-печати используется DIW-технология.

9. Способ по п. 6, характеризующийся тем, что в качестве метода формирования изделия путем 3D-печати используется FDM-технология.

10. Способ по п. 1, характеризующийся тем, что в качестве электропроводящего материала может выступать серебряная паста, подходящая для заполнения структур проводящего рисунка.

11. Способ по п. 2, характеризующийся тем, что в качестве температуры спекания при термической обработке изделия, в ходе которой производится удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала HTCC-состава, установлен диапазон от 1600°С до 1700°С с временем выдержки 3-4 часа.

12. Способ по п. 3, характеризующийся тем, что в качестве температуры спекания при термической обработке изделия, в ходе которой производится удаление полимерного связующего и спекание частиц керамического материала LTCC-состава, установлен диапазон от 800°С до 900°С с временем выдержки 3-4 часа.