Спосіб металізації керамічних плат

Спосіб металізації керамічних плат, що полягає у нанесенні на поверхні плат товстоплівкового провідникового шару трафаретним друкуванням провідниковою пастою, що містить дрібнодисперсний порошок металу і органічну зв'язку, з подальшою високотемпературною обробкою надрукованих відбитків провідникової пасти, паладієвій активації відпаленого товстоплівкового провідникового шару і хімічному нікелюванні активованого товстоплівкового провідникового шару в водному розчині, що містить хлористий нікель і гіпофосфіт натрію, який відрізняється тим, що при нанесенні товстоплівкового провідникового шару використовують провідникову пасту, яка містить як дрібнодисперсний порошок металу дрібнодисперсний порошок срібла та додатково містить дрібнодисперсний порошок боросилікатного скла, дрібнодисперсний порошок ситалоцементу при наступному співвідношенні всіх компонентів (мас. %): дрібнодисперсний порошок срібла 58,5-72,5 дрібнодисперсний порошок боросилікатного скла 1,5-3,5 дрібнодисперсний порошок ситалоцементу 1,0-3,0 U 2 UA 1 3 паст на основі дрібнодисперсних порошків молібдену і вольфраму, високотемпературній обробці цих паст в середовищі водню при температурі 1000-1200°С і подальшому нікелюванні відпаленого товстоплівкового покриття (Научно-производственное объединение «Карат». Керамические материалы и изделия. Львов. Редакционно-издательский отдел облполиграфиздата, 1990г.). Недоліком відомого способу є висока складність процесу виготовлення металізації. Це проявляється в тому, що високотемпературну обробку провідникових молібденових і вольфрамових паст проводять в спеціальній водневій атмосфері, що вимагає додаткового спеціального технологічного обладнання. Крім того, недоліком даного способу є надмірно висока температура обробки, що призводить до значних витрат електроенергії і цим самим підвищує собівартість виготовлення металізації. Найбільш близьким за технічною суттю до рішення, що заявляється, є відомий спосіб виготовлення на керамічних платах товстоплівкової металізації з нікелевим покриттям, що полягає в тому, що товстоплівковий шар металізації наносять шляхом трафаретного друкування на керамічних платах провідникової пасти на основі суміші дрібнодисперсних порошків молібдену і марганцю з наступною високотемпературною обробкою цієї пасти в азотно-водневому середовищі при температурі (1100-1200)°С, повторного трафаретного друкування такої ж провідникової пасти поверху відпаленого шару з подальшою повторною високотемпературною обробкою в азотноводневому середовищі при температурі (10001150)°С, далі виконують паладієву активацію відпаленого основного молібден-марганцевого шару металізації шляхом витримки плат з товстоплівковим шаром металізації в розчині хлористого паладію концентрації 1 г/л при температурі 20°С протягом (30-60)сек., після чого проводять хімічне нікелювання активованого шару металізації витримкою в водному розчині, що містить хлористий нікель і гіпофосфіт натрію при температурі 85°С протягом 2-3 хв. при наступному складі всіх інгредієнтів розчину (г/л): - хлористий нікель - 30; - гіпофосфіт натрію - 10; - лимоннокислий натрій - 60; - хлористий амоній - 50. (ХряпинВ.Е. Справочник паяльщика. - 5-е изд. Перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1981, стр. 292 - 295). Недоліками відомого способу є: - недостатні технологічні можливості монтажу навісних елементів, оскільки цей спосіб за прототипом унеможливлює вибіркову обробку поверхні металізації через те, що після занурення плат в активуючий розчин хлористого паладію вся поверхня товстоплівкового шару буде активована, а після занурення в розчин для нікелювання вся поверхня активованого товстоплівкового шару буде нікельована. Як наслідок, після занурення плат (із повністю нікельованим шаром металізації) 51817 4 в розплавлений припій вся поверхня металізації буде покрита суцільним покриттям припою, ділянок металізації без покриття припоєм не буде, а значить не буде можливості проводити монтаж навісних елементів методами ультразвукової зварки чи термокомпресії); - висока собівартість виготовлення металізації внаслідок того, що високотемпературна обробка молібден-марганцевої пасти проводиться у відновлювальній азотно-водневій атмосфері, для створення якої використовується досить складне спеціальне технологічне обладнання, що продукує дану атмосферу. Крім того, висока собівартість обумовлюється і високими енерговитратами високотемпературної термообробки молібденмарганцевої пасти через використання надмірновисоких температур (порядку 1000-1200°С); низька електропровідність молібденмарганцевої металізації, оскільки питомий електричний опір молібдену втричі перевищує питомий електричний опір срібла, тому опір квадрату плівки молібден-марганцевої металізації перевищує 0,05 Ом. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалення способу металізації керамічних плат шляхом зміни процесу металізації, що, за рахунок селективного трафаретного друкування каталітичної пасти на окремі вибрані ділянки товстоплівкового шару металізації, забезпечує розширення технологічних можливостей металізації до монтажу навісних елементів (ультразвукова зварка і термокомпресія), крім цього за рахунок зниження температури обробки, забезпечується спрощення технології, зменшення енерговитрат, що значно здешевлює спосіб металізації та вартість виготовленої металізованої керамічної плати. Поставлена задача вирішується тим, що у способі металізації керамічних плат, який полягає у нанесенні на поверхні керамічних плат товстоплівкового провідникового шару трафаретним друкуванням провідниковою пастою, що містить дрібнодисперсний порошок металу і органічну зв'язку з подальшою високотемпературною обробкою надрукованих відбитків провідникової пасти, паладієвій активації товстоплівкового провідникового шару і хімічному нікелюванні активованого товстоплівкового провідникового шару у водному розчині, що містить хлористий нікель і гіпофосфіт натрію, згідно до корисної моделі, при нанесенні товстоплівкового провідникового шару використовують провідникову пасту, яка містить в якості дрібнодисперсного порошку металу дрібнодисперсний порошок срібла та додатково містить дрібнодисперсний порошок боросилікатного скла, дрібнодисперсний порошок ситалоцементу при наступному співвідношенні всіх компонентів, (мас.%): дрібнодисперсний порошок срібла - 58,5-72,5 дрібнодисперсний порошок боросилікатного скла - 1,5-3,5 дрібнодисперсний порошок ситалоцементу 1,0-3,0 органічна зв'язка - 29,0-35,0, 5 високотемпературну обробку цього шару провідникової пасти, проводять на повітрі при температурі (820 - 925) °С; паладієву активацію відпаленого товстоплівкового шару виконують селективно трафаретним друкуванням на вибраних ділянках каталітичною пастою, яка містить дрібнодисперсний порошок паладію, сополімер поліметакрилату бутилу і поліметакрилату метилу L-50 HEKOL®, адипінову кислоту, аеросил і органічну зв'язку при наступному співвідношенні всіх компонентів, (мас. %): дрібнодисперсний порошок паладію - 1,0-2,2 сополімер поліметакрилату бутилу і поліметакрилату метилу L50HEKOL® - 14,2-17,5 адипінова кислота - 10,8-18,8 аеросил - 0,2-0,8 органічна зв'язка - 60,7-73,8, після чого високотемпературну обробку відбитків каталітичної пасти проводять на повітрі при температурі (400 - 420) °С; хімічне нікелювання активованих ділянок товстоплівкового провідникового шару проводять у водному розчині, який додатково містить хлористий кобальт, адипінову кислоту, фтористий натрій та гідрат окису натрію при наступному співвідношенні всіх компонентів, (г/л): хлористий нікель 14,0-24,0 гіпофосфіт натрію 1,3-3,3 хлористий кобальт 1,8-5,5 адипінова кислота 3,0-7,5 фтористий натрій 3,5-8,0 гідрат окису натрію 0,07-0,22 Виготовлення товстоплівкового провідникового шару трафаретним друкуванням провідникової пасти, яка містить в якості дрібнодисперсного порошку металу дрібнодисперсний порошок срібла та додатково містить дрібнодисперсний порошок боросилікатного скла, дрібнодисперсний порошок ситалоцементу на високотемпературній обробці надрукованого шару провідникової пасти на повітрі при температурі (820-925)°С забезпечує здешевлення способу виготовлення і підвищення електропровідності металізації. Виконання селективної паладієвої активації вибраних ділянок відпаленого товстоплівкового шару трафаретним друкуванням каталітичної пасти, яка містить дрібнодисперсний порошок паладію, сополімер поліметакрилату бутилу і поліметакрилату метилу L-50 HEKOL® адипінову кислоту, аеросил і органічну зв'язку з подальшою високотемпературною обробкою відбитків каталітичної пасти на повітрі при температурі (400420)°С забезпечує розширення технологічних можливостей монтажу навісних елементів, а саме: забезпечує можливість монтажу методами пайки (активованих і в подальшому нікельованих ділянок), ультразвукової зварки і термокомпресії (неактивованих і по цій причині в подальшому не нікельованих ділянок) товстоплівкового шару металізації. 51817 6 Додаткове введення хлористого кобальту, адипінової кислоти, фтористого натрію, гідрату окису натрію в склад водного розчину хімічного нікелювання, що містить хлористий нікель і гіпофосфіт натрію забезпечує можливість селективного нікелювання селективно активованих ділянок товстоплівкового провідникового шару і унеможливлює нікелювання неактивованих ділянок. Здійснення хімічного нікелювання селиктивно активованих ділянок товстоплівкового провідникового шару у водному розчині, який додатково містить хлористий кобальт, адипінову кислоту, фтористий натрій та гідрат окису натрію забезпечує оптимальне покриття шаром нікелю селективно активованих вибраних ділянок товстоплівкового провідникового шару і відсутність нікелевого шару на неактивованих ділянках провідникового шару, що в подальшому при пайці методом занурення нікельовані ділянки будуть покриті припоєм, а не нікельовані - будуть без шару припою, що дасть можливість проводити на них монтаж навісних елементів методом ультразвукової зварки або термокомпресії Спосіб металізації керамічних плат пояснюється конкретними прикладами його виконання. На поверхню плат № 1, 2, 3, 4, 5 із алюмооксидної кераміки (в кількості 5 шт. для кожного прикладу) розмірами 60x48x0,63 мм на установці трафаретного друку через сітчастий трафарет з розміром комірки 40x40 мкм були надруковані відбитки у вигляді квадратів 2x2 мм (по 4 квадрати на кожній платі і змієподібну провідникову доріжку довжиною 75 мм і шириною 0,5 мм) провідниковою пастою, склад якої наведено в таблиці. Надруковані відбитки провідникової пасти на керамічних платах були піддані високотемпературній обробці в конвеєрній електропечі BTU (Англія) в середовищі повітря. Характеристики режиму термообробки вказані в таблиці. В результаті термообробки на всіх п'яти керамічних платах були отримані електропровідні елементи товстоплівкового шару металізації, топологія яких відповідала топології відбитків провідникової пасти. Функціональним матеріалом товстоплівкового шару було срібло, що забезпечило високу електропровідність металізації. Поверху відпаленого товстоплівкового шару через трафарет, який мав лише два квадратні отвори розміром 2x2 мм, були надруковані відбитки каталітичною пастою, склад якої наведений в таблиці. Топологія відбитків каталітичної пасти відповідала топологи використаного трафарету, таким чином на двох квадратах кожної плати були надруковані каталітичною пастою відбитки у вигляді квадратів 2x2 мм На інші товстоплівкові елементи всіх керамічних плат (два квадрати і електропровідна доріжка) каталітична паста не друкувалась. Відбитки каталітичної пасти, надруковані поверху товстоплівкових електропровідних елементів на всіх керамічних платах були піддані 7 51817 високотемпературній обробці в конвеєрній електропечі BTU (Англія) в середовищі повітря. Характеристики режиму термообробки вказані в таблиці. В результаті було активовано по два квадрати кожної керамічної плати, тоді як інших два квадрати і електропровідна доріжка (на які не була надрукована каталітична паста) залишились неактивованими. Керамічні плати з селективно 8 активованим шаром металізації були вміщені в ванну з водним розчином для хімічного нікелювання, склад якого наведений в таблиці. Час витримки плат у ванні, температура витримки, а також електрофізичні характеристики товстоплівкових елементів після хімічного нікелювання вказані в таблиці. Таблиця Приклади конкретного виконання Характеристики виготовлення товстоплівкового шару № Склад провідникової п. пасти, мас.% п. ТП,°С Ag все сц ОЗ Пропонований метод Характеристики селективної Характеристики хімічного паладієвої активації нікелювання Склад каталітичної пасти, Концентрації компонентів мас.% розчину, г/л ТК.,°С Pd СП АК Ае ОЗ ХН ГН ХК АК ФН ГОН 1 2 3 1,0 2,2 1,8 58,5 3,5 72,5 1,5 67,5 2,0 3,0 1,0 1,5 35,0 25,0 29,0 925 820 860 Характеристики виготовлення товстоплівкового шару Склад провідникової ТП, С пасти, мас. % Мо 4 5 Мn 50 50 20 20 ____ ОС 30 30 14,2 17,5 16,4 10,8 18,8 15,6 0,2 0,8 0,4 73,8 60,7 65,8 500 24,0 3,3 5,5 3,0 3,5 0,07 420 14,0 1,3 1,8 7,5 8,0 0,22 475 18,0 2,4 3,0 5,0 6,0 0,12 Метод згідно прототипу Характеристики паладієвої активації Характеристика розчину для хімічного нікелювання Концентрації компонентів розчину, г/л Основа розчину C, г/л Трну°С Tвитр. хв. PdCl2 PdCl2 1,0 1,0 20 20 30 60 ХН 1. Умовні позначення: ТП - максимальна температура термообробки провідникової пасти; ТК - максимальна температура термообробки каталітичної пасти; R0 - питомий плівковий опір товстоплівкової доріжки; ВСС - боросилікатне скло; СЦ - ситалоцемент; ОЗ - органічна зв'язка; СП - сополімер поліметакрилату бутилу і поліметакрилату метилу L-50 торгової марки HEKOL®; АК - адипінова кислота; Ас - аеросил; ХН - хлористий нікель; ГН - гіпофосфіт натрію; ХК хлористий кобальт; ФН - фтористий натрій; ГОН гідрат окису натрію; ЛН -лимоннокислий натрій; ХА - хлористий амоній; С - концентрація; Тр-ну температура розчину; tвитр - час витримки. 2. Для всіх прикладів хімічне нікелювання проводилось при температурі розчину 85 °С 3. Для прикладів 1-3 час витримки плат у розчині при хімічному нікелювання становив 50 хвилин; для прикладів 4 і 5 цей час становив 3 хв. 4. Приклад 3 відповідає оптимальним характеристикам пропонованого способу, що заявляється. В результаті конкретного виконання дій, які відповідають пропонованому способу металізації керамічних плат, а також в порівнянні зі способом металізації згідно до прототипу отримано наступні результати Забезпечено можливість селективної паладієвої активації і селективного нікелювання вибраних ділянок товстоплівкового провідникового шару, а саме: двох квадратів, поверху яких було надруковано і відпалено каталітичну пасту. В подальшому саме ці два квадрати були покриті шаром хімічного нікелю при витримці плат у ГН ЛН ХА 30 зо 10 10 60 60 50 50 Властивості металізації і характеристики методу Селективна активація і селективне нікелювання Термообробка на повітрі виконується виконується виконується виконується виконується виконується Необхідність використання температур термообробки вище 1000,°С відсутня відсутня відсутня R0, OM 0,035 0,027 0,023 Властивості металізації і характеристики методу Селективна активація і селективне нікелювання Термообробка на повітрі неможлива неможлива неможлива неможлива Необхідність використання температур R0,Ом термообробки вище 1000,°С необхідна 0,087 необхідна 0,073 розчині для хімічного нікелювання. Інші два квадрати, а також провідникова доріжка (поверху яких не було надруковано каталітичну пасту) при витримці керамічних плат у розчині для хімічного нікелювання не покривались шаром хімічного нікелю. Даний факт був встановлений шляхом огляду поверхні плат під мікроскопом МБС-10 при 16-ти кратному збільшенні. В подальшому при зануренні металізованих керамічних плат в розплавлений припій ПСрОС квадрати, попередньо покриті шаром хімічного нікелю, покривались шаром припою, в той час як квадрати без нікелевого покриття шаром припою не покривались. Це дало можливість приєднувати до квадратів без покриття припоєм виводи навісних елементів методами ультразвукової зварки і термокомпресії, що розширило технологічні можливості монтажу навісних елементів. Забезпечено можливість виготовлення товстоплівкового електропровідного шару металізації трафаретним друкуванням провідникової пасти на основі срібла з наступним її відпалом в середовищі повітря при значно нижчих температурах термообробки (менше 1000°С). Цим самим досягнуто здешевлення як виконання процесу металізації, так і металізованих керамічних плат. Через те, що в склад провідникової пасти було введено дрібнодисперсний порошок срібла, досягнуто суттєве зниження питомого плівкового опору провідникової плівки металізації, що покращило електропровідні властивості металізованих плат. 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 51817 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601