Паста для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат

Паста для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат, що містить дрібнодисперсний порошок склокристалічного титано-барієвого матеріалу із вмістом двоокису титану, окису барію, двоокису кремнію, 2 (13) 1 3 неосвічених ділянок відбитків відмивкою струменем органічного розчинника. Як наслідок, при використанні відомої пасти суттєво збільшується час виготовлення товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів, що призводить до зниження продуктивності виготовлення багаторівневих комутаційних плат. Найбільш близьким аналогом до технічного рішення, що заявляється, є відома діелектрична паста для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат, яка містить дрібнодисперсний порошок титанобарієвого склокристалічного матеріалу, взятого в якості наповнювача, дрібнодисперсний порошок щонайменше одного окислу перехідного металу з групи: закис міді, окис міді, окис заліза, окис вісмуту, окис кобальту, окис сурми, окис талію, окис марганцю, двоокис титану, в кількості від 1мас.% до 15мас.% і органічну зв'язку із вмістом терпінеолу, етилцелюлози і акрилової смоли (патент США №5990028 М. кл. С04В35/468, Н05К1/16, Н01В3/12, опублікований 23.01.1999р.). Недоліком відомої пасти є неможливість отримання товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів з низькими значеннями діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат. Основними причинами вказаного недоліку є наявність в складі пасти дрібнодисперсних порошків окислів перехідних металів (таких як закис міді, окис міді, окис заліза, окис вісмуту, окис кобальту, окис сурми, окис талію, окис марганцю чи двоокис титану) в якості дрібнодисперсних порошків кристалічних наповнювачів, введення яких до складу пасти обумовлено необхідністю отримання заданих діелектричних властивостей товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів. Однак вказані окисли перехідних металів характеризуються високими значеннями відносної діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат. Тому присутність дрібнодисперсних порошків вказаних окислів перехідних металів у складі відомої пасти призводить до отримання високих значень відносної діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів. Товстоплівкові діелектричні ізоляційні шари із високими значеннями відносної діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат мають обмежене застосування, зокрема, їх неможливо використовувати для виготовлення багаторівневих комутаційних плат для вузлів радіотехнічних пристроїв, що працюють в діапазонах високих і надвисоких радіочастот. Наступний недолік відомої пасти обумовлений тим, що до складу даної пасти входить органічна зв'язка на основі терпінеолу, етилцелюлози і акрилової смоли, в якості розчинника якої є тільки одна речовина - терпінеол. Це приводить до різкого зростання інтенсивності випаровування єдиної леткої компоненти (терпінеолу) органічної зв'язки в процесі низькотемпературної термообробки (сушки) пасти при досягненні певного значення температури термообробки - 120°С. Внаслідок такого різкого зростання швидкості випаровування терпі 53734 4 неолу різко підвищується інтенсивність виходу його парів із об'єму товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів, внаслідок чого всередині останніх утворюється велика кількість пустот, таких як бульбашки, раковини і тріщини. В результаті товстоплівкові діелектричні ізоляційні шари стають менш щільними і однорідними, а їх діелектричні властивості погіршуються. Вказане погіршення діелектричних властивостей в даному випадку проявляється для матеріалу товстоплівкового діелектричного шару внаслідок зростання тангенса кута діелектричних втрат і зменшення питомого об'ємного електричного опору після дії повітря з підвищеною відносною вологістю при експлуатації плат. Причина вказаного підвищення тангенса кута діелектричних втрат і зменшення питомого об'ємного електричного опору після дії повітря з підвищеною відносною вологістю полягає в проникненні великої кількості вологи в об'єм товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів через те, що виготовлені із відомої пасти товстоплівкові діелектричні ізоляційні шари мають значну кількість дефектів. Внаслідок цього неможливим є використання або зберігання багаторівневих комутаційних плат з виготовленими із відомої пасти товстоплівковими діелектричними ізоляційними шарами на відкритому повітрі без їх захисту спеціальними вологостійким шарами або металокерамічними вологонепроникними корпусами. В основу корисної моделі поставлена задача отримати пасту для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат шляхом зміни складу пасти, що, за рахунок покращення діелектричних характеристик товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат, а саме: зниження відносної діелектричної проникності, зниження тангенса кута діелектричних втрат і збільшення питомого об'ємного електричного опору, дозволить розширити функціональні можливості її використання, зокрема, при виготовленні плат, що призначені для комплектування вузлів радіотехнічних пристроїв, які можуть працювати, як у розширеному діапазоні радіочастот (включаючи високі і надвисокі радіочастоти), так і можуть працювати або зберігатись на відкритому повітрі без їх спеціального захисту. Поставлена задача вирішується тим, що паста для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат, яка містить дрібнодисперсний порошок склокристалічного титано-барієвого матеріалу із вмістом двоокису титану, окису барію, двоокису кремнію, окису цинку, окису бору, окису алюмінію, двоокису цирконію, окису кадмію, окису свинцю, окису вісмуту, дрібнодисперсний порошок окису металу в якості наповнювача і органічну зв'язку із вмістом терпінеолу і етилцелюлози яка, згідно до корисної моделі, як дрібнодисперсний порошок окису металу в якості наповнювача вона містить дрібнодисперсний порошок окису алюмінію та додатково містить в якості кристалічного наповнювача дрібнодисперсний порошок двоокису кремнію при наступному співвідношенні всіх компонентів, (мас.%): 5 53734 6 дрібнодисперсний порошок склокристалічного титано-барієвого матеріалу із вмістом двоокису титану, окису барію, двоокису кремнію, окису цинку, окису бору, окису алюмінію, двоокису цирконію, окису кадмію, окису свинцю, окису вісмуту дрібнодисперсний порошок окису алюмінію дрібнодисперсний порошок двоокису кремнію органічна зв'язка із вмістом терпінеолу і етилцелюлози при цьому органічна зв'язка із вмістом терпінеолу і етилцелюлози додатково містить дибутилфталат, олеїнову кислоту, рицинову олію і бутилкарбітолацетат при наступному співвідношенні всіх компонентів, (мас. %): терпінеол 66-87 етилцелюлоза 3-8 дибутилфталат 3-8 олеїнова кислота 3-7 рицинова олія 3-7 бутилкарбітолацетат 2-4. Технічним результатом корисної моделі є покращення діелектричних характеристик товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат, що забезпечує розширення можливостей використання багаторівневих комутаційних плат із товстоплівковими діелектричними ізоляційними шарами, виготовленими із пропонованої пасти, а саме: забезпечення їх використання для виготовлення вузлів радіотехнічних пристроїв, які працюють в розширеному діапазоні радіочастот (в тому числі при високих і надвисоких радіочастотах), а також забезпечення їх використання на повітрі без спеціального захисту плат, вузлів чи пристроїв. Можливість використання виготовлених із пропонованої пасти товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів для багаторівневих комутаційних плат вузлів радіотехнічних пристроїв, які працюють в розширеному діапазоні радіочастот, досягається за рахунок зниження величин відносної діелектричної проникності та зменшення тангенса кута діелектричних втрат товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів внаслідок додаткового введення в склад пасти дрібнодисперсних порошків окису алюмінію і двоокису кремнію в якості кристалічних наповнювачів, а також внаслідок додаткового введення дибутилфталату, олеїнової кислоти, рицинової олії і бутилкарбітолацетату до складу органічної зв'язки із вмістом терпінеолу і етилцелюлози. Отримання більш низьких величин відносної діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів можна інтерпретувати як отримання сумарного результату дії трьох матеріалів дрібнодисперсного порошку титано-барієвого склокристалічного матеріалу, дрібнодисперсного порошку окису алюмінію і дрібнодисперсного порошку двоокису кремнію. Діелектричні властивості кристалічних наповнювачів - окису алюмінію і двоокису кремнію є кращими за відповідні діелектричні властивості наповнювачів (окислів перехідних металів), що входять до складу відомої пасти згідно до прототипу. Тому введення дрібнодисперсних порошків окису алюмінію та двоокису кремнію до складу пропонованої пасти призводить до покращення діелектричних та кристалізаційних власти 48-70 14-24 1-3 15-25, востей товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат. Додаткове введення дибутилфталату, олеїнової кислоти, рицинової олії і бутилкарбітолацетату до складу органічної зв'язки із вмістом терпінеолу і етилцелюлози призводить до збільшення щільності і покращення однорідності структури ізоляційних шарів завдяки тому, що терпінеол, дибутилфталат, олеїнова кислота і рицинова олія випаровуються при різних температурах. В процесі термообробки пропонованої пасти леткі компоненти органічної зв'язки (терпінеол, дибутилфталат, олеїнова кислота, рицинова олія і бутилкарбітолацетат), які починають інтенсивно випаровуватись при різних температурах, видаляються з об'єму товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів поступово (при різних температурах), а не одночасно (при одній температурі), як це має місце в пасті згідно до прототипу Через це структура товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів, виготовлених із пропонованої пасти, зазнає менших пошкоджень. Як наслідок, пропонована паста забезпечує отримання більш щільної і однорідної структури товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів при меншому вмісту в них таких дефектів як бульбашки, тріщини і раковини. Як результат, для щільніших і більш однорідних товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів досягаються нижчі значення тангенса кута діелектричних втрат і вищі значення питомого об'ємного опору після дії повітря підвищеної вологості в процесі експлуатації плат. Властивості пасти для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат, що заявляється, пояснюються прикладами конкретного виконання. Дрібнодисперсний порошок склокристалічного титано-барієвого матеріалу із вмістом двоокису титану, окису барію, двоокису кремнію, окису цинку, окису бору, окису алюмінію, двоокису цирконію, окису кадмію, окису свинцю і окису вісмуту, дрібнодисперсний порошок двоокису кремнію, дрібнодисперсний порошок окису алюмінію зважувались в кількостях, вказаних в таблиці, після чого перемішувались до однорідної суміші. Далі до цієї однорідної суміші порошків додавалась попередньо виготовлена органічна зв'язка із вмістом етилцелюлози, терпінеолу, дибутилфталату, олеїнової кислоти, рицинової олії і бутилкарбітолацетату, після чого суміш порошків перемішувалась із органічною зв'язкою до однорідної суспензії (пасти). Всього було виготовлено три склади пасти згідно до корисної моделі і один склад пасти згідно до прототипу, які зберігались у герметично закритій тарі. Різний склад пропонованої пасти для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат, а також склад пасти згідно до прототипу наведено в таблиці. 7 Для перевірки діелектричних характеристик товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів, виготовлених із паст пропонованого складу і пасти згідно до прототипу виготовлялись тест-плати - по 5шт. для кожного складу пасти, наведеного в таблиці. Для цього на першому етапі виготовлення тест-плат на установці трафаретного друкування DFS (Швейцарія) через сітчастий трафарет, розміри і розміщення отворів якого відповідали топології нижнього провідникового шару, на пластини із алюмооксидної кераміки «Rubalit 708S» (виробник - компанія «CeramTec», Німеччина) друкувалась провідникова паста для товстоплівкових струмопровідних шарів внутрішніх рівнів багаторівневих комутаційних плат. Дана паста була призначена для сумісного використання із пропонованою пастою для діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат. Надруковані на керамічних пластинах відбитки пасти проходили низькотемпературну обробку (сушку) в сушильній шафі фірми MLW (Німеччина) при температурі від 115°С до 125°С до повного висихання органіки. Після цього висушені відбитки пасти піддавались високотемпературній термообробці в конвеєрній електропечі фірми BTU (Англія) при піковій температурі від 850°С до 860°С. На другому етапі виготовлення тест-плат на нижній товстоплівковий провідниковий шар тестплати друкувались різного складу пасти для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів, кількісний склад даних паст наведений в таблиці. Всього для кожного складу пасти друкувалось по 5 відбитків. Відбитки паст просушувались і проходили низькотемпературну і високотемпературну обробки при тих же технологічних режимах, як і для першого етапу виготовлення тест-плат. На третьому етапі виготовлення тест-плат на товстоплівковий діелектричний ізоляційний шар друкувалась паста для товстоплівкових струмопровідних шарів внутрішніх рівнів багатошарових комутаційних плат. Сітчастий трафарет, через який друкувалась дана паста, містив два отвори розмірами 5×5мм і 4×4мм. Після сушки і високотемпературної обробки відбитків пасти на діелектричних ізоляційних шарах були сформовані товстоплівкові струмопровідні елементи у вигляді квадратів, які використовувались в якості верхніх обкладок конденсаторів для перевірки діелектричних характеристик товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів. Відносна діелектрична проникність (ε) матеріалу товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів визначалась за формулою: C d , 0 S де С - ємність конденсатору; d - товщина ізоляційного шару; ε0 - діелектрична стала, ε0=8,85×10-5 Ф/м; S - площа перекриття обкладок конденсатора. 53734 8 Ємність конденсаторів С, сформованих на тест-платах, вимірювалась за допомогою вимірювача ємності Е8-4. Товщина ізоляційного шару d визначалась за допомогою індикатора вимірювання товщини МИГ-1. Площа перекриття обкладок конденсатора S, яка для конденсатора з розмірами 5×5мм становила 25мм2 і для конденсатора розмірами 4×4мм становила 16мм2, визначалась за допомогою мікроскопу МБС-10. Одночасно з вимірюванням ємності за допомогою вимірювача ємності Е8-4 визначалась і величина тангенсу кута діелектричних втрат (tgδ). Питомий електричний опір товстоплівкових діелектричних ізоляційних елементів після дії повітря з підвищеною відносною вологістю визначався після витримки тест-плат в камері вологи протягом 10 діб при відносній вологості (95±3)% і температурі (40±2)°С. Після виймання тест-плат із камери вологи вони витримувались на повітрі при нормальних кліматичних умовах протягом двох годин. Після цього за допомогою термометра Е6-13А для товстоплівкових діелектричних ізоляційних елементів тест-плат у вигляді квадратів розмірами 5×5мм і 4×4мм визначався електричний опір (R) між нижнім струмопровідним шаром і верхніми обкладками у вигляді квадратів. Враховуючи отримані значення R, а також раніше визначену товщину ізоляційного шару d і площу перекриття обкладок конденсатора S, для кожного товстоплівкового діелектричного ізоляційного елементу кожної тест-плати визначалось значення питомого об'ємного електричного опору (pw) за формулою: R S , w d Значення ε, tgδ і ρw, отримані для кожного товстоплівкового діелектричного ізоляційного елементу і для кожного складу пасти, наведеного в таблиці, усереднювались, середні значення цих величин εс, tgδc і ρwc наведені в таблиці. Отримання більш низьких значень εс, tgδc і більш високих значень ρwc відповідає кращим діелектричним властивостям товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів. Зовнішній вигляд товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів на тест-платах оцінювався за допомогою мікроскопу МБС-10 при 16-ти кратному збільшенні. Якщо внаслідок огляду поверхні діелектричного ізоляційного шару в полі зору мікроскопу не виявлялись такі дефекти як бульбашки, раковини чи тріщини розмірами менше 50мкм, то робився висновок про задовільний зовнішній вигляд товстоплівкового діелектричного ізоляційного шару. Якщо ж внаслідок огляду в полі зору мікроскопу виявлялось більше одного вказаного дефекту, або розміри одного із таких дефектів перевищували 50мкм, робився висновок про невідповідність зовнішнього вигляду товстоплівкового діелектричного ізоляційного елементу встановленим вимогам. 9 53734 10 Таблиця. Паста для товстоплівкових ізоляційних шарів згідно до корисної моделі Склад пасти, (мас. %) № п.п. Діелектричні характеристики товстоплівкових ізоляційних шарів Склад органічної зв'язки, (мас. %) Вміст дрібнодисперсних порошків Вміст орга- терпітитанодвонічної неол барієвий окис окис зв'язки склок рисалюкремталічний мінію нію матеріал етил целю лоза дибу тилфталат олеїбутилрицинова карбнова кистололія лота ацетат εс tgδ5c Зовнішній вигляд товстоплівкових ρwc ізоляційних Ом×см шарів 1 48 24 3 25 66 8 8 7 7 4 7,8 0,019 2×10 13 2 70 14 1 15 87 3 3 3 3 1 8,3 0,021 4×10 13 3* 60 18 2 20 77 5 5 5 5 3 7,1 0,015 5×10 13 4** Без дефектів Без дефектів Без дефектів Паста для товстоплівкових ізоляційних шарів згідно до прототипу Діелектричні характеристики товстоСклад пасти, (мас. %) Склад органічної зв'язки, (мас. %) плівкових ізоляцій- Зовнішній них шарів вигляд Вміст товстодрібнодисперсних плівкових ρw порошків ізоляційних Вміст органіетилакрилова терпінеол ε tgδ Ом×см шарів чної зв'язки целюлоза смола титанобарієвий Окис склокристалічний міді матеріал Наявність бульбашок з роз11 73 7 20 90 5 5 11,2 0,045 7×10 мірами більше 125мкм Примітка до таблиці: * - склад 3 відповідає середнім значенням компонентів пасти; * * - склад 4 відповідає складу пасти згідно до прототипу. Як випливає із таблиці, склад 3 пасти, що заявляється, і містить середні значення кількості заявлених її компонентів, є оптимальним. Паста для товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів багаторівневих комутаційних плат пропонованого складу, в порівнянні з пастою згідно до прототипу, забезпечила покращення діелектричних властивостей товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів, а саме: - зменшились значення відносної діелектричної проникності і тангенса кута діелектричних втрат для матеріалу товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів. Отриманий позитивний ефект дозволяє застосовувати пропоновану пасту для виготовлення багаторівневих комутаційних плат для вузлів радіотехнічних пристроїв, що працюють в розширеному діапазоні радіочастот, а саме: при високих і надвисоких частотах; - збільшилась щільність і покращилась однорідність структури товстоплівкових ізоляційних шарів, оскільки додаткове введення дибутилфталату, олеїнової кислоти, рицинової олії і бутилкарбітолацетату до складу органічної зв'язки пропонова ної пасти забезпечило поступовість випаровування летких компонентів цієї багатокомпонентної органічної зв'язки, тому в цілому інтенсивність випаровування летких компонент органічної зв'язки знизилась і стала більш тривалою в часі. Це обумовило отримання більш однорідної і щільної структури, а також зменшення в товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарах кількості і розмірів таких дефектів, як бульбашки, раковини і тріщини. В результаті всередину об'єму товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів із більш щільною і однорідною структурою стала менше проникати волога із атмосферного повітря. Як наслідок, знизилось значення тангенсу кута діелектричних втрат матеріалу товстоплівкових діелектричних ізоляційних шарів і підвищилось значення питомого об'ємного електричного опору після дії повітря з підвищеною відносною вологістю. Отриманий позитивний ефект дозволяє застосовувати пропоновану пасту для виготовлення багаторівневих комутаційних плат для вузлів радіотехнічних пристроїв, що працюють на відкрито 11 53734 му повітрі без спеціального захисту плат, вузлів чи пристроїв від дії вологи. Таким чином, пропонована паста забезпечує можливість використання багаторівневих комута Комп’ютерна верстка Н. Лиcенко 12 ційних плат при більш широких експлуатаційних режимах і при менших обмеженнях щодо умов експлуатації. Підписне 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