Одним из критичных параметров, определяющих прогресс в области производства многовыводных металлокерамических корпусов и многослойных коммутационных плат высокой степени интеграции, являются размеры и плотность размещения межслойных переходов, достижимые в конструкторско-технологических разработках. Основная проблема конструкторско-технологической реализации структур с высокой плотностью переходов в том, что переход, как неоднородность в составе керамической платы, ведет к появлению внутренних напряжений (рис.1,а), превышающих предел прочности керамического материала [1, с.67].
Как показал анализ [2, с.88], структурные напряжения, возникающие в окрестности межслойных переходов, ведут к появлению тангенциальных напряжений растяжения и сопровождаются появлением несквозных радиальных трещин (рис.1,б), часть которых простирается на всю ширину межпереходного промежутка. В изделиях существующей конструкции трещины не выходят на противоположную поверхность платы и не достигают ее границ в плоскости поверхности. Возможные отказы, таким образом, не связаны с разрушением платы, но способны вызвать короткое замыкание вследствие абсорбции технологических жидких сред.
Как показано в работе[1, с.68], такое разрушение является следствием несогласованного сжатия межслойного перехода и керамического материала, ввиду различия коэффициентов термического расширения.
Перед температурной обработкой неспеченные металлокерамические платы размещают в специальные, так называемые, многоэтажные пакеты. Пакет для размещения металлокерамических плат (МКП) выполнен в виде сборной конструкции из чередующихся прямоугольных огнеупорных пластин и предназначен для размещения на пластинах обжигаемой продукции. Первый этаж пакета представляет собой две огнеупорные пластины, примыкающие друг к другу боковыми сторонами. По периметру пластины расставлены огнеупорные бруски для размещения второго этажа пластин и так далее (до восьми этажей). Расстояние между этажами кассеты определяется высотой МКП и высотой груза, который размещается поверх МКП во избежание попадания и припекания на поверхности плат каких-либо загрязнений, а также с целью противодействия вертикальной деформации.
Рис. 1 а) Разрез стандартной металлокерамической платы (МКП): 1- органический изоляционный слой; 2 – керамические листы; 3- коммутационные проводники; 4 – межслойные переходы; 5 – монтажные и 6 – выводные площадки.
б) Разрушение МКП в области межслойных переходов (вид сверху): 1 – микротрещины; 2 – керамика; 3 – межслойный переход.
Так как подвод тепла к МКП сверху и снизу происходит с различной скоростью, распределение температуры в ее объеме также будет неравномерным. Поскольку на спадающем участке температурной кривой спекания, верхние слои МКП имеют более низкую температуру по отношению к ее внутренним слоям, стеклофаза, входящая в состав тонкой радиокерамики, также затвердевает с различной скоростью. В то время как внутри объема платы стеклофаза находится в вязко-текучем состоянии, на поверхности происходит ее «охрупчивание». Поэтому в области соединения таких систем разнородных материалов, как системы межслойных металлизационных переходов – керамики, зарождение структурных напряжений начинается с поверхностных слоев, а во внутренних слоях их величина уменьшается вплоть до полного исчезновения. Это иллюстрируется сужением трещины внутри объема МКП, тем самым трещина в поперечном разрезе принимает вид треугольника, как показано в работе[3, с.77].
В работе [3, с.81] автором проведены исследования по залечиванию трещин вокруг структурных неоднородностей – межслойных переходов. Было установлено, что залечивание таких трещин имеет место при повторном обжиге, максимальная температура которого существенно ниже (1420°С) основной температуры обжига (1530°С). Существенность определяется тем, что в объеме металлизации при повторном прогреве до 1420°С не фиксируется нежелательных изменений.
При повторном прогреве, возникающая в керамике жидкая фаза распределяется за счет смачивания по зернам корунда. Учитывая микрорельеф поверхности твердых частиц Al2O3 и высокое химическое сродство окисных систем стекла и кристаллов окиси алюминия, фиксируется низкий краевой угол и высокая скорость смачивания микровыступов на стенках трещин. Высота и форма микровыступов определяются размером и формой кристаллов корунда (глинозема), составляющих основу керамики. Смачивание рельефной поверхности сопровождается согласованной ориентацией частиц под действием капиллярного давления. Это давление способствует сближению краев трещин не только на ее конце, но и по всей поверхности. При наличии давления в контактирующих областях частиц увеличивается растворимость кристаллической фазы, осуществляется перенос вещества в ненапряженные области, результатом чего является сближение центров частиц, сопровождающееся сближением стенок трещин на значительной части их поверхности. При этом растворяется мелкая фракция окиси алюминия, а крупные зерна (микровыступы) служат центрами, на которых кристаллизуется окись алюминия из расплава стеклофазы. Явления смачивания, растворения и переноса окиси алюминия через жидкую фазу существенно ускоряют эффект залечивания трещины. Вследствие описанных эффектов температура плавления стеклофазы при повторной термической обработке будет ниже, что экспериментально подтверждено в работе [3, с.82]. Этим, в частности, и объясняется залечивание трещины при температуре 1420°С.
При активации указанного механизма залечивания трещин протекают и другие процессы, связанные со слиянием противоположных стенок. Если учесть тот факт, что стенки трещины шероховатые за счет выпирающих частей кристаллов Al2O3, модель и механизм залечивания трещин, представленные в работе [3, с.75] могут быть существенно дополнены.
Предполагая, что в некоторый момент времени две частицы Al2O3 на противоположных сторонах трещины соприкасаются друг с другом (рис.2), в месте их касания образуется «перешеек», который начнет постепенно увеличиваться до тех пор, пока слияние не завершится. В начале процесса, поверхностная энергия двух частиц, радиусом r каждая, покрытых стеклофазой, равна удвоенному произведению коэффициента поверхностного натяжения стеклофазы на площадь поверхности частиц (в вакуумплотной керамике спекание происходит с участием жидкой фазы):
Согласно идее Френеля, этот избыток энергии должен быть израсходован на работу против сил вязкого трения, возникающих в процессе перемещения вещества частиц при их спекании. В нашем случае сила вязкого трения зависит от вязкости стеклофазы, смачивающей зерна корунда, линейных размеров частиц корунда и скорости протекания процесса слияния. Поэтому для оценки величины вязкого трения допустимо использовать формулу Стокса, т.е. воспользоваться выражением для шара радиусом R0, движущегося в жидкости со скоростью :ё
где N — число микровыступов на одной из стенок.
При получении формулы (10) принято допущение, что число микровыступов на противоположных стенках трещины одинаковое и центры выступающих частиц корунда ориентированы друг на друга строго по центру. Также учтено, что действие силы тяжести на рассматриваемую систему пренебрежимо мало.
Заключение.
1) Разработана модель и представлен механизм залечивания капиллярных дефектов, основанный на активации процесса слияния частиц керамики в период повторной температурной обработки.
2) Получена оценка для расчета времени полного залечивания трещины в период повторной профилактической обработки.
Список литературы:
- Ермолаев Е.В. Структурные напряжения в межслойных проводниках металлокерамических корпусов в производственных условиях // сборник I международной научно-практической конференции «актуальные вопросы науки, технологии и производства».– 2014. –№1. – С.67-72.
- Ермолаев Е.В. Разгерметизация металлокерамических корпусов в области межслойных проводников в производственных условиях // Вестник ПГТУ. Сер. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – 2014. –№1. – С.87-92.
- Ермолаев Е.В. Скулкин Н.М. Стабилизация термомеханической прочности металлокерамических плат и корпусов микросхем в процессе циклической высокотемпературной обработки // Вестник ПГТУ. Сер. Радиотехнические и инфокоммуникационные системы. – 2014. –№2. – С.75-83.
- Heuer A.H., Roberts J.P. Influence of Annealing on the Strength of Corundum Crystals [Proc. Brit. Ceram.] no. 6(2001): p.17-27.[schema type=»book» name=»Технология восстановления и стабилизации качества межслойных переходов металлокерамических коммутационных плат» author=»Ермолаев Евгений Валерьевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-27″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.04.2015_4(13)» ebook=»yes» ]