eng
Выпуск #3/2016
А.Кондрашин, А.Лямин, В.Слепцов
4D-технологии производства интегральных трехмерных электронных устройств
4D-технологии производства интегральных трехмерных электронных устройств
Просмотры: 2515
Произведен анализ возможностей современных 3D MID-технологий (Three Dimensional Molded Interconnected Devices) для производства трехмерных электронных средств (ТЭУ). Определены основные сравнительные характеристики, достоинства и недостатки данных технологий. Предложена новая классификация 3D MID-технологии по дискретизации получения структур и номенклатуры используемых материалов.
DOI:10.22184/1993-8578.2016.65.3.90.96
DOI:10.22184/1993-8578.2016.65.3.90.96
На современном этапе микроминиатюризации электронных устройств возникла насущная необходимость использования любой внутренней "свободной" поверхности изделия электронной техники не только в качестве пассивного конструкционного элемента, но и в качестве материала, способного нести функциональную "нагрузку" (нанесение контактных площадок, проводников, монтаж активных элементов и т.д.), то есть в качестве подложки для формирования интегрально-объемной печатной платы – трехмерных электронных устройств (ТЭУ).
Традиционно в производстве ТЭУ различают два типа сложных объемных объектов:
•квазиобъемные фигуры, создаваемые из отдельных 2D-модулей на базе жестких или гибких подложек методами трафаретной печати, горячего тиснения, термотрансферного переноса и т.д. [1];
•жесткие объемные (3D) фигуры, которые делятся на два рода: создаваемые на базе жестких подложек традиционными промышленными методами (литье, штамповка) и формируемые послойно при помощи 3D-принтеров [2–6]. Все указанные типы традиционных 2D- (квази-3D) и 3D-технологий по созданию трехмерных электронных устройств (табл.1) обладают общим не устраняемым недостатком – отсутствием возможности формирования многослойных сложных 3D-объектов с использованием в качестве функциональных элементов всех граней, ребер и стенок.
В связи с этим в настоящее время начали развиваться технологии формирования 4D-объектов ТЭУ, позволяющих "in situ" (в процессе) формирования детали "выращивать" функциональные многослойные несущие конструкции. При этом снаружи и внутри любого "свободного" объема детали могут быть размещены слои или линии коммутирующих и микроэлектронных элементов. В настоящее время имеющиеся технологические возможности не позволяют изготавливать оригинальные 4D-объекты ТЭУ в едином производственном цикле.
Первым шагом при разработке технологий получения полноценных 4D-объектов ТЭУ стало создание квази-4D-объектов. Соответствующая группа технологий получила название 3D MID (Molded Interconnected Devices) или технологий изготовления трехмерных схем на базе литого монтажного основания [8–10]. В литературе отсутствует строгая классификация 3D MID-технологий, поэтому, с нашей точки зрения, их целесообразно разделить по дискретизации получения структур (табл.2):
•одноуровневые технологии;
◦V-3D MID (V – volume) или сплавные технологии (литье со вставкой);
◦S-3D MID (S – surface) или технологии обработки поверхности;
•гибридные (многоуровневые) технологии 1G 3D MID, где 1G – поколение миниатюризации.
В свою очередь, поверхностные S-3D MID-технологии (рис.1) можно разделить на жидкостные (LS-3D MID) и сухие (DS-3D MID) или газофазные. К жидкостным относятся:
•двухшаговая заливка или 2S-технология (Two Step или Two Shot Molding);
•лазерное структурирование (Laser direct structuring, LDS);
•струйно-аэрозольное напыление (Aerosol Jet или Maskless, Mesoscale, Material Deposition – M3D);
•струйное распыление;
•3D-фотолитография.
К сухим (газофазным) технологиям можно отнести газо-плазменную металлизацию (Flame con) и осаждение с помощью электродугового плазматрона (Plasma dust).
С нашей точки зрения, при рассмотрении 3D MID-технологий необходимо разделять понятия функционального и вспомогательного материалов. Если первый является основным рабочим материалом элемента конструкции, то вспомогательный напрямую не входит в состав рабочего материала, но может участвовать в его формообразовании, изготовлении или эксплуатации.
1. Сплавные 3D MID-технологии (V-3D MID)
Одним из наиболее часто применяемых технологий литья (или сплавных технологий), является литье под давлением с предварительно отформованными закладными деталями, которое включает несколько технологических разновидностей [11–13]:
•декорирование в пресс-форме (IMD);
•этикетирование в пресс-форме (IML);
•литье с закладкой (вставкой) пленочных заготовок (FIM);
•литье с закладкой (вставкой) пластиковых или иных готовых элементов (Insert Molding).
Разновидности литья со вставкой пленочных заготовок могут рассматриваться и в качестве отдельных технологий изготовления квази-4D-обьектов, и в качестве способов изготовления литых монтажных оснований (MID), например, для S-3D MID-технологий (табл.2).
Традиционно, основная идея литья со вставкой заключается в производстве многокомпонентной многослойной детали при сплавлении в стандартной пресс-форме двух термолабильных оснований с прослойкой между ними (рис.2а). Технически эта операция близка к процессу двухсторонней ламинации документов. В качестве прослойки может быть использован практически любой материал: металлические пластины, различные полимеры, жесткие или гибкие композиты и т.д. В качестве же оснований – термопластики, обладающие различными оптическими, электрическими, механическими и другими характеристиками, или же абсолютно разные материалы.
Современный уровень развития технологий литья со вставкой позволяет осуществлять финишное сплавление достаточно тонких корпусов-оснований (панелей), используя вместо стандартной конструкционной вставки готовый плоский функциональный модуль (рис.2б) с коммутационной системой или сборочный модуль, состоящий из объемной коммутационной системы и различных компонентов (проводников, резисторов, конденсаторов, светодиодов и т.д.), например, на базе гибкой печатной платы (рис.3).
Преимущества технологии литья со вставкой:
•дешевизна оборудования;
•самый короткий производственный цикл на единицу продукции;
•использование корпуса изделия в качестве подложки (платы) для ТЭУ;
•возможность использования в качестве вставки как конструкционных, так и функциональных модулей.
Недостатки литья со вставкой:
•ограничения по типам используемых материалов;
•отсутствие возможности менять конфигурацию ТЭУ в процессе изготовления (использование готовой вставки);
•ограничения по конфигурации не термопластичных оснований (подготовка переходных отверстий, значительные погрешности при совмещении отдельных частей и т.д.);
•возможность изготовления ТЭУ только миллиметрового диапазона из готовых модулей.
Продолжение в следующем номере
ЛИТЕРАТУРА
1.Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В., Махно Д.В. Аспекты формирования трехмерных электронных устройств // Наноинженерия. 2015. № 2(44). С. 3–18.
2.Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В., Махно Д.В. Аддитивные трехмерные электронные устройства // Наноинженерия. 2015. № (49). С. 5–20.
3.Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В., Махно Д.В. Особенности технологии изготовления трехмерных электронных устройств // Наукоемкие технологии. 2015. № 6. С. 38–47.
4.Ежеленко В., Трубашевский Д. Эра аддитивного производства наступает // Умное производство. 2015. № 1 (29).
5.Ежеленко В., Трубашевский Д., Колмаков А. Металлическая 3D печать – будущее эффективных производств // Умное производство. 2015. № 3 (31).
6.Современные 3D принтеры // КомпьюАрт. 2015. № 4. С. 10–18.
7.Франке Й. 3D MID материалы, технологии, свойства / Под ред. И.А. Волкова; пер. с англ. – СПб, 2014. 331 с.
8.Бачнак Н. Инновация через 3D технологию – применение и прикладные примеры // Матер. I Российской 3D-MID конференции, Москва, 23–24 октября 2013.
9.Камышная Э.Н., Курносенко А.Е., Иванов Ю.В. Системный анализ 3D-MID технологий // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 11 (http://engjournal.ru/catalog/it/hidden/1047.html)
10.Бакарджиева С. 3D-MID: есть шанс догнать лидера // Умное производство. 2015. № 3 (31).
11.Технология вставки Insert Engel // Матер. официального сайта фирмы ZIMK GmbH (http://www.polymery.ru/letter.php?
n_id=497&cat_id=3)
12.Каталог литьевых машин для производства изделия на базе технологии литья со вставкой компании // Матер. официального сайта компании Engel (http://www.exapro.ru/engel-es-350t-225351-k-sl-litevaia-mashina-dlia-litia-pod-davleniem-p30305139).
13.Волков И. Электроника на пластике – возвращение // Вектор Высоких технологий. 2013. № 1 (01). С. 40–47.
Традиционно в производстве ТЭУ различают два типа сложных объемных объектов:
•квазиобъемные фигуры, создаваемые из отдельных 2D-модулей на базе жестких или гибких подложек методами трафаретной печати, горячего тиснения, термотрансферного переноса и т.д. [1];
•жесткие объемные (3D) фигуры, которые делятся на два рода: создаваемые на базе жестких подложек традиционными промышленными методами (литье, штамповка) и формируемые послойно при помощи 3D-принтеров [2–6]. Все указанные типы традиционных 2D- (квази-3D) и 3D-технологий по созданию трехмерных электронных устройств (табл.1) обладают общим не устраняемым недостатком – отсутствием возможности формирования многослойных сложных 3D-объектов с использованием в качестве функциональных элементов всех граней, ребер и стенок.
В связи с этим в настоящее время начали развиваться технологии формирования 4D-объектов ТЭУ, позволяющих "in situ" (в процессе) формирования детали "выращивать" функциональные многослойные несущие конструкции. При этом снаружи и внутри любого "свободного" объема детали могут быть размещены слои или линии коммутирующих и микроэлектронных элементов. В настоящее время имеющиеся технологические возможности не позволяют изготавливать оригинальные 4D-объекты ТЭУ в едином производственном цикле.
Первым шагом при разработке технологий получения полноценных 4D-объектов ТЭУ стало создание квази-4D-объектов. Соответствующая группа технологий получила название 3D MID (Molded Interconnected Devices) или технологий изготовления трехмерных схем на базе литого монтажного основания [8–10]. В литературе отсутствует строгая классификация 3D MID-технологий, поэтому, с нашей точки зрения, их целесообразно разделить по дискретизации получения структур (табл.2):
•одноуровневые технологии;
◦V-3D MID (V – volume) или сплавные технологии (литье со вставкой);
◦S-3D MID (S – surface) или технологии обработки поверхности;
•гибридные (многоуровневые) технологии 1G 3D MID, где 1G – поколение миниатюризации.
В свою очередь, поверхностные S-3D MID-технологии (рис.1) можно разделить на жидкостные (LS-3D MID) и сухие (DS-3D MID) или газофазные. К жидкостным относятся:
•двухшаговая заливка или 2S-технология (Two Step или Two Shot Molding);
•лазерное структурирование (Laser direct structuring, LDS);
•струйно-аэрозольное напыление (Aerosol Jet или Maskless, Mesoscale, Material Deposition – M3D);
•струйное распыление;
•3D-фотолитография.
К сухим (газофазным) технологиям можно отнести газо-плазменную металлизацию (Flame con) и осаждение с помощью электродугового плазматрона (Plasma dust).
С нашей точки зрения, при рассмотрении 3D MID-технологий необходимо разделять понятия функционального и вспомогательного материалов. Если первый является основным рабочим материалом элемента конструкции, то вспомогательный напрямую не входит в состав рабочего материала, но может участвовать в его формообразовании, изготовлении или эксплуатации.
1. Сплавные 3D MID-технологии (V-3D MID)
Одним из наиболее часто применяемых технологий литья (или сплавных технологий), является литье под давлением с предварительно отформованными закладными деталями, которое включает несколько технологических разновидностей [11–13]:
•декорирование в пресс-форме (IMD);
•этикетирование в пресс-форме (IML);
•литье с закладкой (вставкой) пленочных заготовок (FIM);
•литье с закладкой (вставкой) пластиковых или иных готовых элементов (Insert Molding).
Разновидности литья со вставкой пленочных заготовок могут рассматриваться и в качестве отдельных технологий изготовления квази-4D-обьектов, и в качестве способов изготовления литых монтажных оснований (MID), например, для S-3D MID-технологий (табл.2).
Традиционно, основная идея литья со вставкой заключается в производстве многокомпонентной многослойной детали при сплавлении в стандартной пресс-форме двух термолабильных оснований с прослойкой между ними (рис.2а). Технически эта операция близка к процессу двухсторонней ламинации документов. В качестве прослойки может быть использован практически любой материал: металлические пластины, различные полимеры, жесткие или гибкие композиты и т.д. В качестве же оснований – термопластики, обладающие различными оптическими, электрическими, механическими и другими характеристиками, или же абсолютно разные материалы.
Современный уровень развития технологий литья со вставкой позволяет осуществлять финишное сплавление достаточно тонких корпусов-оснований (панелей), используя вместо стандартной конструкционной вставки готовый плоский функциональный модуль (рис.2б) с коммутационной системой или сборочный модуль, состоящий из объемной коммутационной системы и различных компонентов (проводников, резисторов, конденсаторов, светодиодов и т.д.), например, на базе гибкой печатной платы (рис.3).
Преимущества технологии литья со вставкой:
•дешевизна оборудования;
•самый короткий производственный цикл на единицу продукции;
•использование корпуса изделия в качестве подложки (платы) для ТЭУ;
•возможность использования в качестве вставки как конструкционных, так и функциональных модулей.
Недостатки литья со вставкой:
•ограничения по типам используемых материалов;
•отсутствие возможности менять конфигурацию ТЭУ в процессе изготовления (использование готовой вставки);
•ограничения по конфигурации не термопластичных оснований (подготовка переходных отверстий, значительные погрешности при совмещении отдельных частей и т.д.);
•возможность изготовления ТЭУ только миллиметрового диапазона из готовых модулей.
Продолжение в следующем номере
ЛИТЕРАТУРА
1.Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В., Махно Д.В. Аспекты формирования трехмерных электронных устройств // Наноинженерия. 2015. № 2(44). С. 3–18.
2.Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В., Махно Д.В. Аддитивные трехмерные электронные устройства // Наноинженерия. 2015. № (49). С. 5–20.
3.Кондрашин А.А., Лямин А.Н., Слепцов В.В., Махно Д.В. Особенности технологии изготовления трехмерных электронных устройств // Наукоемкие технологии. 2015. № 6. С. 38–47.
4.Ежеленко В., Трубашевский Д. Эра аддитивного производства наступает // Умное производство. 2015. № 1 (29).
5.Ежеленко В., Трубашевский Д., Колмаков А. Металлическая 3D печать – будущее эффективных производств // Умное производство. 2015. № 3 (31).
6.Современные 3D принтеры // КомпьюАрт. 2015. № 4. С. 10–18.
7.Франке Й. 3D MID материалы, технологии, свойства / Под ред. И.А. Волкова; пер. с англ. – СПб, 2014. 331 с.
8.Бачнак Н. Инновация через 3D технологию – применение и прикладные примеры // Матер. I Российской 3D-MID конференции, Москва, 23–24 октября 2013.
9.Камышная Э.Н., Курносенко А.Е., Иванов Ю.В. Системный анализ 3D-MID технологий // Инженерный журнал: наука и инновации. 2013. Вып. 11 (http://engjournal.ru/catalog/it/hidden/1047.html)
10.Бакарджиева С. 3D-MID: есть шанс догнать лидера // Умное производство. 2015. № 3 (31).
11.Технология вставки Insert Engel // Матер. официального сайта фирмы ZIMK GmbH (http://www.polymery.ru/letter.php?
n_id=497&cat_id=3)
12.Каталог литьевых машин для производства изделия на базе технологии литья со вставкой компании // Матер. официального сайта компании Engel (http://www.exapro.ru/engel-es-350t-225351-k-sl-litevaia-mashina-dlia-litia-pod-davleniem-p30305139).
13.Волков И. Электроника на пластике – возвращение // Вектор Высоких технологий. 2013. № 1 (01). С. 40–47.
Отзывы читателей
