KÖTÉSTECHNOLÓGIA: Mikrohuzalkötések, ragasztások, oldható kötések

Fizikai, kémiai és nanotechnológiák labor

KÖTÉSTECHNOLÓGIA: Mikrohuzalkötések, ragasztások, oldható kötések Készítette: Molnár László Milán, Dr. Sántha Hunor, Bátorfi Réka A mérés célja: Mechanikus rögzítést, elektromos összeköttetést vagy fluidikai kapcsolatot biztosító összekötő struktúrákkal/rétegekkel kapcsolatos gyakorlati alapelvek, elkészítési módszerek és anyagtudományi aspektusaik megismerése az ultrahangos kötések, ragasztások valamint az oldható elektromos és fluidikai kötések példáján. A huzalkötő berendezés részegységeinek valamint a huzalkötés minősítésére használt huzalszakító vizsgálat demonstrációja. Ragasztási módszerek saját kezű kipróbálása és minősítő tesztelése, oldható elektromos kötések gyakorlati megismerése.

A mérési feladat: 1.: huzalkötések készítése nyomtatott huzalozású hordozón, majd az elkészített kötés minőségének jellemzése 4-vezetékes kontaktellenállás-méréssel és huzalszakító vizsgálattal, 2.: fóliaragasztással lezárható mikrofluidikai csatornák és oldható fluidikai kötések gyakorlati megismerése (kúpos csatlakozással, rugalmas anyagból (elasztomerből) készített szájadékkal vagy O-gyűrűs csatlakozással), 3.: próbatesten végzett furatkészítés, ragasztás, az érdesítés és zsírtalanítás hatásának tesztelése hallgatónként kiosztott próbatesteken UV fényre kötő ragasztó / két komponensű epoxi ragasztó / pillanatragasztó / kétoldalas ragasztószalag felhasználásával, 4.: oldható elektromos kötések (élcsatlakozó, rugós hegyű tűérintkező, rugózó lapérintkező) gyakorlati megismerése, 5.: az elvégzett tevékenységek dokumentálása hallgatónkénti jegyzőkönyvekben. A mérés elvégzésével megszerezhető képességek: Ultrahangos huzalkötő berendezés, szakítótesztelő berendezés, satu, reszelő, kézifúró, különböző ragasztófelhordási és kezelési technikák, USB digitális mikroszkóp, kézi multiméter használatának elsajátítása. Méréssorozatok dokumentálásának és kiértékelésének egyénenkénti begyakorlása. Bevezetés A laborgyakorlat keretei között a kötéstechnológiák rendszerezésén és a villamosmérnöki, mikro- és nanotechnológiai szempontból releváns példák/gyakorlati alkalmazások megismertetésén túlmenően nem vállalkozhatunk többre, a hallgatók által végzendő gyakorlati feladatokat pedig a Tanszéken aktívan művelt tipikus K+F feladatok figyelembevételével választottuk ki. Bár a KÖTÉSTECHNOLÓGIA laborgyakorlat témakörében előforduló ismereteket hagyományosan elsősorban gépészmérnöki területen oktatják [1], ez az írásos segédlet nem igazán gépészmérnöki tárgyalásmódú, mert elsősorban a gyakorlatban felmerülő feladatokra bevett „helyes gyakorlat”-ok (best practice-ek) minél hatékonyabb átadhatóságát és személyes megtapasztaláson alapuló elsajátítását tűztük ki célul a villamosmérnöki mesterképzésben elsősorban a technológiák iránt érdeklődő hallgatók számára. A laborgyakorlaton megoldandó feladatok részben a félvezető-chipek külső elektromos összeköttetéseit biztosító mikrohuzalkötési technológiához, részben az elektromos áramköri modulokkal/érzékelőkkel egybeintegrált mikrofluidikai struktúrákban bevethető oldható és 1


nem-oldható (végleges) mechanikai kötésekhez kapcsolódnak. Utóbbiak illusztrálására az 1. ábra egy „NYÁK lemez – nemesfémbevonat / passziváló lakk – ragasztóréteg – mikrofluidikai struktúra (kúpos (kónuszos) Luer csatlakozóval)” rétegrendű áramlásérzékelőt mutat be.

10 mm

1. ábra: „NYÁK lemez – nemesfémbevonat – passziváló lakk – ragasztóréteg – mikrofluidikai struktúra (kónuszos fluidikai csatlakozóval)” rétegrendű áramlásérzékelő

Elméleti összefoglaló Egy mérnöki eszköz egyes részei/strukturális elemei között nem létezhet funkcionális összeköttetés az egymáshoz képesti helyzetüket biztosító fizikai – tipikusan mechanikai – rögzítés nélkül. A mechanikai rögzítéseket/kötéseket első közelítésben az oldhatóság/szétbonthatóság szempontjából kategorizálhatjuk: 1. oldható kötésekre és 2. nem-oldható kötésekre. A tervező számos szempont alapján dönti el, hogy mely részek között választ oldható kötést, és melyek között nem-oldhatót, de első körben a funkcionális kényszerek, majd a költséghatékonyság igénye vezérlik a folyamatot, akárcsak a legtöbb mérnöki tervezést. Az alábbiakban mindkét csoportból példákat sorolunk fel a teljesség és a további rendszerezés igénye nélkül: Oldható kötések: metrikus csavar (hatlapfejű, kereszthasítékos, lencsefejű, süllyesztett fejű, imbusz fejű stb.), lemezcsavar, excenter alapú gyorszár, rugalmas leszorítású súrlódó rögzítés, rugós bepattanó gyorszár, bajonett zár, tolóretesz, beékeléses rögzítés, tépőzár, mágneses rögzítés, összeszorítás stb. Nem-oldható kötések: fémek hegesztése, polimerek hegesztése, forrasztás, termokompressziós huzalkötés, ultrahangos huzalkötés, ragasztás, szegecselés, hidegsajtolás, oxigén-keresztkötéseken alapuló összenyomás alatti bondolás stb. A végleges kötések kapcsán utalunk az anyagok atomjai között ható erőkre vonatkozó nevezéktanra: a kohéziós erő egy szilárd vagy folyadék halmazállapotú anyag saját atomjait összetartó vonzóerő. Egy folyadék vagy szilárd anyag felületi atomjaira/molekuláira a felületet körülvevő más anyag atomjai/molekulái is vonzóerőt fejthetnek ki – ez a jelenség az adhézió –, az ebből származó erő az 2


adhéziós erő [2]. Ha ezeknek az erőknek a folyadék molekuláira kifejtett hatása elhanyagolható (pl. levegő, g, azaz gáz halmazállapotban) a kohéziós erőkhöz képest, akkor a felületen lévő folyadékrészecskék a kohéziós erők [2] hatására a folyadék belseje felé igyekeznek elmozdulni, vagyis a felület csökkenni igyekszik. Ha ezeknek az erőknek a folyadék (l – mint liquidus, azaz folyékony halmazállapot) molekuláira/atomjaira kifejtett hatása nem hanyagolható el – például egy szilárd (s - mint solidus, azaz szilárd) felületen helyezkedik el –, akkor a folyadék jobban, vagy kevésbé terül szét azon, nedvesíti, vagy kevésbé nedvesíti azt, attól függően, hogy a vonzó (vagy taszító) erők mekkorák.

Nedvesítés A nedvesítés mértékét a nedvesítési peremszöggel (α v. Θ) jellemezzük. Ha a peremszög kisebb mint 90°, akkor részleges nedvesítésről, ha nagyobb 90°-nál, akkor részleges nem nedvesítésről beszélünk. Érzékletes példaként megemlítjük, hogy az üvegcsőbe helyezett higanyoszlop meniszkusza azért felfelé domborodó, mert a Hg atomok közötti kohéziós erő nagyobb az üvegfelület és a Hg atomok közötti adhéziós erőnél, míg az üvegcsőbe helyezett vízoszlop azért homorú felfelé, mert az üvegfelület és a vízmolekulák közötti adhéziós erő nagyobb a vízmolekulák közötti kohéziós erőnél.

nedvesítési peremszög (α v. Θ)

2. ábra: Vázlatos rajz a nedvesítési peremszög értelmezéséhez (átvéve: [3]) A végleges nem-oldható kötések közé tartozó ragasztásoknál igen fontos szerepet kap a folyadék halmazállapotú ragasztó és a ragasztandó felületek közötti nedvesítés minősége, mely annál jobb 3


eredménnyel kecsegtet, minél jobb a nedvesítés mértéke, azaz minél kisebb a nedvesítési peremszög (α v. Θ << 90° ).

A nem oldható villamos kötések elterjedt példája a forrasztáson kívül a vezető ragasztóval történő ragasztás. Ezt olyan esetekben alkalmazzák, amikor a forrasztást valamilyen oknál fogva nem lehet elvégezni, például az összekötendő alkatrészek vagy a hordozó hőtűrése nem viselné el a forrasztási hőmérsékletet. A vezető ragasztóknak két típusa van: az izotróp és anizotróp ragasztók (3. a és b ábra).

3. a ábra: Izotróp vezető ragasztás technológiája paszta formátumú alapanyaggal (ICP = Isotropic Conductive Paste) [átvéve innen: www.finetechusa.com]

3. b ábra: Anizotróp vezető ragasztás technológiája fólia (film) formátumú és paszta formátumú alapanyaggal (ACF = Anisotropic Conductive Film, ACP = Anisotropic Conductive Paste ) [átvéve innen: www.finetechusa.com] A vezető ragasztók műgyantából, funkcionális fémadalékból, és esetenként töltőanyagból (például jó hővezetést biztosító anyagok) állnak. A fémadalék biztosítja a jó elektromos vezetést, ez általában 4


ezüstből készült pehely, golyócska, reszelék alakban van jelen a ragasztóban. Az izotróp, vagyis minden irányban vezető ragasztókat külön-külön kell felvinni a kontaktusfelületekre – ezt leggyakrabban szitanyomtatással vagy diszpenzálással valósítják meg-, majd egy viszonylag alacsony hőmérsékleten (általában 120° körül) kikeményítik (polimerizálják).A fémszemcsék olyan sűrűn helyezkednek el, hogy a kikeményítés után összeérnek és megvalósítják a tartós, jó elektromos kötést. Az anizotróp vezető ragasztókban a vezetést biztosító fém mérete vagy eloszlása meghatározott. Például a 3. ábrán látható módon, a fémgolyócskák mérete kisebb, mint az alkatrészkivezetők lábtávolsága, így az alkatrészt a ragasztónak megfelelően beültetve – úgy, hogy az alkatrészt egészen addig beültetik, amíg fel nem ül a vezetőszemcsékre- kizárólag a kívánt irányban jön létre a villamos kötés. A mechanikai rögzítést a ragasztók műgyanta-tartalma biztosítja, bár ez jóval gyengébb a forrasztás rögzítőerejénél. A villamos kötések definíciója és rendszerezése A villamos kötés két elektromosan vezető elem között létrehozott, áramvezetés céljára szolgáló kapcsolat. A villamos kötésekkel szembeni elsőrendű, rendeltetésszerű követelmény tehát a villamos vezetés, amelyhez azonban járulékos követelmények is kapcsolódhatnak. Ilyen járulékos követelmény lehet például a mechanikai rögzítés. A villamos kötéseket úgy is csoportosíthatjuk, hogy a két áramvezető elem közötti kapcsolatot, vagyis a zárt áramvezető állapotot mi tartja fenn. Az erővel záró kötéseknél az elemeket valamilyen erőhatással szorítjuk egymáshoz, így közöttük érintkezés alakul ki, az érintkezési felületen keresztül folyik az áram.(Például a rugós elemcsatlakozók.) A másik kötésfajtánál, az anyaggal záró kötéseknél a két elem közötti kapcsolatot az elemek részecskéinek vagy az elemek és a közvetítő anyag részecskéinek a közvetlen közelsége, a közöttük fellépő molekuláris vonzóerő biztosítja. Például forrasztás, vezető ragasztás. A harmadik kötésfajtánál a mechanikai kapcsolatot alakzárás hozza létre. Az alakzárás önmagában, erővel vagy anyaggal zárás nélkül nem ad jó villamos kötést, ezért az alakzáró kötéseket villamos célra csak alárendeltebb helyen alkalmazzuk. Ilyen például a csavarkötés. A villamos kötések másik csoportosítási szempontja a bonthatóság. Bonthatónak csak azokat a kötéseket tekintjük, amelyek rendeltetésszerűen, a kötésben részt vevő elemek károsodása nélkül alkalmasak a kapcsolat megszűntetésére és ismételt létrehozására. Például USB-csatlakozó, BNC csatlakozó. A bontható kötések egy része felhasználható az áram megszakítására, illetve bekapcsolására, másik részét azonban csak áram-, és feszültségmentes állapotban szabad megszakítani, valamint összekapcsolni. Az elektronikai szereléstechnológiában alkalmazott villamos kötések közül a laborgyakorlat keretein belül részletesebben az ultrahangos kötéssel foglalkozunk, továbbá rendszerezzük az egyéb tantárgyakban kevéssé kihangsúlyozott vezető ragasztókat. Röviden az ultrahangos kötésről Az ultrahangos kötésnél az egymással szembeni felületek transzverzális rezgőmozgásának segítségével, súrlódás közben jön létre a kötés. Emiatt viszonylag kis nyomóerőt kell kifejteni, hiszen ezzel a kis nyomóerővel is el tudjuk érni az oxidréteg feltörését és a felületek egyenetlenségeinek megszűntetését. A termokompressziós kötéssel szemben itt semmiféle hőközlés nem történik. Habár 5


sokfajta fém köthető ezzel a technológiával (alumínium, arany, réz, nikkel, palládium stb.), az alumínium kiemelkedő tulajdonságokat mutat a jó kötésminőség terén. Az ultrahangos kötés előnyeként említhetjük, hogy nem lép fel termikus károsodás (például az anyag nem válik rideggé, nincs meglágyulás, nem keletkeznek zsugorodási repedések, nincs fokozott huzaloxidáció). A kis összenyomó erő és az alacsony hőmérséklet következtében könnyen elkerülhető a hő-, illetve nyomásérzékeny félvezetők, üveg- és kerámiahordozók túlzott termikus és mechanikus igénybevétele. A rövid idejű és alacsony hőmérsékletű kötési folyamat miatt elkerülhető a különböző fémek összekötésénél a rideg intermetallikus ötvözetek képződése. Az ultrahangos kötés hátrányaként kell viszont említeni, hogy több, nehezen ellenőrizhető hatás is fellép a kötés létrehozása közben. Ilyen például a szerszám és a munkadarab közti kapcsolat változás, a munkaasztal és az asztalon elhelyezett munkadarab együttrezgése, illetve a rezonanciajelenségek. Ezen kívül az ultrahangos igénybevételnek kitett fémek nyúlási határértéke csökken, és így a huzal mechanikai károsodásának veszélye is nagyobb, mint a termokompressziónál. Így az alkalmazható huzalátmérő meghaladja a termokompressziós kötéseknél használatos huzal átmérőjét. Az ultrahangos technológiával összekötött tranzisztorok csökkenő áramerősítést, és nagyobb zárlati áramot mutatnak. Ezek a problémák mind gondot okozhatnak az egyenletesen jó minőség elérésében, és éppen ezért a mikroelektronikában manapság még mindig gyakrabban alkalmazzák a termokompressziós kötést, mint az ultrahangosat. Az ultrahangos kötési mechanizmus A szilárd fázisban történő kötésképződés folyamata három stádiumra osztható. Az első stádium (A) közben a két anyag olyan távolságra közelíti meg egymást, amelynél lehetséges a fizikai kölcsönhatások lefolyása, a van der Waals erők hatékonnyá válása. Ez a folyamat érvényes azonos és hasonló anyagokra is.

6


1. táblázat: Ultrahangos kötéssel egyesíthető fémek

Al Au Be Zr Ag Ge Co Mg Mo Ni Nb Sn Pd Pt Cu Si Ta Ti V Fe W Üveg Al

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

–

+

–

+

Au

+

+

–

–

–

+

+

–

–

–

–

–

–

+

+

+

–

–

–

+

–

+

Be

+

–

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

Zr

+

–

–

+

+

–

–

–

+

–

–

–

–

–

+

+

–

–

–

+

–

–

Ag

+

–

–

+

+

–

–

+

–

–

–

–

+

+

+

–

+

–

–

+

–

–

Ge

+

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

–

–

–

–

Co

+

+

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

+

+

–

–

–

–

–

–

–

Mg

+

–

–

–

+

–

–

+

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

–

–

–

Mo

+

–

–

+

–

–

–

–

+

+

–

–

–

–

+

–

+

+

–

+

+

–

Ni

+

+

–

–

–

–

+

–

+

+

+

–

–

+

+

–

+

+

–

+

–

+

Nb

+

–

–

–

–

–

–

–

–

+

+

–

–

–

–

–

+

–

–

+

–

–

Sn

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

Pd

+

–

–

–

+

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–-

Pt

+

+

–

–

+

+

+

–

–

+

–

–

–

–

+

+

+

–

–

+

–

–

Cu

+

+

–

+

+

–

+

+

+

+

–

–

–

+

+

–

–

+

–

+

+

+

Si

+

+

–

+

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

+

–

–

–

–

–

Ta

+

–

–

–

+

–

–

–

+

+

+

–

–

+

–

+

+

–

–

–

–

–

Ti

+

–

+

–

–

–

–

–

+

+

–

–

–

–

+

–

–

+

–

+

–

–

V

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

Fe

+

+

–

+

+

–

–

–

+

+

+

–

–

+

+

–

–

+

–

–

+

–

W

–

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

+

+

–

Üveg +

+

–

–

–

–

–

–

–

+

–

–

–

–

+

–

– –- –

–

–

–

7


A két összekapcsolni kívánt anyag egyikének a másik anyag felületén bekövetkező deformációja következtében diszlokációk lépnek fel, és ezzel aktiválódik a plasztikusan deformálódott anyag érintkezési felülete. A két anyag érintkezési felületeinek zónájában gyenge kémiai kötések jönnek létre. A második stádiumban (B) megkezdődik a szilárd kötés képződése. Ebben a szakaszban az elektronok közötti kölcsönhatás kvantum-folyamatai játsszák a döntő szerepet. A második stádium lezárását az aktív központok létrejötte jelenti. Az aktív központok szétroncsolják a telített kémiai kötéseket és előkészítik az anyagfelületeket a szilárd fázisban végbemenő kölcsönhatásra. A harmadik stádiumban (C) kölcsönhatás lép fel az összekapcsolni kívánt anyagok között az érintkezési síkban és az érintkezési zónában egyaránt. A rácshibák mellett számos egyéb tényezőnek is befolyása van a kölcsönhatás kinetikájára.

Orthodyne MODEL 20-as ultrahangos mikrohuzalkötő gép A 20-as típusú ultrahangos bondológépet a 103-512 µm átmérőjű alumíniumhuzalok félvezető alkatrészekhez és tokkivezetésekhez történő ultrahangos kötéséhez tervezték. Az összekötendő réteg lehet vékonyréteg, vastagréteg, alumíniumfilm vagy nyomtatott huzalozású lemez. A 20-as típusú mikrohuzalkötő berendezés mikroszkóppal és opcionális forgó töltőgéppel van felszerelve. A minősítése vizuálisan illetve szakítópróbával történhet. Vizuális minőségellenőrzésnél a kötésen esetleges repedések fedezhetők fel, a huzalszakító vizsgálat során pedig a huzal vagy leválik a felszínről, vagy pedig a kötés sarkánál elszakad.

8


ultrahangos gerjesztés (energiabevitel)

ultrahangos gerjesztés (energiabevitel)

4. ábra: Ékes kötés készítése

A gépen be lehet állítani a kötési teljesítményt, illetve a kötési időt külön az első és a második kötésre. A huzalra ható nyomóerő a tárgyasztal magasságával és a kapillárisnak a kötendő felülettől való Z irányú távolságával arányos. Ezek optimális beállítása a huzalmérettől erősen függ, hiszen csak megfelelő értékek mellett érhetők el egyenletesen jó minőségű kötések. Ha a huzalméret változik, a nyomóerőt, a teljesítményt és a kötési időt újra be kell állítani. A gépkönyvben megtalálhatók a különböző huzalméretekhez tartozó kezdeti értékek. Ezek persze csak kiinduló értékek, és később az optimális kötésminőség elérése érdekében módosíthatók. A kötendő felületet egy munkadarab-befogóval lehet a tárgyasztalra szorítani. Az asztalt egy úgynevezett Chessmann-manipulátorral lehet X-Y irányban mozgatni. A kötést egy a manipulátoron lévő gomb megnyomásával lehet létrehozni. A gép a huzalt automatikusan adagolja, de a huzal kötőfejbe való befűzéséhez a bekötőfej házának előlapján található, a vezetékszorító elektromágneses csipeszt nyitó gombot kell használni. Amikor a kötendő felületet a befogóba tesszük, akkor két piros pont mutatja az első, illetve a második kötés helyét. A gép először az első ponton készít kötést, felemelkedik, hurkot hajlít, majd vízszintes irányban a második kötés helye fölé mozog, és ott létrehozza a második kötést. Egy modern ultrahangos huzalkötő gép Ez a modern huzalkötő gép 25-125 µm átmérőtartományba eső alumínium (vagy opcionálisan arany) huzalok ultrahangos kötésének kialakítására alkalmas. Egy kötés elkészítéséhez szükséges idő átlagosan 500 ms (akár 3 huzal/s), a kapillárissal elérhető leggyorsabb mozgást X és Ɵ irányú mozgatással lehet elérni, a kötőfej szögelfordulása a modern gépeken akár 400 ° is lehet; az ultrahangteljesítmény 5W általában.

9


5. ábra: A Delvotec 6319 típusú ultrahangos huzalkötő gép

Ezen túl a huzalkötő gép rendelkezik olyan funkciókkal, amelyek alkalmassá teszik ipari termelésre is: Rendelkezik egy automatikus optikai felismerő rendszerrel. Ez arra szolgál, hogy egy adott chipen beprogramozva a kötési feladatot, az eszköz megtalálja a layouton található összes ugyanolyan chipet, amiken ugyanazt a feladatot már beavatkozás nélkül el tudja végezni. Adott layoutra elkészített kötési programot lemezre menthetjük, ezzel lehetővé válik közepes darabszámú sorozatgyártás is.

A kötésminták tesztelésére alkalmas tanszéki fejlesztésű dinamométer A dinamométer egy nagy pontosságú digitális mérlegből, egy mintadarab befogóból és egy ötletesen megvalósított kiegészítő részből áll. A kiegészítő rész tulajdonképpen egy kétkarú emelő. Az egyik karjához zsineg segítségével horog van felerősítve, a másik karja pedig egy serpenyőt tart.

10


6. ábra: Ultrahangos mikrohuzalkötő berendezés vázlata

A mintát először be kell helyezni a mintadarab befogóba. Ezután a mérleget ki kell tárázni. A haranggörbe alakú kötésmintába bele kell akasztani a horgot. Miután ezzel végeztünk, a másik karra függesztett serpenyőbe vizet kezdünk tölteni. A víz súlya húzza a horgot, a mérlegen negatív súly jelenik meg. A vizet a közlekedőedények működési elvének kihasználásával egy palackból műanyag csövön át töltjük a serpenyőbe. Folyamatosan figyelni kell a mérleg által kijelzett értéket, és fel kell jegyezni azt a súlyértéket, amit a mérleg a kötés felszakadásának pillanatában mutat. A kötésminták tesztelése Dage-gyártmányú, BT22-es típusú Microtester segítségével A BT22-es mikrohuzalszakító berendezés működési elve a következő: a hordozót rögzítjük, majd a hurok alá egy erőmérővel összekötésben levő, a huzalátmérőnek megfelelő méretű kampót akasztunk. Ügyelni kell arra, hogy a mérés megkezdése előtt a szakítószerszám ne érjen a hurokhoz, ne húzza azt. Egy nyomógombbal indítjuk a mérést, a gép a kampó húzásával a huzalhurkot leszakítja, közben méri a húzóerőt. A mérésvezető segítségével végezze el a kötésminták tesztelésének egy részét Dagegyártmányú BT22-es típusú mikroteszterrel. Polimerek ultrahangos hegesztése A műanyag alakos elemek hegesztési eljárásai közül a legrövidebb gyártási idő ultrahang hegesztéssel érhető el, ezért egyre gyakrabban fordul elő. A két munkadarab közötti találkozási felületeken egy körbe futó élet kell kialakítani, amelyben összpontosulhat a rezgési energia, így okozva az adott térrészek pillanatszerű megolvadását és összehegedését, miközben az él eltűnik/kilapul. A 7. ábra ultrahangos hegesztő berendezés elvi vázlatát mutatja.

11


hangátalakító (ultrahang transzducer, azaz rezgés keltő)

szonotróda

hozzákapcsolt felső fúgaelem (munkadarab 1) alsó fúgaelem (munkadarab 2)

varrat

alsó fúgaelem befogó

7. ábra: Ultrahangos műanyag-hegesztő berendezés elvi vázlata

Nagyfrekvenciájú váltóáram (20000-50000 Hz) a hang átalakítóban azonos frekvenciájú mechanikus rezgéseket hoz létre, amelyeket a szükséges nyomással együtt hangelektróda viszi át a hozzá rögzített műanyag elemre. Az illesztési felületen a rezgés okozta súrlódásból és belső gőzből hő fejlődik. Az energia bevitel (hanghatás) általában 1 s-ig tart, a hozzá kapcsolódó mellékidő pedig legtöbbször rövidebb, mint 2 s. Kemény, amorf műanyagokból (pl. PS) készült alakos elemek csekély veszteséggel vezetik az ultrahang-lengéseket a fúgafelületekhez és ott nagyon gyorsan plasztikussá válnak. Hegesztésükhöz kevesebb ultrahang energia szükséges, mint pl. a részben kristályos PP- és POM C-ből készült alakos elemekéhez. Az amorf és a részben kristályos műanyagok eltérő tulajdonsága a hegeszthető alakos elemek méretére is kihat. 3 kW-os névleges teljesítménnyel PS-ből készült elem ultrahanggal közel 300 mm átmérőig, míg PE- PP- és POM C-ből készült alakos elem mintegy 150 mm átmérőig hegeszthető. Nagyobb alakos elemek, pl. személygépkocsi műszerfal hegesztéséhez különleges berendezések készülnek, pl. több egyedi készülék kombinálásával. A fúgaelemek anyag- és hegesztés helyes kialakítása ultrahangos hegesztésnél különösen fontos. A rezgéseket felvevő és továbbító falak elegendően vastagok és merevek kell, hogy legyenek. A felső alakos elemen elegendően nagy síkfelület legyen a hangelektródából jövő ultrahang vezetéséhez. A hang-elektródák mindenképpen a lehetőleg egy síkban elhelyezett fúgafelületek felett kerüljenek rögzítésre. A részben kristályos PE, PP és POM C műanyagok hegesztésekor a fúgafelületek feltétlenül a hangelektróda hatászónájába kerüljenek. A hangelektródától nem lehetnek 6 mm-nél 12


távolabb. A sarok- és éllekerekítések csökkentik a hangátvitel megszakadásának veszélyét és növelik a hegesztett fúgaelemek megbízhatóságát. Fontos, hogy a fúgafelületeket jól központosítsák, nehogy az alakos elemek a hanghatás alatt oldalra kitérjenek: az illesztési játék 0,05-0,1 mm, a központosító elem magassága legalább 1 mm. A 8. ábra néhány bevált fúgaformát, azaz illesztési módot ábrázol.

8. ábra: Illesztési módok (varratformák)

Ezeket úgy alakították ki, hogy a bevezetett ultrahang-energia közvetlenül egy vonalszerű érintkezési zónában (élben) koncentrálódjon. További kialakítási formák leírása található a „Műszaki műanyagok ultrahang hegesztése” (Hoechst AG) című kiadványban.

Optimális hegesztési feltételek előkísérletekkel határozhatók meg, ahol figyelembe kell venni az alábbiakat: Az ultrahang rezgés amplitúdóját az alapanyaggal és a hegesztési feladattal egyeztetni kell. Irányértékek: 25-35 m PS alakos elemeknél (amorf) 35-60 m PE, PP, POM C részben kristályos alakos elemeknél 13


A nyomóerő az energia bevezetést nem akadályozhatja: kis amplitúdó esetén nagyra kell állítani, míg nagy amplitúdónál kisebbre. A hanghatás csak addig működjön, míg a felső alakos elem a megadott benyomódási mélységet el nem érte: általában az 1 s-nál rövidebb hanghatás is elegendő. Rögzítési (hűlési) idő 1 – 2 s-ra választható. Ennek nagysága a hegesztés minőségét kis mértékben befolyásolja.

Az ultrahanggal hegesztett kötések nagy igénybevételt kibírnak, és gázzal, valamint folyadékkal szemben jól tömítenek. Az eljárás különösen alkalmas nagy darabszámú fröccsöntött alakos elemek, pl. öngyújtó tartályok, szeleptestek, kis méretű tartályok és nagy darabszámú műszaki alkatrészek hegesztésére. Fóliák (például az élelmiszeriparban), szövetek (pl. a 70 %-nál nagyobb műszál tartalmú bundák és hurkolt kelmék) hegesztésére is ugyancsak alkalmas az ultrahangos hegesztés. Műanyag lemezek ultrahang ponthegesztéssel rögzíthetők egymáshoz. Az ultrahang alkalmazható szegecselésnél, peremezésnél és fém beültetésnél is. Az ultrahang felhasználása nagyon sokrétű lehet. A nehéz feladatokat gyakran csak a felhasználó, a berendezést gyártó és a műanyagot előállító közös erőfeszítésével tudják megoldani.

A legszéleskörűbben bevethető végleges kötési módszer: A ragasztás Igen fontos tanulsága lesz a laborgyakorlaton elvégzendő feladatoknak, hogy végleges kötések létrehozásakor, és leginkább az ebbe a csoportba tartozó ragasztáskor az egymáshoz kötendő felületekre vonatkozóan tisztasági és felület-minőségi ajánlásokat/előírásokat is figyelembe kell vennünk, és jelentősége van a ragasztó helyes szerkezeti kialakításnak is. A jó ragasztás elérése az anyagok kémiai kompatibilitásának optimalizálásán túl további három dolgon múlik: 1. jó felületi nedvesítés biztosítása, 2. a ragasztó megfelelő kiadagolásának és eloszlatásának biztosítása, (amit a ragasztó viszkozitása jelentősen befolyásol), 3. a ragasztó megkötési idejének kivárása. Általánosságban a ragasztási mechanizmus többféle jelenségen is alapulhat, az alábbi ábrának megfelelően.

14


9. ábra: Ragasztási mechanizmusok (átvéve: [3])

A molekuláris interdiffúzió igen jól működik amorf kristályszerkezetű hőre lágyuló műanyagokban, míg félkristályos műanyagokban kevésbé jó, mert a kristályhatárok gátolják a diffúziót. Nem-poláros hőre lágyuló műanyagokon pl. poliolefineken jelentősen javítható a tapadás előzetes UV, koronakisüléses, plazma vagy lángkezeléssel. Bármely esetben az előkezelések között a tisztítás, zsírtalanítás, felcsiszolás hatásosan javíthatja az tapadást. Az érdesítés jótékony felületnövelő hatása mellett a 9. ábrán bemutatjuk, hogy bizonyos geometriák esetében érdesítéssel elérhető az erős kötés a munkadarabok között olyan esetben is, amikor esetleg nincs is kémiai kötés/tapadás, csak a mechanikai egymásba-záródás (l. 9. ábra bal felső eset).

10. ábra: A felületérdesítés fontossága

A ragasztás előnyei: működhet hőre lágyuló, hőre keményedő és elasztomer műanyagokon, valamint fémeken is egyenletesen oszlik el a mechanikai terhelés (szemben pl. a csavarozással, szegecseléssel) 15


a darabok hőtágulási együtthatói közötti különbségek kompenzálhatóak vastagabb ragasztóréteg bevetésével esztétikus megoldás (nem kell elrejteni, eldolgozni, mint pl. a hegesztési varratokat) alacsony költségigényű összeszerelési folyamatokat tesz lehetővé alacsony súly (nincsenek relatíve nehéz fém csavarok, csapok) hőhatásra érzékeny darabok is köthetők (ellentétben a hegesztéssel, forrasztással) jó tömítő- és szigetelőképesség A ragasztás lehetséges hátrányai a hosszú távú anyagviselkedés előnytelen lehet mechanikai stressz okozta repedések és törések előfordulhatnak egymástól jelentősen eltérő tulajdonságú anyagokat csak akkor lehet így kötni, ha mindkettővel kompatibilis a ragasztó a reprodukálhatóság / folyamatellenőrzés nagy kihívás a kötési idő esetenként túl hosszú lehet nem oldható / bontható a kötés az összeszerelési folyamat kockázatokat rejthet (toxicitás, tűzveszély) [3]

A mérés menete 1.

Az ultrahangos huzalkötő gép megismerése mérésvezetői segédlettel.

2.

Kötésminták készítése nyomtatott huzalozású tesztlemezekre (2-3 db kötés/hallgató)

3.

Huzalkötési és vezető ragasztó minták vizsgálata optikai mikroszkóppal (Olympus SZX9)

4.

4-vezetékes elrendezésben kontaktellenállás mérése a mintákon

5. Szakítási próba elvégzése, az eredmények kiértékelése, értelmezése személyenkénti jegyzőkönyvben 6.

Ragasztási feladatok a. Próbatestek kiosztása (1 db előmunkált polikarbonát test, 1 db fólialemez v. 1 db üveglemez, 6 db fóliacsík) b.

A hallgatók beosztása az alábbi ragasztási mátrix segítségével 16

Fizikai, kémiai és nanotechnológiák labor 2. táblázat: Hallgatók táblázatos beosztása a ragasztási feladathoz

Hallgató sorszáma

1 2 3 4 5 6

Munkadarab

A B A B A B A B A B A B

Ragasztók UV ragasztó x x

Felületelőkészítések

2 komponensű epoxi ragasztó

pillanatragasztó

x x x x x x x x x x

érdesít nem érdesít érdesít nem érdesít érdesít nem érdesít érdesít nem érdesít érdesít nem érdesít érdesít nem érdesít

zsírtalanít alkohollal zsírtalanít alkohollal nem zsírtalanít nem zsírtalanít zsírtalanít alkohollal zsírtalanít alkohollal nem zsírtalanít nem zsírtalanít zsírtalanít alkohollal zsírtalanít alkohollal nem zsírtalanít nem zsírtalanít

c. Mérési jegyzőkönyvezés alapelveinek megbeszélése d. Biztonsági szabályok megbeszélése és tevékenységbemutatás a mérésvezető által e. Fúrás, reszelés, ragasztás a mérésvezető felügyelete mellett f. Funkcionális tesztelés digitális képrögzítéssel támogatva g. Tapadásminősítő tesztelés lefejtési próbákkal 7. Oldható elektromos kötések (élcsatlakozó / rugós hegyű tűérintkező / rugózó lapérintkező) és fém vékonyréteg kompatibilitásának gyakorlati megismerése 8.

Mérési jegyzőkönyvek áttekintése és közös kiértékelése

Ellenőrző kérdések

1.

Csoportosítsa a kötéstechnológiákat, kötési megoldásokat több féle szempontból!

2.

Mi az adhézió, mi a kohézió, és hogyan függenek össze a nedvesítési peremszöggel?

3.

Rajzolja le az ékes mikrohuzalkötés lépéseit vázlatosan!

17


4. Rajzolja le az ultrahang hegesztő berendezés és a bele helyezett összekötendő munkadarabok elvi vázlatát! 5.

Írja le egy tipikus elektronikai-mikrofluidikai eszköz rétegrendjét!

6.

Sorolja fel a ragasztás fontosabb előnyeit és hátrányait!

7.

Mely tényezőktől befolyásolják markánsan egy ragasztás minőségét?

8. Ismertesse röviden, mely tényezők befolyásolják a tervezőt elsősorban egy kötéstechnológia megválasztásában?

Ajánlott irodalom -

Hivatkozások listája [1] Dr. Gáti József - Dr. Kovács Mihály: Kötéstechnológia, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1999 [2]http://chemwiki.ucdavis.edu/Physical_Chemistry/Physical_Properties_of_Matter/Intermolecular_F orces/Cohesive_And_Adhesive_Forces (utolsó elérés 2012. 10. 05.) [3] http://www.dsm.com/en_US/html/dep/adhesive_bonding.htm (elérés 2010. 10. 15-én)

18

KÖTÉSTECHNOLÓGIA: Mikrohuzalkötések, ragasztások, oldható kötések

Recommend Documents