Оценка погрешности совмещения элементов проводящего рисунка печатных плат, полученных с помощью 3D-печати

Введение. При изготовлении печатных плат (ПП), в том числе их макетов, одной из важных задач является обеспечение совмещения одних слоев проводящего рисунка с другими. Если для применяемых на сегодняшний день (стандартных) технологий изготовления величины рассовмещений, причины их возникновения и меры предотвращения их возникновения известны, то для ПП, изготовленных методами 3D-печати, подобные исследования прежде не проводились. В дополнение к этому актуальной темой для 3D-печати, непосредственно связанной с топологической точностью, а именно одной из ее составляющих - погрешностью совмещения, является обеспечение возможности извлечения напечатанной части изделия во время печати для проведения определенных операций, например внутреннего монтажа компонентов, и ее последующий возврат для продолжения печати.

Цель работы. Количественная оценка и анализ причин возникновения погрешности межслойного совмещения ПП, изготовленных с помощью 3D-печати.

Материалы и методы. Для исследования используются: материал - полиэтилентерефталат-гликоль (PETg); слайсер - Ultimaker Cura; 3D-принтер - Ender 3 S1; латунное экструзионное сопло диаметром 0.3 мм. Исследование проводится на производственной базе Научно-образовательного центра "Центр аддитивных технологий" при МГТУ им. Н.Э. Баумана. Оценка погрешности совмещения выполняется по микрошлифам, результатам рентгеновского контроля и использования подхода к декомпозиции погрешностей, описанного Ю.Б. Цветковым для изделий электроники.

Результаты. Показана возможность изготовления макетов ПП с тремя проводящими слоями, в том числе с возможностью извлечения напечатанной части изделия с последующим возвратом за счет ее совмещения по напечатанным штифтам. Выявлено, что наибольший вклад в погрешность совмещения вносят масштабные искажения: в среднем около 150 мкм для каждого слоя в сравнении с его 3D-моделью и около 60 мкм при сравнении топологий слоев Тор с Bottom, что превышает общее значение рассовмещения между двумя слоями в ±50 мкм, характерное для штифтовой технологии совмещения, и говорит о необходимости контроля и минимизации возникающих температурных воздействий, например, с использованием термостатируемой рабочей камеры 3D-принтера.

Заключение. Анализ возможных причин возникновения рассовмещений показывает значимость влияния температурных градиентов, возникающих во время 3D-печати. Предложенный способ изготовления позволяет извлечь изделие во время печати с последующим возвратом и может быть использован для создания макетов ПП с двумя и более проводящими слоями независимо от применяемого метода 3D-печати.

1. Смирнова О. Н., Боброва Ю. С., Моисеев К. М. Методы 3D-печати для изготовления печатных плат // Электроника: наука, технология, бизнес. 2022. № 8. С. 128-134. doi: 10.22184/1992-4178.2022.219.8.128.136

2. Walpuski B., Sloma M. Accelerated Testing and Reliability of FDM-Based Structural Electronics // Applied sciences. 2022. № 12. 8 p. doi: 10.3390/app12031110

3. Application of 3D Printing for smart objects with embedded electronic sensors and systems / H. Ota, S. Emaminejad, Y. Gao, A. Zhao, E. Wu, S. Challa, K. Chen, H. M. Fahad, A. K. Jha, D. Kiriya, W. Gao, H. Shiraki, K. Morioka, A. R. Ferguson, K. E. Healy, R. W. Davis, A. Javey // Advanced Materials Technologies. 2016. Vol. 1. 22 p. doi: 10.1002/admt.201600013

4. Alsharari M., Chen B., Shu W. 3D Printing of Highly Stretchable and Sensitive Strain Sensors Using Graphene Based Composites // Proceedings. 2018. № 2, iss. 13. 4 p. doi: 10.3390/proceedings2130792

5. Брошюра Ender 3 S1. URL: https://www.creality.com/products/creality-ender-3-s1-3d-printer?parent-baobab-id=lrajvagadw (дата обращения: 12.01.2024).

6. ГОСТ Р 53429-2009. Платы печатные. Основные параметры конструкции. М.: Стандартинформ, 2018. 11 с.

7. Оценка размерных показателей элементов проводящего рисунка печатных плат, полученных с помощью ВЭ-печати / О. Н. Смирнова, А. А. Александров, Ю. С. Боброва, К. М. Моисеев // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2023. Т. 26, № 4. С. 81¬94. doi: 10.32603/1993-8985-2023-26-4-81-94

8. Fabrication of conductive paths on a fused depo-sition modeling substrate using inkjet deposition / W. Zhou, F. A. List, C. E. Duty, S. S. Babu // Rapid Prototyping Journal. 2016. Vol. 22, iss. 1. P. 77-86. doi: 10.1108/RPJ-05-2014-0070

9. 3D printed capacitive sensors / C. Shemelya, F. Cedillos, E. Aguilera, E. Maestas, J. Ramos, D. Espalin, D. Muse, R. Wicker, E. MacDonald // IEEE Sensors, Baltimore, USA, 03-06 Nov. 2013. IEEE, 2013. 4 p. doi: 10.1109/ICSENS.2013.6688247

10. Пахнин А. Формирование структуры сложных многослойных печатных плат // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. 2011. № 2. С. 32-39.

11. Семенов П. В., Цветков Ю. Б. Анализ точности базирования при совмещении слоев многослойных печатных плат // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2010. № 11. С. 34-40.

12. ГОСТ IEC 61189-3-2013 Методы испытаний электрических материалов, печатных плат и других структур межсоединений и печатных узлов. Ч. 3: Методы испытаний материалов для структур межсоединений (печатных плат). М.: Стандартинформ, 2015. 82 с.

13. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство / пер. с англ. под ред. И. В. Шишковского. М.: Техносфера, 2020. 648 с.

14. Цветков Ю. Б. Анализ совмещаемости слоев в производстве изделий микросистемной техники // Микросистемная техника. 2004. № 8. С. 33-38.

15. Ramian J., Ramian J., Dziob D. Thermal De-formations of Thermoplast during 3D Printing: Warping in the Case of ABS // Materials. 2021. № 14. 18 p. doi: 10.3390/mal4227070

16. Zgryza L., Raczynska A., Pasnikowska-Lukaszuk M. Thermovisual measurements of 3D printing of ABS and PLA filaments // Advances in Science and Technology - Research Journal. 2018. Vol. 12 (3). P. 266-271. doi: 10.12913/22998624/94325

17. Schmutzler C., Zimmermann A., Zaeh M. F. Compensating warpage of 3D printed parts using free-form deformation // Procedia CIRP. 2016. Vol. 41. P. 1017-1022. doi: 10.1016/j.procir.2015.12.078

18. Thermal analysis of additive manufacturing of large-scale thermoplastic polymer composites / B. G. Compton, B. K. Post, C. E. Duty, L. Love, V. Kunc // Additive Manufacturing, 2017. Vol. 17. P. 77-86. doi: 10.1016/j.addma.2017.07.006

19. Thermal Analysis of Fused Deposition Modeling Process Based Finite Element Method: Simulation and Parametric Study / K. Khanafer, A. AI-Masri, I. Deiab, K. Vafai // Numerical Meat Transfer, Part A: Applications. 2022. Vol. 81. P. 94-118. doi: 10.1080/10407782.2022.2038972