Le but fondamental de l'incorporation de matériaux sacrificiels dans les substrats de céramique frittée à basse température (LTCC) est de fournir un support structurel interne pendant le processus de stratification. Étant donné que les couches de céramique (rubans verts) sont souples et sujettes au fluage plastique sous l'effet de la chaleur et de la pression, ces matériaux remplissent les vides internes des microcanaux pour résister à la déformation. Cela garantit que les structures creuses ne s'effondrent pas, maintenant ainsi la précision dimensionnelle du produit final.
Le processus de stratification soumet les couches de céramique molles à une pression externe importante qui écraserait naturellement les caractéristiques internes creuses. Les matériaux sacrificiels servent de noyau solide temporaire, résistant à cette pression pour préserver la géométrie précise des microcanaux jusqu'à ce que la structure soit fixée.
La mécanique de la préservation structurelle
Contrer le fluage plastique
Pendant la fabrication, les substrats LTCC sont composés de "rubans verts" - des feuilles de céramique non cuites qui sont molles et malléables.
Lorsqu'ils sont soumis aux températures et pressions élevées requises pour la stratification, ces rubans présentent un fluage plastique. Sans intervention, le matériau céramique s'écoulerait naturellement dans les espaces vides, scellant ainsi les canaux prévus.
Résister à la pression externe
La stratification applique une pression isostatique externe à l'ensemble de la pile de substrats pour lier les couches entre elles.
Le matériau sacrificiel incorporé occupe le volume interne spécifique des structures 3D, telles que les microcanaux et les chambres. En remplissant cet espace, il fournit la résistance interne nécessaire pour contrebalancer la pression externe.
Assurer l'intégrité de la forme
Le matériau agit comme un échafaudage ou un moule temporaire à l'intérieur du substrat.
Il empêche les parois des microcanaux de se courber ou de s'effondrer vers l'intérieur. Cela permet la fabrication de géométries internes complexes qui seraient autrement impossibles à fabriquer en utilisant des techniques de stratification standard.
La conséquence de l'omission
Effondrement structurel
Le risque le plus immédiat de procéder sans matériaux sacrificiels est la défaillance totale de la microstructure.
Le matériau de référence indique que sans ce support interne, la pression est suffisante pour provoquer un effondrement structurel. Les vides destinés à transporter des fluides ou des gaz seraient écrasés par les couches de céramique environnantes.
Précision dimensionnelle compromise
Même si le canal ne se ferme pas complètement, le manque de support entraîne une distorsion sévère.
La précision dimensionnelle des canaux à l'échelle microscopique est essentielle à leur performance. Les matériaux sacrificiels garantissent que la section transversale et la forme définies lors de la phase de conception sont conservées dans la pièce fabriquée finale.
Stratégie d'application pour la fabrication
Pour assurer la création réussie de micro-structures LTCC, considérez ce qui suit en fonction de vos objectifs d'ingénierie spécifiques :
- Si votre objectif principal est la complexité géométrique : Comptez sur les matériaux sacrificiels pour remplir le volume entier des chambres 3D, permettant la formation de formes internes complexes qui résistent à la pression de stratification.
- Si votre objectif principal est la précision dimensionnelle : Utilisez ces matériaux pour définir strictement les limites des canaux, empêchant le fluage plastique de modifier la largeur et la hauteur spécifiques des microcanaux.
En agissant comme un contrepoids interne précis aux forces de stratification, les matériaux sacrificiels sont le composant essentiel pour préserver la fidélité des conceptions céramiques à l'échelle microscopique.
Tableau récapitulatif :
| Caractéristique | Fonction du matériau sacrificiel | Avantage pour le substrat LTCC |
|---|---|---|
| Fluage plastique | Contrecarre la migration du matériau dans les vides | Empêche le scellement des canaux internes |
| Pression externe | Fournit une résistance interne à la force isostatique | Empêche l'effondrement structurel total |
| Précision dimensionnelle | Maintient une géométrie transversale précise | Assure des conceptions à l'échelle microscopique de haute fidélité |
| Complexité géométrique | Agit comme un échafaudage solide temporaire | Permet des chambres 3D et des formes complexes |
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Références
- Liyu Li, Zhaohua Wu. Effect of lamination parameters on deformation energy of LTCC substrate based on Finite element analysis. DOI: 10.2991/isrme-15.2015.317
Cet article est également basé sur des informations techniques de Kintek Press Base de Connaissances .
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