Como as placas de aquecimento são usadas na laminação de capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs)?

Centenas de camadas ultrafinas de cerâmica e níquel constituem minúsculos capacitores dentro de cada smartphone. Uma prensa de laminação com uma placa aquecida de planicidade e limpeza incomuns é necessária para unir essas camadas em um bloco sólido. Apenas uma partícula de poeira pode destruir um lote inteiro. Na produção em massa de capacitores cerâmicos multicamadas (MLCCs), a placa de aquecimento é mais do que uma fonte de calor; é um instrumento preciso que determina a confiabilidade dos componentes, a densidade da capacitância e o rendimento de fabricação.

Procedimento de laminação MLCC
O MLCC é feito de camadas alternadas de eletrodos dielétricos cerâmicos e metálicos internos (geralmente níquel ou cobre). Primeiro, essas camadas são feitas como fitas cerâmicas flexíveis “verdes”. As fitas são impressas em tela com os eletrodos. Essas fitas impressas são empilhadas, dezenas ou centenas delas, alinhadas e depois laminadas sob calor e pressão em um bloco monolítico sólido. O bloco é então dividido em chips capacitores individuais. Depois disso, ocorre a desligação (remoção de ligantes), sinterização e terminação.

O processo de laminação é muito importante. A pilha deve estar livre de cavidades, delaminação ou alterações de espessura. A pressão ou temperatura irregular pode causar a deformação das camadas cerâmicas, o deslocamento dos eletrodos ou o sistema de aglutinante fluir de maneira desigual, e esses fatores podem levar a falhas elétricas no capacitor acabado. A placa de aquecimento fornece calor homogêneo e de alta pressão que une essas camadas em uma estrutura coerente.

Placa de aquecimento: por que é uma peça de precisão
Conjunto de placa de aquecimento para laminação MLCC O conjunto de laminação MLCC geralmente consiste em duas placas aquecidas (superior e inferior) em uma prensa hidráulica ou mecânica. A pilha de fita cerâmica é inserida entre as placas. A pressão exercida pela prensa é controlada, geralmente na faixa de 50–200 kg/cm², e as placas são aquecidas a uma temperatura de 60–100 graus. A temperatura amena amolece o aglutinante polimérico da fita cerâmica, permitindo que as camadas se unam sob pressão sem derreter os eletrodos.

Os requisitos da placa de aquecimento são difíceis:

Planicidade – A superfície da área de trabalho deve ter um Total Indicado Runout (TIR) ​​de geralmente<0.010 mm (10 microns) across the entire platen area and often as tight as 0.005 mm for high-layer-count MLCCs. The deviation is transferred directly onto the laminated stack, resulting in changes in thickness and therefore in capacitance.

Uniformidade de temperatura - A temperatura em toda a superfície da placa deve ser mantida dentro de ±1 grau do ponto especificado. Rugas ou delaminações resultam do fluxo desigual do ligante causado por regiões quentes ou frias. Para placas de grande formato (por exemplo, . 200 mm × 200 mm) pode ser possível a utilização de diversas zonas de aquecimento controláveis ​​individualmente.

Limpeza e dureza da superfície - A superfície da placa geralmente é de aço para ferramentas cromado duro ou aço inoxidável polido com revestimento antiaderente (por exemplo, PTFE ou carbono tipo diamante). Deve estar livre de partículas, pois qualquer contaminante se incorporará na cerâmica verde macia e criará uma falha que sobreviverá à sinterização e produzirá curto-circuitos ou vazamentos.

Resistência ao desgaste - As mesmas placas são usadas por milhões de ciclos. A superfície deverá resistir a arranhões causados ​​por pedaços de bordas cerâmicas e deverá permanecer dentro da especificação de planicidade durante anos de serviço.

Projeto de placa de aquecimento para material de laminação MLCC e construção
A maioria das placas de laminação MLCC são usinadas em aço para ferramentas endurecido (por exemplo, AISI D2 ou O1) ou em aço inoxidável (por exemplo, . 420 ou 440 C). O aço é aliviado de tensão, usinado em desbaste, tratado termicamente até a dureza máxima (geralmente 55–60 HRC) e depois afiado com precisão e lapidado até o nivelamento final. Embutidos no corpo da placa estão aquecedores de cartucho ou elementos de aquecimento fundidos, geralmente dispostos em um padrão para minimizar as diferenças de temperatura. O controle de circuito fechado-requer termopares em vários locais, geralmente 9 ou mais.

Canais de vácuo e filme de liberação
Muitas prensas de laminação MLCC possuem um canal de vácuo na placa inferior conectado a uma fonte de vácuo. Essas ranhuras mantêm a camada inferior da pilha de cerâmica no lugar para que ela não se desloque quando a prensa for fechada. Um filme de liberação poroso (por exemplo, poliéster revestido com PTFE) é inserido entre o cilindro e a pilha para evitar aderência e distribuir a pressão uniformemente. O filme de liberação é trocado periodicamente para mantê-lo limpo.

Procedimentos de sala limpa
A laminação MLCC é feita em ambiente de sala limpa (geralmente Classe 10.000 ou superior). Os operadores usam jalecos e luvas. Antes de cada produção, as placas de aquecimento são limpas com solvente e lenços sem fiapos. Testes regulares de perfilometria demonstram que o acabamento superficial (Ra) é mantido abaixo de 0,4 µm e não foram formados arranhões ou cavidades.

Uniformidade de temperatura e taxas de rampa Por que é importante
No universo MLCC, a placa de aquecimento é a bigorna na qual o desempenho é determinado. No aspecto térmico da laminação, existem dois fatores principais:

Uniformidade de temperatura - Uma especificação de ±1 grau em toda a área de trabalho é típica para fabricação de MLCC de grande volume. Para isso, a arquitetura dos elementos de aquecimento deve ser cuidadosamente projetada, possivelmente com aquecedores de borda separados para mitigar a perda de calor para a estrutura da prensa. Algumas placas sofisticadas usam aquecimento de canal-de fluido (óleo ou água) para melhor uniformidade, mas aquecedores de cartucho com controle de zona PID são mais predominantes.

Controle de taxa de rampa - Os aglutinantes orgânicos nas fitas cerâmicas devem amolecer suavemente. Aumentar a temperatura muito cedo pode fazer com que os ligantes liberem gases vigorosamente ou fluam de maneira desigual, criando vazios. Portanto, a placa de aquecimento é projetada com uma taxa de rampa cuidadosamente regulada – normalmente de 2 a 5 graus/minuto – e uma imersão no ponto de ajuste por 5 a 20 minutos. A placa é resfriada progressivamente após a laminação para evitar choque térmico.

Nota do Processo: Taxas de rampa lentas e consistentes são de extrema importância. O aquecimento rápido gera diferentes expansões térmicas das camadas de eletrodos cerâmicos e metálicos, o que resulta em tensões internas. Estas apresentam-se como fissuras ou delaminação após a sinterização. Placa de aquecimento com rampa programável que é bem{3}controlada para produzir alto-rendimento.

Impacto na qualidade e rendimento do MLCC
A placa de aquecimento afeta diretamente três importantes parâmetros de desempenho do MLCC:

Tolerância de capacitância – O espaço entre os eletrodos (espessura dielétrica) é definido pela espessura da fita cerâmica após a laminação. Uma placa não-plana causa uma espessura não-uniforme do capacitor, portanto a capacitância varia de chip para chip.

Suporta tensão e corrente de fuga - Vazios ou delaminações na pilha laminada são áreas fracas que quebram sob tensão. Toda a interface é uniformemente aquecida e pressurizada para garantir a fusão completa do ligante.

Resistência mecânica - A má laminação pode fazer com que MLCCs frágeis se quebrem durante a montagem-e{2}}de colocação ou durante o ciclo térmico no campo. Uma pilha bem colada requer temperatura precisa da placa e fornecimento de pressão.

Na fabricação de alto-volume (milhões de capacitores por dia), uma melhoria de 0,1% nas falhas relacionadas à laminação-corresponde a milhares de dólares economizados e menos falhas em campo.

Placas de Aquecimento: Manutenção e Qualificação
Os fabricantes de MLCC geralmente qualificam novas placas de aquecimento em um laminador dedicado. A execução do teste é feita usando pilhas instrumentadas (com termopares incorporados e filme sensível à pressão). O bloco laminado recortado é avaliado sob um microscópio quanto à uniformidade das camadas e integridade das interfaces. Somente placas que passam nos testes TIR e de uniformidade de temperatura são aceitas

A manutenção de rotina inclui:

Verificação mensal de planicidade utilizando um relógio comparador em uma placa de superfície.

Matriz de termopar portátil para mapeamento semanal de temperatura

Limpe diariamente com álcool isopropílico e verifique se há arranhões na superfície.

Substitua os aquecedores de cartucho a cada 5.000 a 10.000 horas de operação. Aquecedores antigos podem gerar manchas quentes.

When a platen is out of flatness spec (say TIR >0,015 mm), é enviado para recapeamento-retificação e lapidação para<0.010 mm. The platen can be surfaced a number of times until it is too thin.

Outras opções e novos métodos
O principal processo de laminação MLCC são placas de metal aquecidas, enquanto alguns fornecedores buscam a laminação isostática. Com este processo a pilha é colocada em uma membrana flexível e triturada por fluido pressurizado (óleo ou gás) aquecido por aquecedores externos. Isso fornece uma pressão exatamente uniforme, mas é mais lento e complexo. As placas aquecidas ainda são o padrão da indústria para produção de médio a grande volume devido aos seus tempos de ciclo mais rápidos e à construção mecânica mais simples.

Outra tendência é a utilização de placas revestidas de cerâmica (por exemplo, nitreto de alumínio ou silicato) para melhor resistência ao desgaste e facilidade de limpeza. Mas eles são mais frágeis e caros.

Resumo: Macro-Precisão em Microeletrônica
A placa de aquecimento comum é uma peça de precisão importante na produção em massa do MLCC. Sua planicidade e uniformidade térmica afetam diretamente o rendimento e a confiabilidade do capacitor. Você precisa de planicidade medida em mícrons e homogeneidade de temperatura de ±1 grau em toda a placa-não como opções, mas como necessário para unir centenas de camadas frágeis em um chip monolítico. As placas de aquecimento para laminação MLCC são cuidadosamente projetadas, fabricadas e mantidas, o que é um bom exemplo de como a microeletrônica depende de ferramentas de macro{5}}precisão. O parceiro silencioso de todo bom capacitor usado nos equipamentos eletrônicos atuais é uma placa limpa, plana e aquecida uniformemente.