Experimental investigation of laser parameters in molded interconnect devices manufacturing via laser direct structuring
Lazerle doğrudan yapılandırma yoluyla kalıplanmış ara bağlantı cihazlarının üretiminde lazer parametrelerinin deneysel incelenmesi
- Tez No: 894332
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMRECAN SÖYLEMEZ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Malzeme ve İmalat Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 138
Özet
Günümüz teknolojisinde, ürünler giderek küçülmekte ancak daha karmaşık yapıları ve daha fazla işlevi beraberinde getirmektedir. Örneğin taşınabilir tıbbi sistemler; çok işlevli direksiyon simitleri ve mobil telefonlar, sınırlı tasarım alanında birçok elektronik bileşen içerirler. Konvansiyonel baskılı devre kartlarının (PCB) üçüncü boyutu kullanamama dezavantajı nedeniyle beklentileri karşılaması zor olabilir. Üç boyutlu parça tasarımları için, kalıplanmış ara bağlantı cihazları (MID), geleneksel devre kartı tasarımına alternatif bir üretim yöntemi olarak ortaya çıkmaktadır. Kalıplı bağlantılı cihazları, elektronik devreler olarak iletken yolları olan plastik enjeksiyonla üretilmiş parçalardır. Sonuç olarak, MIDler, mekanik ve elektriksel işlevleri tek bir parçada birleştirirler. Kompakt ve esnek tasarım kapasiteleri nedeniyle, MID teknolojileri sağlık, otomotiv, iletişim, endüstriyel otomasyon, askeri ve havacılık gibi çeşitli endüstrilerde kullanılmaktadır. MID üretimi için çift enjeksiyon kalıplama, sıcak damgalama, aerosol jet baskı, film ekleme ve lazerle doğrudan yapılandırma gibi çeşitli yöntemler kullanılabilmektedir. Günümüzde bunlardan en yaygın olanı lazerle doğrudan yapılandırmadır. Lazerle doğrudan yapılandırma, malzemenin üretilmesi, lazerle yapılandırma ve metalizasyon olmak üzere üç ana adımdan oluşur. Bunlardan ilki polimer malzemenin istenilen şekilde ve boyutlarda üretilmesidir. Polimer malzeme içerisinde lazerle aktive olmayı sağlayan özel paladyum, bakır gibi metal eklentiler barındırır. Markette neredeyse istenilen her polimerin LDS katkılısı bulunmaktadır. Örnek olarak akrinonitril butadiyen sitren (ABS) ve polikarbonat (PC), düşük sıcaklık performans özellikleri nedeniyle lehimleme olmayan uygulamalar için kullanılmaktadır. Bu iyi ve düşük maliyetli malzemeler, başka bir montajla mekanik olarak bağlantı kurmak için sıklıkla tercih edilirler. Polisülfon (PSU) ve karışımları, ısı direnci, boyutsal kararlılık ve mekanik özellikleri nedeniyle en çok tercih edilen mühendislik malzemelerinden biridir. Yüksek performanslı plastikler, polieter sulfon (PES), polieterimid (PEI), poliftalamid (PPA), ve polietereterketon (PEEK) yüksek termal gereksinimli işlemler için kullanılmaktadır. Örneklerden de anlaşılabileceği gibi malzeme seçerken ihtiyacın ne olduğu önceden tespit edilmelidir. MID parçaları plastik enjeksiyonla üretilebileceği gibi eklemeli imalat yöntemleriyle de üretilebilmektedir. Özellikle az sayılı prototip üretimlerde polimer eklemeli imalat kullanmak hem zamandan hem de maliyet açısından efektif olmaktadır. Daha sonraki adım ise lazer ile yapılandırmadır. Lazerle doğrudan yapılandırma, çeşitli lazer tipleri kullanılarak, lazer ışıması tarafından ablasyon ve nükleasyon prensibine dayanmaktadır. Lazer ile malzeme yüzeyine ablasyon yapılır ve bu sayede lazer ışınları yüzeyden polimer malzemeyi eriterek ve buharlaştırarak metal kaplama için gerekli katkıyı aktive eder. Bu, mikroskobik olarak pürüzlü bir yüzey oluşturur. Bu yüzey, lazer tarafından üretilen mikro kavitelerde gömülü olan katalitik olarak aktif çekirdeklerden oluşur. Bu küçük çukurlar, plastik ve metal kaplama arasında ek bir ablasyon işlemi olmadan iyi bir bağlantı oluşturur. Son aşama ise metalizasyondur. Lazer ile aktive edilen bölgeler akımsız bakır kaplama ile seçici şekilde kaplanır. Bakır kaplama sonrası nikel ve altın kaplama da kullanılacağı yere göre son işlem olarak uygulanabilir. Lazerin, üretimi etkileyen birçok parametresi bulunduğundan, bu parametrelerin polimer yüzeyindeki etkilerinin araştırılması gerekmektedir. Sanayi standartlarından ve bilimsel araştırmalardan elde edilen bilgiler, MID-LDS ürünlerinin boyutsal hassasiyeti, kalitesi ve güvenilirliği üzerindeki LDS süreci parametrelerinin etkisini tam olarak kapsamamaktadır. Ayrıca LDS süreci ve parametreleri arasındaki ilişki tam olarak açık değildir. Polimer türü ve içerisindeki katkıya göre lazerin, malzeme üzerindeki etkisi değişebilmektedir. Literatürde bu etkileri inceleyen çeşitli çalışmalar yapılmıştır. Bunların bir kısmı LDS parametreleri, kaplama kalitesi, LDS prototipleme ve kullanılan yöntemlerken; bir kısmı da LDS polimerlerin piyasa polimerlerine göre pahalılığı sebebiyle buna ek olarak geliştirilen yöntemlerdir. Bu çalışmada iki farklı polimer ve üretim yöntemi kullanarak 2 boyutta lazer polimer ilişkisi incelenmiş, lazerin tüm parametrelerinin polimerler üzerindeki etkisi ortaya konmuş ve kaplama kalitesinin iyileştirilmesi için seçilmesi gereken parametreler belirlenmiştir. Çalışma poliftalamid (PPA) ve polikarbonat (PC) malzemeler üzerinden gerçeklemiştir. PPA numuneler plastik enjeksiyonla, PC numuneler ise eriyik yığma modelleme (FFF) ile üretilmiştir. Daha sonrasında parçalara karakterizasyon yapabilmek için gerekli şekiller belirlenmiş, bu şekiller fiber lazer kullanılarak yapılandırılmış ve akımsız bakır kaplama ile kaplanmıştır. Numunelerin karakterize edilmesi için metalizasyon öncesi yüzey pürüzlülüğü, Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve tek yönlü lazer ışık taramasının genişliği; metalizasyon sonrasında ise kaplama kalınlığı, tabaka direnci her bir parametre değeri için ölçülmüştür. Metalizasyon öncesi ve sonrası optik mikroskop ve 3D profilometre ile numunelerin görüntüleri alınmıştır. Yapılan karakterizasyon çalışmaları sonucunda her iki polimer için de lazer gücünün artması ile tek yönlü lazer ışını taraması iz genişliği artarken, lazer tarama hızının ve frekansının artması negatif etki göstermektedir. Genişlik lazer akısı arttıkça artmakta ancak aynı akı değerinde, düşük hızlarda daha yüksek değerlere ulaşmaktadır. Lazer enerji yoğunluğu (doz) artışı da iz genişliğini arttırırken düşük frekanslarda etkisi daha fazladır. Ortalama yüzey pürüzlülüğü (Ra) PPA numunelerde iz genişliği arttıkça artarken; PC numunelerde iz genişliğin artmasıyla 40 µm'a kadar artıp sonra azalma eğilimdedir. PPA numunelerde genişlik aynı parametre değerlerinde PC numunelere göre daha fazla ölçülmüştür. Lazerin yüzeyde oluşturduğu çukur derinliği lazer günün artmasıyla artarken, frekans artmasıyla azalmaktadır. FTIR sonuçlarına göre numuneler tipik PPA ve PC tepe noktalarını gösterirken ikisinde de yaklaşık 1720 cm-1 bandında bulunan yeni tepe yanma sebebiyle oluşan yeni bağı göstermektedir. Malzemelerin kaplama kalınlıklarında genel olarak lazer gücü artışı ile artış gözlemlenirken; frekans artışıyla azalma gözlemlenmiştir. Lazer hızı düşük güç değerlerinde kaplama kalınlığında azalmaya sebep olurken; yüksek güç değerlerinde tam tersi etki yaparak artışa sebep olmaktadır. Tek yönlü lazer ışını taraması genişliğindeki artış kaplama kalınlığı ile arttığı ancak PPA için 60 µm, PC için ise 40 µm genişlik değerinden sonra negatif etkiye sahip olduğu gözlemlenmiştir. İz genişliğinin (v/f) oranıyla ilişkisi tespit edilmiştir. Oranın artması iz genişliğinde azalmaya sebep olurken PPA için bu oran 1 ile; PC için ise 0.6 ile 2 arasındayken maksimum kalınlıklara ulaşıldığı gözlemlenmiştir. Optik inceleme sonucunda PPA örneklerde özellikle 40 kHz'de metalize bölgede saçılmalar görülmüştür. Bu saçılmalar frekans artışı ile düzeltilebildiği gözlemlenmiştir. PC numunelerde saçılmalar daha düşük oranda, yüksek frekans ve lazer güçlerinde görülmüştür. Tabaka özdirenci değerleri iki numune için de referans olarak saf bakır kullanılarak ölçülmüştür. PPA'da ölçülen tabaka özdirenç değerleri PC numunelerde ölçülenlerden daha düşüktür. Bunun dışında PPA numunelerde 1.8 µm; PC numuneler ise 2.5 µm metalizasyon kalınlığına ulaştıktan sonra tabaka özdirenç değerleri istenilen aralıklarda ölçülmüştür. Daha düşük kalınlıklarda tabaka özdirenç değerleri yüksektir. Etkilerin daha iyi gözlenebilmesi için son olarak belirli ölçülerde iletken devreler yapılmış ve istenilen ölçülere göre sapmaları hesaplanmıştır. Bunun sonucunda PPA malzeme minimum sapma ve istenilen kaplama kalitesine 5 W 40 kHz 2000 mm/s'de ulaşırken; PC 7 W 40 kHz 1000 mm/s'de ulaşmıştır. Çalışma neticesinde bulunan saptamalar ve parametreler kullanılarak LDS-PC ve LDS-PPA polimerleri ile çalışmalar yapılabilecek, 3 boyutlu çalışma için alt yapıya hazırlanmış olacaktır.
Özet (Çeviri)
In today's technology, products are becoming smaller but also more complex, with increased functions. As they contain many electronic components in a limited design area, they may require three-dimensional solutions. Conventional printed circuit boards (PCBs) cannot fulfill this expectation. Therefore, Molded Interconnect Devices are a technology that can bridge this gap in PCBs, by combining mechanical and electrical functions in a single component. MIDs are a technology that enables the integration of conductive circuits onto a polymer that can combine mechanical and electrical functions into a single part. There are several MID manufacturing methods such as two-shot molding, hot stamping, aerosol jet printing, film insert molding, and laser direct structuring. The predominant method for applying MID through laser assistance is laser direct structuring (LDS), which has a market share of over 50%. This selective metal plating technique is used for thermoplastic polymers. The LDS process involves three key steps: molding or printing the polymer components, laser structuring of the components, and metallization for conductivity activation. As laser has many parameters that affect the manufacturing of LDS, it is necessary to investigate the effects of these parameters on the polymer surface. The knowledge obtained from industry standards and scientific research does not fully cover the effects of LDS process parameters on the dimensional accuracy, quality, and reliability of MID-LDS products. Additionally, the relationship between the LDS process and its parameters is not fully understood. The effect of laser on the material can vary depending on the substrate and its constituents. The literature contains several studies that investigate the impacts of these factors. Some of them focus on LDS parameters, metallization quality, LDS prototyping, and the methods used, while others address the development of additional methods due to the higher cost of LDS polymers compared to market polymers. In this study, the laser-polymer relationship in two dimensions was examined using two different polymers and manufacturing methods, and the effect of all laser parameters on polymers was determined. The parameters to be selected to improve the metallization quality were determined. The study was conducted on polyphthalamide (PPA) and polycarbonate (PC) materials. PPA samples were produced by plastic injection, and PC samples were produced by fused filament fabrication (FFF). Then, the required shapes for characterization of the parts were determined, these shapes were structured using fiber laser, and then metallized with copper. Surface roughness before metallization, Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR), and the width of the single laser beam scan (track width) were measured for each parameter value. After metallization, metallization thickness and sheet resistance were measured for each parameter value. Images of the samples were taken using an optical microscope and 3D profilometer for characterization. Through the characterization studies conducted, it has been observed that as the laser power increases, the track width also increases, while the increase in laser scanning speed and frequency has a negative effect. The track width increases with the increase in laser fluence but reaches higher values at lower speeds. The increase in laser energy density (dose) also increases the track width, especially at lower frequencies. Generally, the metallization thickness of the materials increases with the increase in laser power, while a decrease is observed with the increase in frequency. The laser speed causes a decrease in metallization thickness at low power levels, while it causes an increase at high power levels. It has been observed that the increase in track width of single scan laser beam is related to the metallization thickness but has a negative effect for both polymers after a certain point. The relationship between width and the ratio of speed to frequency (v/f) has been determined. An increase in this ratio causes a decrease in the track width.
Benzer Tezler
- Ticari plastiklerde (polietilen, polipropilen, polistiren) enjeksiyon parametrelerinin artık gerilmelere etkisinin araştırılması
Investigation of effects of injection molding parameters on residual stresses in traditional plastics (polyethylene, polypropylene, polystyrene)
ŞÜKRAN KATMER
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ÇETİN KARATAŞ
- Molecular dynamıcs analyses and experımental ınvestıgatıon ın the effects of the nanoaddıtıves on the thermo-mechanıcal propertıes and fracture toughness of bıodegradable polylactıc thermoplastıc
Parçalanabilen polilaktik asit termoplastiklere nano katki maddelerinin ilavesinin termo-mekanik özellikleri̇ ve kırılma tokluğu üzerindeki etkilernin moleküler dinamik analizleri ve deneysel olarak incelenmesi
BURÇAK ZEHİR
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiAdana Alparslan Türkeş Bilim Ve Teknoloji ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ CEM BOĞA
DR. ÖĞR. ÜYESİ MIRSADEGH SEYEDZAVVAR
- Eklemeli imalat destekli dereceli hassas döküm yöntemi ile bal peteği yapıların üretimi ve karakterizasyonu
Production and characterization of honeycomb structures by additive manufacturing-aided investment flask mould casting method
FATİH GÜLER
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMalzeme Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZGÜL KELEŞ
DR. LEVENT TURHAN
- B4C takviyeli TZM alaşımının spark plazma sinterleme yöntemiyle tek adımda üretilmesi ve yüzeyinin borürlenmesi
Production of B4C reinforced tzm alloy and boriding its surface in one step by spark plasma sintering (SPS) method
AYBERK ÇETİNBAĞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLTEKİN GÖLLER
DR. ÖĞR. ÜYESİ ÖZDEN ORMANCI ÖZTÜRK