温間静水圧プレス（WIP）の優れた性能は、完全に均一で全方向性の圧力を印加できる能力に由来します。 加熱された水を作動媒体として利用することにより、WIPシステムはLTCCスタックのすべての表面に同時に等しい力を加えます。
標準的な油圧プレスは上下面からのみ力を加えるのとは対照的に、静水圧法は端部の圧迫を引き起こす横方向のせん断力を排除します。これにより、3次元マイクロチャネルなどの複雑な内部フィーチャーが崩壊することなくそのまま保持され、最終的なセラミック部品の密度と接着の一貫性が大幅に向上します。
主なポイント 標準的なプレスは、内部形状を押しつぶし、端部を歪ませる方向性応力を発生させます。温間静水圧プレスは、流体力学を利用して部品を均等な圧力で包み込み、繊細な内部構造を保護しながら、部品全体にわたる均一な密度と接着を保証します。
圧力印加のメカニズム
等方性力と一方向性力の比較
標準的な油圧プレスはクランプのように機能し、垂直方向（一方向性）に力を加えます。これにより、部品の中心と端部で応力レベルが異なるなど、圧力分布が不均一になることがよくあります。
温間静水圧プレスはパスカルの原理に基づいて動作します。密閉されたラミネートを加熱された水浴（または同様の流体）に入れ、容器を加圧します。流体が部品を囲んでいるため、圧力はあらゆる可能な角度から等しく印加されます（等方性）。
端部歪みの解消
セラミック「グリーンテープ」のような柔軟な材料を上下からのみ圧縮すると、材料は自然に外側に広がろうとします。これにより、「端部の圧迫」またはバレル変形が発生し、基板の寸法が効果的に歪みます。
WIPプロセスはこれを相殺します。スタックの側面に、上面と下面と同じくらい強く圧力がかかるため、横方向への広がりは中和されます。これにより、基板のXおよびY寸法を正確に維持できます。
内部構造の保護
マイクロチャネルの保存
最新のLTCC設計には、中空マイクロチャネルやキャビティなどの複雑な3D内部構造がしばしば含まれています。標準的なプレスの一方向性圧縮力の下では、これらの空洞は崩壊または歪みやすくなります。
WIPはあらゆる方向から圧力を印加するため、構造を押しつぶすのではなく支持します。全方向性の力により、これらのマイクロチャネルの壁が内部形状を歪めることなく均一に圧縮されます。
均一な収縮制御
焼成後に部品が正しく機能するためには、予測可能に収縮する必要があります。一方向性プレスは密度勾配（高い圧縮と低い圧縮の領域）を作成し、焼結プロセス中に歪みや「反り」を引き起こします。
静水圧プレスは、「グリーン」（未焼成）ボディ全体に完全に均一な密度を作成します。これにより、部品が焼成されるときに、すべての方向に均一に収縮し、厳密な機械的公差が維持されます。
層間接着と材料の完全性
ボイドと剥離の解消
WIPにおける熱（通常約65°C）と均一な圧力（通常約20 MPa）の組み合わせは、有機バインダーの「マイクロフロー」を促進します。
このフローは接着に不可欠です。これにより、バインダーが積層された層間の界面に浸透し、微細なボイドを埋め、空気泡を追い出します。その結果、高温処理中に層が分離（剥離）するのを防ぐ分子レベルの結合が得られます。
応力集中点の回避
標準的なプレスは、特に内部ビアや埋め込み回路の近くに局所的な応力点を導入する可能性があります。これらの応力点は、バインダーのバーンアウト中に亀裂の発生源となることがよくあります。
圧力を均等化することにより、WIPはこれらの局所的な応力集中を排除します。これにより、機械的に優れた部品が得られ、信頼性が高く、後続の熱衝撃や構造荷重に耐えることができます。
トレードオフの理解
温間静水圧プレスは一般的に複雑なLTCCラミネーションに優れていますが、標準的なプレスとは異なる特定のプロセス要件が導入されます。
封止の複雑さ
材料をプレート間に挿入するだけでよい標準的なプレスとは異なり、WIPでは、グリーンスタックを水槽に入れる前に、気密に封止する必要があります（通常は真空バッグを使用）。このシールが失敗すると、水が基板を破壊します。
サイクルタイムの考慮事項
製品の封止、容器のロード、水の加圧、加熱、そして減圧のプロセスは、本質的にバッチプロセスです。これは通常、標準的な油圧プレスで達成できる高速サイクルタイムよりも時間がかかります。
目標に合った適切な選択
温間静水圧プレスへの移行が特定のアプリケーションに必要かどうかを判断するには、次の点を考慮してください。
- 主な焦点が複雑な3D形状である場合： WIPを使用して、内部マイクロチャネルの崩壊を防ぎ、中空キャビティの完全性を維持します。
- 主な焦点が寸法精度である場合： WIPを使用して、端部の圧迫を排除し、焼結中に部品が歪むことなく均一に収縮することを保証します。
- 主な焦点が高電圧信頼性である場合： WIPを使用して、密度を最大化し、誘電破壊や構造的故障につながる可能性のある内部ボイドを排除します。
最終的に、単純で平坦な基板には一方向性プレスで十分かもしれませんが、複雑な内部アーキテクチャを必要とする高信頼性の多層デバイスには、温間静水圧プレスが絶対条件となります。
概要表：
| 特徴 | 油圧プレス | 温間静水圧プレス（WIP） |
|---|---|---|
| 圧力方向 | 一方向性（上/下） | 全方向性（等方性） |
| 端部制御 | 「圧迫」/歪みが発生しやすい | 寸法維持（中和） |
| 内部フィーチャー | マイクロチャネルの崩壊リスクあり | 3Dマイクロアーキテクチャを保護 |
| 密度 | 歪みを引き起こす密度勾配 | 均一な収縮のための均質性 |
| 最適な用途 | シンプルで平坦な基板 | 高信頼性、複雑な3Dデバイス |
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参考文献
- 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
この記事は、以下の技術情報にも基づいています Kintek Press ナレッジベース .
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