Opracowana technika wykonywania otwartych kanałów przepływowych w cerami-ce LTCC miała umożliwić realizację hybrydowych (cerami-ceramiczno-polimerowych) syste-mów mikroprzepływowych. Wykonanie zamknięcia takiego kanału z przeźroczystego materiału polimerowego (np. polidimetylosiloksan, PDMS) pozwala na obserwację i analizowanie zjawisk zachodzących w opracowanym mikrosystemie. Jeżeli jednak tego typu badania nie są potrzebne (np. gdy mamy do czynienia z kanałem na ciecz chłodzącą) to znacznie łatwiejsze i mniej czasochłonne jest wykonywanie kanałów zagrzebanych. Wykonano cztery struktury testowe o topologii analogicznej do tych używanych przy opracowywaniu metody wykonywania otwartych kanałów przepły-wowych. Testowy moduł ceramiczny składał się z siedmiu foli ceramicznych. Pierwsze trzy folie definiowały spód kanału, następna pojedyncza folia LTCC zwierała kanały przepływowe o szerokościach 300 µm, 400 µm, 500 µm, 1 mm oraz 5 mm, ostatnie trzy folie ceramiczne tworzyły zamknięcie modułu ceramicznego. Poszczególne ka-nały zostały wycięte w surowej foli ceramicznej HL800 przy użyciu lasera Nd-YAG. Testowe moduły ceramiczne wykonywano przy użyciu: dwóch różnych materiałów pomocniczych (alkohol cetylowy i folia węglowa) oraz metodą laminacji chemicznej CCL [48,49]. Dla porównania wykonano również referencyjną strukturę testową przy użyciu standardowej metody termo-kompresyjnej. Warunki procesu laminacji referen-cyjnej struktury testowej odpowiadały warunkom rekomendowanym przez producenta foli HL800. Warstwy LTCC łączono ze sobą przy wykorzystaniu prasy izostatycznej przy ciśnieniu równym 10 M P a, temperaturze 70◦C przez czas 10 minut. W przypad-ku struktur testowych wykonywanych przy użyciu materiałów pomocniczych zasto-sowano nieco zmodyfikowaną metodę laminacji dwustopniowej. Najpierw wstępnie laminowano ze sobą folie tworzące spód struktury testowej oraz folie zawierająca wycięte kanały. Proces laminacji wstępnej prowadzono w prasie izostatycznej w tem-peraturze pokojowej, przy niskim ciśnieniu (1 M P a) przez czas 5 minut. Następnie wypełniano uzyskane w ten sposób otwarte kanały odpowiednim materiałem pomoc-niczym. Sposoby wypełniania testowych struktur przestrzennych były analogiczne do metod opisanych w poprzednim punkcie powyższego rozdziału. Po wypełnieniu kana-łów odpowiednimi materiałami pomocniczymi dolaminowywano do modułu ceramicz-nego folie stanowiące przykrycie kanałów. Druga laminacja była również prowadzono w prasie izostatycznej przy ciśnieniu równym 10 M P a w temperaturze 45◦C przez czas 10 minut. Przebieg procesu wykonywania testowej struktury przestrzennej przy zastosowaniu dwustopniowej laminacji przedstawia rysunek 4.23.
Rysunek 4.23: Przebieg procesu dwustopniowej laminacji w przypadku wykonywania kanałów zagrzebanych [106].
Przy wykonywaniu struktury testowej metodą laminacji chemicznej CCL do połą-czenie poszczególnych folii ceramicznych ze sobą użyto rozpuszczalnika DP 4553 (DuPont ). Równomierna warstwa rozpuszczalnika została naniesiona na powierzch-R nię każdej foli ceramicznej przy użyciu metody sitodruku przez sito stalowe o gęstości 425 mesh. Następnie poszczególne warstwy ceramiczne były składane w stos i pra-sowane ręcznie za pomocą wałka gumowego. Tak przygotowane testowe moduły ce-ramiczne były wypalane w piecu komorowym w zmodyfikowanym cyklu temperatu-rowym. Profil wypału testowych modułów ceramicznych został zmieniony w oparciu o wyniki analizy termo-grawimetrycznej. Wygląd zmodyfikowanego profilu wypalania modułów ceramicznych opartych na foli HL800 przedstawia rysunek 4.24.
Rysunek 4.24: Profil wypalania układów testowych wykonanych z foli ceramicznej HL800 [106].
Po procesie wypalania uzyskane struktury testowe LTCC podawane były analizie za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego. Zdjęcia SEM przekrojów otrzyma-nych zagrzebaotrzyma-nych kanałów przepływowych przedstawiono na rysunkach 4.25 –4.28.
Rysunek 4.25: Kanały o szerokości: (a) 300 µm, (b) 500 µm oraz (c) 1 mm wykonane w ceramice HL800 przy zastosowaniu standardowego procesu laminacji [106].
Rysunek 4.26: Kanały o szerokości: (a) 300 µm, (b) 400 µm, (c) 500 µm oraz (d) 1 mm wykonane w ceramice HL800 przy zastosowaniu laminacji chemicznej [106].
Rysunek 4.27: Kanały o szerokości: (a) 300 µm, (b) 400 µm, (c) 500 µm oraz (d) 1 mm wykonane w ceramice HL800 przy zastosowaniu alkoholu cetylowego [106].
Rysunek 4.28: Kanały o szerokości: (a) 300 µm, (b) 400 µm, (c) 500 µm oraz (d) 1 mm wykonane w ceramice HL800 przy zastosowaniu foli węglowej [106].
Na podstawie analizy uzyskanych wyników można zauważyć, że podobnie jak mia-ło to miejsce w przypadku kanałów otwartych zastosowanie materiałów pomocniczych w znacznym stopniu zmniejszyło deformacje testowych kanałów przepływowych. Dla kanałów wykonanych za pomocą foli węglowej nie udało się uzyskać profilu prosto-kątnego (rysunek 4.28). Otrzymany kształt profilu kanału może być spowodowany dwoma czynnikami: (i) niedopasowaniem szerokości kanału do szerokości użytego pa-ska foli węglowej (zwężenie na końcach kanału) oraz (ii) odparowaniem części lepiszcza organicznego foli węglowej w pobliżu miejsca działania wiązki lasera (przewężenie na końcach wyciętej foli węglowej). Oba czynniki mogące mieć wpływ na ostateczny kształt kanału wykonanego przy zastosowaniu foli węglowej zostały zilustrowane na rysunku 4.29.
Rysunek 4.29: Czynniki decydujące o profilu kanału wykonanego przy użyciu foli węglowej [106].
Do porównania zagrzebanych kanałów wykonanych przy zastosowaniu różnych technik laminacji użyto parametru w postaci względnej średnicy hydraulicznej, zde-finiowanej zależnością (4.1). Otrzymana zależność pomiędzy względną średnicą hy-drauliczną a projektowaną szerokością zagrzebanych kanałów wykonanych przy zasto-sowaniu różnych technik laminacji foli ceramicznych przedstawiono na rysunku 4.30. W przypadku kanałów wykonanych przy zastosowaniu metody CCL otrzymana war-tość średnicy hydraulicznej jest porównywalna z wartościami uzyskanymi dla innych technik tylko dla najwęższego kanału (300 µm). Dla pozostałych struktur przestrzen-nych wykonaprzestrzen-nych metodą laminacji chemicznej jest ona większa o około 18%, w sto-sunku do projektowanej wartości. Może to być spowodowane nadmiernym trawieniem foli HL800 przez rozpuszczalnik DP 4553. Dla zagrzebanych kanałów wykonanych w ceramice LTCC, zarówno przy zastosowaniu alkoholu cetylowego jak i foli wę-glowej, otrzymane wartości względnej średnicy hydraulicznej są zbliżone do siebie. W obydwu przypadkach otrzymane wartości były nieco mniejsze od wartości projek-towanej co oznacza, że kanały uległy lekkiej deformacji. Jednak różnica pomiędzy otrzymaną, a projektowaną wartością średnicy hydraulicznej nie przekroczyły 7% dla obydwu materiałów pomocniczych użytych w procesie laminacji dwustopniowej.
Rysunek 4.30: Zależność pomiędzy względną średnicą hydrauliczną a projektowaną szerokością zagrzebanych kanałów wykonanych w ceramice LTCC przy zastosowaniu różnych metod laminacji [106].