片式多層陶瓷電容器生產(chǎn)用薄膜流延設(shè)備的研究與開發(fā)

陳裕錦，湯立云，梁平

(廣東風(fēng)華高科新寶華電子設(shè)備分公司，廣東肇慶 526060)

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品對片式電子元件的需求越來越大、要求也越來越高。片式多層陶瓷電容器具有高比容、高可靠性、頻率特性好等特點，廣泛應(yīng)用于電子信息、計算機(jī)、自動化控制及通訊等領(lǐng)域。

如何在 0805、0603、0402、0201 等小尺寸基礎(chǔ)上制造更高電容值的MLCC，一直是MLCC業(yè)界的重要課題之一。近幾年隨著材料、工藝和設(shè)備水平的不斷改進(jìn)提高，日本有關(guān)公司已在2 μm的薄膜介質(zhì)上實現(xiàn)了疊1000層介質(zhì)的工藝，生產(chǎn)出單層介質(zhì)厚度為1 μm的100 μF MLCC，它具有比片式鉭電容器更低的ESR值，工作溫度更寬(-55℃～125℃)。

在國內(nèi)，相應(yīng)的研究開發(fā)工作起步較晚，而且在技術(shù)的掌握和突破能力上明顯落后于發(fā)達(dá)國家，MLCC工藝裝備的研制及開發(fā)還處于空白狀態(tài),基本上依賴進(jìn)口。因此，通過引進(jìn)先進(jìn)生產(chǎn)線并對其設(shè)備國產(chǎn)化，研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子專用設(shè)備已經(jīng)成為一項緊迫的任務(wù)。

1 MLCC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制作流程

MLCC是由陶瓷介質(zhì)和金屬電極交互疊層構(gòu)成的多層陶瓷電容器（見圖1）。其中交替又不相連的內(nèi)電極分別與兩端的外電極相連形成多個電容器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。早期金屬電極由貴金屬銀、鉑和鈀等構(gòu)成，在20世紀(jì)末全世界開始采用賤金屬鎳、銅取代銀、鈀，大大降低了MLCC的成本。

從MLCC構(gòu)造來看，似乎MLCC的制造很簡單，但是實際制造過程很復(fù)雜，制造步驟很長、難度很大。

MLCC產(chǎn)品制作主要包括陶瓷介質(zhì)薄膜成型、內(nèi)電極制作、電容芯片制作、燒結(jié)成瓷、外電極制作、性能測試、包裝發(fā)貨等工序。工藝制作流程如圖2所示。

2 常見的薄膜流延技術(shù)

刮刀涂布（Blade coating）是電子陶瓷薄膜流延的基本方法，其基本原理是利用流延漿料的表面張力、運動條件下縫隙的定量擠壓流動和凹痕定量等一種或幾種原理的組合。它們在厚膜（如厚度≥20 μm）的流延過程中，流延的機(jī)械運動精度是不大的，但是，當(dāng)流延膜厚度降到5～10 μm時，將對流延頭結(jié)構(gòu)的機(jī)械幾何精度提出更高的要求。

圖1 MLCC結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 MLCC制造工藝流程

由此可見，流延系統(tǒng)是流延設(shè)備的核心部分，它的性能決定著流延設(shè)備的先進(jìn)性。下面簡單介紹兩種現(xiàn)有的流延技術(shù)。

2.1 漿料盒平面間隙技術(shù)

該技術(shù)將塑料載膜置于水平的工作臺上，在載膜上安放一塊流延料盒，漿料從上面進(jìn)入流延漿料盒內(nèi)，通過流延漿料盒與載膜之間的間隙流出，在載膜上形成一層薄膜。

該技術(shù)的缺點：由于流延漿料盒和塑料載膜之間所形成的間隙是相對固定的，因而要流延出不同厚度的介質(zhì)薄膜，需要加工不同間隙的流延漿料盒才能滿足要求；同時，由于流延漿料盒是靠自身質(zhì)量施壓在塑料載膜上，因此，塑料載膜與漿料盒之間的摩擦、塑料載膜本身的變形均會影響流延出來的介質(zhì)膜的質(zhì)量。

2.2 輥子鋼帶流延技術(shù)

流延輥子水平放置，鋼帶通過導(dǎo)向輥子繞過流延輥子水平向前運動。流延頭安裝在流延輥子的上方，流延頭與流延輥子形成一定的間隙。在流延過程中，流延輥子隨著鋼帶運動，漿料通過流延頭與流延輥子之間的間隙在鋼帶上形成一層薄膜。

該技術(shù)的缺點：這種鋼帶流延技術(shù)只適合10 μm以上的介質(zhì)薄膜流延；而且不適合薄膜放卷到/收卷式（roller to roller）的新工藝。

3 薄膜流延設(shè)備的工作原理

設(shè)備的目的是把制備好的瓷漿，利用卷到卷（ROLL TO ROLL）的流延方式制成具有一定厚度、強(qiáng)度、致密均勻的電子陶瓷介質(zhì)膜片。

工作原理：設(shè)備將PET薄膜載膜以設(shè)定的恒定張力展開，電子陶瓷漿料輸送系統(tǒng)將電子陶瓷漿料抽入到流延系統(tǒng)，通過唇式接觸、通過流延刀與流延輥子之間已設(shè)定的間隙，把電子陶瓷漿料均勻涂布在PET薄膜載膜的表面；然后經(jīng)過熱風(fēng)烘干和途中的除靜電裝置以及張力控制和自動糾偏系統(tǒng)，并將薄膜卷成輥，完成整個流延工作循環(huán)。

4 主要技術(shù)參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)

本文所述的設(shè)備是集光、機(jī)、電于一體的精密專用設(shè)備，其主要技術(shù)參數(shù)為：

PET薄膜載膜最大寬度：400 mm；

PET薄膜載膜速度：0.02～0.3 m/s；

電子陶瓷介質(zhì)膜最大寬度：360 mm；

電子陶瓷介質(zhì)膜最小厚度及精度：3 μm±5%；烘箱最高溫度：150℃；

本文所述設(shè)備的開發(fā)涉及多項關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 電子陶瓷介質(zhì)膜流延系統(tǒng)設(shè)計

流延系統(tǒng)是設(shè)備的核心技術(shù)，利用流延工藝，在PET薄膜載膜上將電子陶瓷漿料按工藝要求生成超薄型電子陶瓷介質(zhì)膜。它流延出來的介質(zhì)膜的厚度、均勻性、致密性等直接影響到MLCC的最終性能。

4.2 薄膜張力及糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計

該技術(shù)可保證PET薄膜在放卷、漿料流延、烘干、PET薄膜收卷過程中，薄膜有恒定的張力和固定的位置，從而保證高進(jìn)度的流延質(zhì)量。

4.3 懸浮式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)設(shè)計

其功能是對流延后的電子陶瓷介質(zhì)膜進(jìn)行烘干，并使其受熱均勻，保證陶瓷介質(zhì)膜不因受熱不均而產(chǎn)生裂痕。烘干溫度的控制精度直接影響到電子陶瓷薄膜的烘干質(zhì)量。

4.4 整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

整機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)包括：PET薄膜收放卷、薄膜移動速度、薄膜張力控制、電子陶瓷漿料流延速度、精密伺服傳動、薄膜載膜糾偏控制、電子陶瓷介質(zhì)膜烘干溫度控制、氣動系統(tǒng)等控制以及相互之間的協(xié)同。該控制系統(tǒng)可滿足各功能控制的實時性和精確性的要求。

5 設(shè)備的總體方案

在設(shè)備研制過程中，總體方案設(shè)計和技術(shù)途徑的確定是設(shè)備研制成功的關(guān)鍵，在本薄膜流延設(shè)備的研制中，通過廣泛的技術(shù)和市場調(diào)研，通過與用戶單位的充分交流，對流延工藝的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測；在試驗驗證的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種技術(shù)方案的比較，以保證設(shè)備每項技術(shù)應(yīng)用的可靠性、準(zhǔn)確性。

根據(jù)MLCC的生產(chǎn)工藝要求和設(shè)備的工作原理，綜合考慮設(shè)備的易操作性、結(jié)構(gòu)工藝性、精度保持特性等因素，提出如圖3所示的薄膜流延設(shè)備總體設(shè)計布局。該布局充分利用設(shè)備空間，使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。

圖3 薄膜流延設(shè)備總體設(shè)計布局

6.1 PET薄膜載膜展開張力及糾偏控制系統(tǒng)

該機(jī)構(gòu)的設(shè)計考慮到工作過程中裝載薄膜方便，采用懸臂的多輥軸結(jié)構(gòu)，所有的零件和輥軸都安裝在立板上，以便于在裝配過程中調(diào)整各軸軸線。由于輥軸與薄膜直接接觸，因此各滾軸表面都經(jīng)過光整處理和特殊化學(xué)處理，以保證輥軸的使用壽命，保護(hù)薄膜不受損傷。

圖4為PET薄膜載膜傳輸運動系統(tǒng)，包括：薄膜載膜放卷及其驅(qū)動裝置、拖動載膜平移的拉膜驅(qū)動輥及其伺服驅(qū)動裝置、載膜邊緣檢測裝置（EPC）及電液伺服糾偏機(jī)構(gòu)、離子消除靜電裝置、張力輥及其驅(qū)動裝置、導(dǎo)向輥、載膜收卷及其驅(qū)動裝置等。

6.2 唇式電子陶瓷薄膜流延系統(tǒng)

圖4 PET薄膜載帶傳輸運動系統(tǒng)

對現(xiàn)有流延技術(shù)進(jìn)行研究，提出并運用了一種先進(jìn)的、實用型的輥子塑膜流延（唇式流延）技術(shù)：流延輥子水平放置，載膜通過導(dǎo)向輥子繞過流延輥子水平向前運動，流延頭（流延刀與漿料盒）安裝在流延輥子的下方，流延頭與流延輥子形成一定的間隙，漿料通過流延頭與流延輥子之間的間隙在載膜上形成一層介質(zhì)膜，如圖5所示。其優(yōu)點是：為了控制流延出來的電子陶瓷薄膜的厚度，可以事先對流延頭刀口與流延輥子之間的間隙做出調(diào)整，適用于各種不同厚度的介質(zhì)膜流延；由于漿料自下而上，可以有效的解決漿料的沉積對膜厚的影響。

該流延系統(tǒng)的關(guān)鍵在于：因為流延頭安裝在流延輥子下方，在流延過程中流延輥子是隨著載膜而運動的，當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)時，為了控制流延出來的介質(zhì)薄膜的厚度，必須事先對流延頭刀口與流延輥子之間的間隙進(jìn)行調(diào)整。但由于流延輥子加工時可能產(chǎn)生的圓度誤差以及流延輥子與軸承之間存在的裝配公差，都將影響流延出來的介質(zhì)薄膜的質(zhì)量。

圖5 介質(zhì)薄膜層流延示意圖

我們的措施：在加工流延輥子、唇形流延刀和楔形流延腔時，我們采用五軸聯(lián)動加工中心等先進(jìn)的加工設(shè)備，確保加工質(zhì)量；同時，采用數(shù)控三坐標(biāo)測量儀等先進(jìn)的檢驗設(shè)備，保證零件達(dá)到高精度要求。在裝配方面，制訂嚴(yán)格可行的安裝工藝并采用先進(jìn)的檢測儀器，確保裝配質(zhì)量。這樣，可以確保漿料流延過程接近理想狀態(tài)，進(jìn)而保證了流延出來的介質(zhì)薄膜層的均勻性和致密性。

6.3 熱風(fēng)懸浮式烘干機(jī)構(gòu)

目前，流延膜的干燥方式主要有紅外線干燥、紫外線固化、熱輥或板烘干和熱風(fēng)干燥等。實際應(yīng)用中熱風(fēng)懸浮式烘干是最先進(jìn)的干燥方式。熱風(fēng)干燥方法具有干燥效率高，不產(chǎn)生針孔和氣泡，干燥過程與流延膜不發(fā)生接觸的優(yōu)點。

考慮到介質(zhì)膜要經(jīng)過四個干燥階段，即揮發(fā)階段、恒溫干燥階段、降溫階段和平衡階段，因此加熱箱的設(shè)計按照圖6所示的加熱曲線分區(qū)設(shè)計。烘干系統(tǒng)分為三個溫區(qū)，第一溫區(qū)為滾軸式，第二、三溫區(qū)為懸浮式。為了適應(yīng)各種干燥工藝環(huán)境的要求，采用了分區(qū)加熱方式進(jìn)行設(shè)計，可同時滿足干燥過程強(qiáng)制性揮發(fā)、指數(shù)規(guī)律加熱、恒溫和指數(shù)規(guī)律降溫的要求。設(shè)計時，烘箱內(nèi)采用拋光不銹鋼作為輻射的發(fā)射表面來均衡溫度場；兩側(cè)的調(diào)節(jié)閥的開口量作為控制強(qiáng)制性揮發(fā)升溫區(qū)和出口強(qiáng)制性降溫區(qū)的溫度分布的調(diào)節(jié)量。

圖6 溫度分區(qū)曲線

6.4 電子陶瓷漿料自動恒壓輸送系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括漿料變速攪拌、真空脫除空氣以及外加氣壓強(qiáng)迫輸送與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖7所示的漿料輸送系統(tǒng)中，外加壓縮空氣被輸入到一個密閉的容器內(nèi)，利用氣壓強(qiáng)迫漿料順著輸送管注入到流延頭的流延腔內(nèi)，保證流延漿料壓力的穩(wěn)定。

圖7 電子陶瓷漿料自動恒壓輸送系統(tǒng)

6.5 氣動及電液控制系統(tǒng)

6.5.1 氣動控制系統(tǒng)

氣動系統(tǒng)驅(qū)動放收卷膜機(jī)構(gòu)的氣脹輥子軸鍵的伸縮、流延刀運動、拉膜輥子機(jī)構(gòu)從動輥定位等。

根據(jù)整機(jī)各部分機(jī)構(gòu)的動作頻繁程度，計算整個系統(tǒng)和各動作組的耗氣量，合理分組，使氣動系統(tǒng)各組動作基本均衡，減少了系統(tǒng)的耗氣量，降低了系統(tǒng)的容量要求。通過精心選取相關(guān)元件，保證系統(tǒng)的可靠性。

6.5.2 電液伺服控制系統(tǒng)

電液伺服糾偏系統(tǒng)是由液壓站、電液伺服閥、位移傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油缸）巧妙結(jié)合成的獨立的電液伺服自動控制系統(tǒng)。它能自動完成檢測、反饋、放大和糾偏等一系列動作。

6.6 整機(jī)自動化控制系統(tǒng)

自動化控制系統(tǒng)實現(xiàn)整機(jī)所有功能的控制，包括PET薄膜放、收卷控制，伺服驅(qū)動控制，流延系統(tǒng)控制，張力控制，糾偏控制，烘干溫度控制，氣動系統(tǒng)控制，電液伺服系統(tǒng)控制等功能?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)原理框圖

7 結(jié)束語

本文所述的生產(chǎn)MLCC的薄膜流延設(shè)備，在風(fēng)華高科冠華片式陶瓷電容器分公司的實際生產(chǎn)中得到驗證，在潔凈度10000級以上的凈化環(huán)境下，其電子陶瓷介質(zhì)膜最小厚度可達(dá)3 μm，精度達(dá)0.25 μm，流延速度最高可達(dá)0.3 m/s，大大提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，使0402，0201甚至更小規(guī)格的片式多層陶瓷電容器的批量生產(chǎn)得以實現(xiàn)。

本文所述的MLCC的薄膜流延設(shè)備的研制成功，將大大提高我國新型元器件的生產(chǎn)技術(shù)水平，滿足國內(nèi)設(shè)備需求，替代進(jìn)口，帶動電子專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平，推動我國電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對實現(xiàn)我國電子裝備的現(xiàn)代化將發(fā)揮重大作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

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