片式多層陶瓷電容器全自動薄膜絲印機(jī)的研制

陳裕錦，梁平，陸永鑫，彭漢興

(廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司，廣東肇慶 526020)

新型元器件是電子信息產(chǎn)品制造業(yè)競爭力的核心之一?！笆濉逼陂g，新型元器件將重點(diǎn)支持片式元器件、光電子器件等的開發(fā)與生產(chǎn)，并重點(diǎn)發(fā)展與之相配套的電子（生產(chǎn)）專用設(shè)備、儀器。

片式多層陶瓷電容器(MLCC)因具有體積小、內(nèi)部電感低、絕緣電阻高及漏電流小、介質(zhì)損耗低和價(jià)廉等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛使用在各種電子整機(jī)中的振蕩、耦合、濾波和旁路電路，尤其是高頻電路。與其他電容器相比，MLCC特別適合于片式化表面貼裝，可大大提高電路組裝密度，縮小整機(jī)體積，這一突出的特性使得MLCC目前成為世界上用量最大和發(fā)展最快的一種片式化元件。

全自動薄膜絲網(wǎng)印刷機(jī)是生產(chǎn)片式多層陶瓷電容器的核心設(shè)備之一。目前，我國用于生產(chǎn)片式電子元件020l、0402與0603型號等高端產(chǎn)品的高精密薄膜絲網(wǎng)印刷機(jī)相當(dāng)一部分由國外引進(jìn)，每臺設(shè)備引進(jìn)費(fèi)用在一百到幾百萬元，使得國內(nèi)中小企業(yè)無法承擔(dān)這一費(fèi)用，直接影響到元器件產(chǎn)品制造水平的提高。

產(chǎn)生這一問題的原因之一是長期以來我國電子元器件生產(chǎn)裝備制造業(yè)與新型元器件的開發(fā)相脫節(jié)，導(dǎo)致了生產(chǎn)裝備制造與相關(guān)的應(yīng)用性基礎(chǔ)研究落后。因此從元器件制造行業(yè)與生產(chǎn)裝備制造行業(yè)發(fā)展的角度出發(fā)，開展Roll to Roll制造工藝的片式多層陶瓷電容器內(nèi)電極圖形高精密絲網(wǎng)印刷理論與薄膜絲網(wǎng)印刷設(shè)備設(shè)計(jì)理論的研究，以及研制一種Roll to Roll的高精密薄膜絲網(wǎng)印刷機(jī)是非常重要的和有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 設(shè)備的工作原理

依據(jù)Roll to Roll制造工藝將薄膜載體展開，利用絲網(wǎng)印刷原理，在流延制好的陶瓷介質(zhì)膜片上，將內(nèi)電極漿料印刷成一定形狀與尺寸的內(nèi)電極圖形。其工作原理為：

設(shè)備將薄膜載體以設(shè)定的恒定張力展開，載膜傳送之真空吸附輥筒以吸附卷繞的方式將載膜間歇、定距離向前輸送，漿料輸送系統(tǒng)將內(nèi)電極漿料輸送到絲網(wǎng)，真空載臺吸附、定位載膜，絲印電機(jī)驅(qū)動鋪漿板和刮膠實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)印刷，把內(nèi)電極漿料均勻印刷在陶瓷介質(zhì)膜片上；然后經(jīng)過熱風(fēng)干燥和途中的除靜電裝置以及張力控制和自動糾偏系統(tǒng)，最后將薄膜卷繞成輥，完成整個(gè)絲印工作循環(huán)。

2 設(shè)計(jì)原則與擬解決的關(guān)鍵問題

根據(jù)MLCC內(nèi)電極制作的工藝與相關(guān)的支持環(huán)境要求，可以確定Roll to Roll薄膜絲網(wǎng)印刷機(jī)的總體構(gòu)成、設(shè)計(jì)中應(yīng)遵循的原則和解決的關(guān)鍵問題。

從實(shí)際生產(chǎn)工藝要求出發(fā)，為確保絲印的內(nèi)電極銀/鎳重、圖形質(zhì)量、圖形干燥，內(nèi)電極圖形組織均勻和氣密性好，且高效連續(xù)印刷，設(shè)計(jì)必須遵循如下原則：

(1)印刷機(jī)理上必須確保絲網(wǎng)印刷內(nèi)電極圖形的可行性，其絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)必須：恒速低慣性印刷運(yùn)動、印刷壓力加載平穩(wěn)恒定且負(fù)載大小連續(xù)可調(diào)、能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)框三維方向微調(diào)整和網(wǎng)片間隙的補(bǔ)償；

(2)薄膜載體必須實(shí)現(xiàn)自動、等速與恒張力，且無跑偏、定距離傳送；

(3)實(shí)現(xiàn)印刷圖形自動干燥，并且?guī)挿较蚋稍锏臏囟葓龇植季鶆颍瑢?shí)現(xiàn)干燥分區(qū)并按特定的指數(shù)規(guī)律升溫與降溫；

(4)內(nèi)電極漿料實(shí)現(xiàn)等流量或者等壓強(qiáng)供給；

(5)實(shí)現(xiàn)印刷過程中陶瓷介質(zhì)膜片的微小針孔、破損、斷膜等不良缺陷的監(jiān)測與控制；

(6)系統(tǒng)具備高自動化，可滿足各種知識層操作人員的使用要求。

針對上述原則和系統(tǒng)的組成，設(shè)計(jì)Roll to Roll薄膜絲網(wǎng)印刷機(jī)時(shí)要解決的技術(shù)關(guān)鍵問題為：

(1)依據(jù)絲網(wǎng)印刷原理確定絲網(wǎng)印刷系統(tǒng)及最佳的絲印工藝參數(shù)；

(2)根據(jù)Roll to Roll制造工藝實(shí)現(xiàn)薄膜載體張力的精密性和穩(wěn)定性協(xié)調(diào)控制；

(3)依據(jù)Roll to Roll制造工藝確定間歇、定距離與恒張力傳送薄膜載體的協(xié)調(diào)控制問題；

(4)利用機(jī)器視覺技術(shù)確保陶瓷介質(zhì)膜片微小針孔等缺陷的判別，及印刷圖形質(zhì)量的自動監(jiān)控；

(5)干燥分區(qū)設(shè)計(jì)與寬度方向溫度場的均勻化設(shè)計(jì)問題；

(6)內(nèi)電極漿料等壓強(qiáng)與等流量控制問題。

3 設(shè)備的總體方案

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1所示的薄膜絲網(wǎng)印刷機(jī)的總體設(shè)計(jì)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1 薄膜絲印機(jī)的總體布局

4 典型部件的設(shè)計(jì)

4.1 薄膜載體展開張力及糾偏控制機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)薄膜絲印的工藝狀況和薄膜載體傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，設(shè)計(jì)了如圖2所示的薄膜載體傳輸運(yùn)動系統(tǒng)，主要包括：放卷及其驅(qū)動裝置、輸送薄膜載體的真空吸附滾筒及其伺服驅(qū)動裝置、薄膜邊緣檢測裝置（EPC）及伺服糾偏機(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、收卷及其驅(qū)動裝置等。

放卷載膜運(yùn)動采用載膜通過放卷張力傳感器監(jiān)測出放卷張力，在張力控制器的控制下通過磁粉制動器調(diào)節(jié)放卷輥的卷曲張力，實(shí)現(xiàn)勻速恒張力放卷。收卷載膜運(yùn)動采用了載膜通過收卷張力傳感器測出相應(yīng)的張力，然后由張力傳感器信號來控制磁粉離合器的收卷張力。

薄膜載體的輸送采用了微孔真空吸附輥筒，利用真空吸附薄膜載體，配合伺服系統(tǒng)控制真空輥筒的轉(zhuǎn)角、從而達(dá)到定距離傳送薄膜載體。

薄膜載體的輸送作為張力的輸入量，張力傳感器測出的輸出量與輸入量進(jìn)行比較，通過張力控制器控制磁分離合器，驅(qū)動收卷或放卷軸，從而保證薄膜載體的恒速運(yùn)行。

設(shè)計(jì)由超聲波檢測頭、直線運(yùn)動電機(jī)和控制器組成糾偏系統(tǒng)。薄膜載體輸送過程中，超聲波檢測實(shí)時(shí)把薄膜邊緣偏移的檢測信號反饋到控制器，控制器通過直線運(yùn)動電機(jī)動作即時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使薄膜邊緣能夠穩(wěn)定地控制在極小的范圍內(nèi)，從而有效地消除薄膜移動造成印刷圖形變形。偏

圖2薄膜載體輸送系統(tǒng)

4.2 絲網(wǎng)印刷部件設(shè)計(jì)

絲網(wǎng)印刷部件是絲印設(shè)備的關(guān)鍵部件，它的作用是對附著在薄膜載體上的陶瓷介質(zhì)膜印刷一層一定形狀和尺寸的內(nèi)電極圖形。

由印刷頭、印刷框架、載臺等部分組成。

印刷頭采用精密滾珠絲桿、直線導(dǎo)軌、伺服電機(jī)驅(qū)動，保證印刷的平穩(wěn)性和高精密。刮膠的角度可在0～90°范圍內(nèi)任意調(diào)整；刮膠與鋪漿板均采用中間銷軸聯(lián)接，可饒銷軸在一定范圍內(nèi)自由擺動，均可自由實(shí)現(xiàn)與薄膜載體、載臺、絲網(wǎng)之間的平行，保證印刷的均勻一致性。印刷頭可單獨(dú)打開一定的角度，便于刮膠與鋪漿板的清潔、絲網(wǎng)的更換、維護(hù)保養(yǎng)等工作。

為了保證印刷圖形處于陶瓷介質(zhì)膜上的正確位置，在網(wǎng)框架上設(shè)置一個(gè)“疊層式”的微調(diào)裝置，即一定形狀的調(diào)節(jié)板疊在一起，利用導(dǎo)向滾子導(dǎo)向，實(shí)現(xiàn)x、y、θ三個(gè)方向的調(diào)整，調(diào)整完畢后利用氣缸鎖緊，保證印刷圖形處于合適的位置。

印刷框架與印刷頭整體升降采用兩組氣缸機(jī)構(gòu)驅(qū)動，通過蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)升降的微調(diào)，也就是絲網(wǎng)與載臺間隙的微調(diào)。

載臺是PET薄膜載體的定位裝置，上層載板通過密布的小孔與載臺真空室相通，利用真空把薄膜載體緊緊吸附，為了避免吸附及印刷時(shí)陶瓷介質(zhì)膜上產(chǎn)生吸附孔的凹痕，在載臺的上表面上粘貼一層密布孔徑的鎳網(wǎng)，這樣既能保證具有足夠的吸附力，又不會對薄膜產(chǎn)生不良影響。

每進(jìn)行一次印刷，載臺就上下運(yùn)動一次，為保證載臺在印刷時(shí)的定位精度，采用精密滾珠導(dǎo)套，使載臺的上下運(yùn)動更平穩(wěn)、定位更精確。

4.3 熱風(fēng)干燥系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了保證印刷圖形的質(zhì)量，在設(shè)計(jì)干燥系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮的問題是干燥前必須使印刷圖形中有機(jī)溶劑充分揮發(fā)，利用漿料表面張力作用而使圖形得到充分彌散；其次要考慮的是升溫狀態(tài)，升溫過程要逐步進(jìn)行并滿足指數(shù)規(guī)律的增長曲線，降溫過程要防止“急冷”現(xiàn)象產(chǎn)生。因此，必須根據(jù)實(shí)際片式元件制造工藝的要求合理地設(shè)定溫度調(diào)節(jié)、輸送速度、傳送距離和熱源的分布。干燥所采用的加熱方法主要有紅外線熱管加熱法、熱板加熱法和熱風(fēng)加熱法。無論那種方式都要防止閃點(diǎn)現(xiàn)象的產(chǎn)生，并且保證加熱產(chǎn)生的氣體快速排到廢氣回收系統(tǒng)中，防止對環(huán)境的污染和對操作者身體的損傷。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩個(gè)獨(dú)立的溫區(qū)，均采取懸浮式的熱風(fēng)烘干方式，保證印刷圖形能充分干燥。

空氣經(jīng)鼓風(fēng)機(jī)驅(qū)動，由加熱器前端進(jìn)風(fēng)口，經(jīng)過一級過濾后進(jìn)入加熱器的加熱箱，發(fā)熱棒加熱，最后再經(jīng)二級過濾后進(jìn)入烘箱。這里，烘箱的出風(fēng)口由若干均布的窄道，便于對印刷圖形均勻烘干。進(jìn)入烘箱的一部分熱風(fēng)經(jīng)管道重新進(jìn)入烘箱，便于保持溫度的穩(wěn)定性，一部分經(jīng)抽風(fēng)系統(tǒng)排出室外，以便帶走一些揮發(fā)物質(zhì)，保證加熱箱內(nèi)氣氛的穩(wěn)定。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

4.4 自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自動化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)所有功能的控制，包括薄膜載體放、收卷控制，伺服驅(qū)動控制，印刷系統(tǒng)控制，張力控制，糾偏控制，干燥系統(tǒng)控制，氣動系統(tǒng)控制等功能?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖4所示。系統(tǒng)采用了三菱系列PLC、定位模塊、AD模塊、DA模塊、通訊模塊、輸入輸出模塊等組成設(shè)備的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備對各系統(tǒng)高速通訊和數(shù)據(jù)處理，保證了設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性。

5 結(jié)束語

本文所述的全自動薄膜絲印機(jī)，在實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證，在潔凈度10000級以上的凈化環(huán)境下，其薄膜張力控制誤差為±0.1kg，其內(nèi)電極圖形的變形量:ΔX≤0.025mm、ΔY≤0.025mm，產(chǎn)能達(dá)到1300張/h，大大提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，使0603，0402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(shí)現(xiàn)。

本文所述的薄膜絲印機(jī)的批量化生產(chǎn)，填補(bǔ)了國內(nèi)MLCC產(chǎn)品全自動薄膜絲印機(jī)的空白，進(jìn)一步推動了MLCC產(chǎn)品的發(fā)展和提高；也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(shí)現(xiàn)我國電子裝備的現(xiàn)代化發(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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