LTCC自動撕膜機(jī)的研究與設(shè)計

王學(xué)軍，莊 園

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

LTCC自動撕膜機(jī)的研究與設(shè)計

王學(xué)軍，莊 園

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

介紹了撕膜機(jī)的工藝過程，機(jī)械機(jī)構(gòu)，撕膜機(jī)構(gòu)的控制方式，以及在實(shí)際應(yīng)用中可能出現(xiàn)的問題，并提出了解決問題的方法。

撕膜機(jī)；撕膜結(jié)構(gòu)；撕膜工藝；常見問題

LTCC (Low Tempture Co-fired Ceramic)是一種將未燒結(jié)的流延陶瓷材料疊層在一起而制成的多層電路，內(nèi)有印制互聯(lián)導(dǎo)體、元件和電路，并將該結(jié)構(gòu)燒結(jié)成一個集成式陶瓷多層材料。LTCC技術(shù)以其集成密度高和高頻特性好等優(yōu)異的電學(xué)、機(jī)械、熱學(xué)及工藝特性，成為目前電子元件集成化的主流方式，廣泛應(yīng)用于電子、通訊、航空航天、汽車、計算機(jī)和醫(yī)療等領(lǐng)域[1]。

1 撕膜工藝

撕膜是LTCC生產(chǎn)工藝流程中的重要環(huán)節(jié)之一。撕膜工藝是生瓷片打孔前去除流延保護(hù)膜，或去除印刷工藝前防止生瓷片較大變形，在生瓷片上貼覆的薄膜，供后續(xù)工藝疊片與層壓應(yīng)用。本撕膜機(jī)整體撕膜工藝流程如圖1所示，主要包括取片、定位、翻轉(zhuǎn)、脫膜、放片五個工藝步驟。

2 撕膜機(jī)結(jié)構(gòu)

撕膜機(jī)是應(yīng)用與LTCC智能生產(chǎn)線，既能獨(dú)立離線單機(jī)運(yùn)行，又能在線多設(shè)備串聯(lián)運(yùn)行。單機(jī)運(yùn)行時，人工放置40片帶金屬托盤生瓷片到上料緩存機(jī)構(gòu)中，啟動設(shè)備即可。設(shè)備在線多設(shè)備運(yùn)行時，通過接收上位機(jī)信號判斷生瓷片有無，驅(qū)使設(shè)備動作。

圖1 撕膜工藝流程

撕膜機(jī)具備兩種設(shè)備的功能，主要功能：撕膜功能，實(shí)現(xiàn)膜與生瓷片的自動分離。附屬功能：翻轉(zhuǎn)功能，可以單獨(dú)實(shí)現(xiàn)生瓷片翻轉(zhuǎn)，不運(yùn)行撕膜動作。在本文中重點(diǎn)介紹撕膜功能。

設(shè)備整體動作流程工位圖如圖2所示。

機(jī)械結(jié)構(gòu)括上下料機(jī)構(gòu)、生瓷片定位機(jī)構(gòu)、生瓷片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、撕膜機(jī)構(gòu)、保護(hù)膜收取機(jī)構(gòu)。

圖2 設(shè)備動作流程工位圖

2.1 上下料機(jī)構(gòu)

上料，主要作用是把上線傳輸線或上料緩存中放置好生瓷片的托盤自動傳輸?shù)饺∑P的下方，供取片后繼續(xù)后續(xù)的工藝動作。下料是由完成撕膜后的生瓷片與托盤，傳送到下線傳輸線或本設(shè)備下料緩存中。上下料簡易結(jié)構(gòu)如圖3所示，機(jī)械機(jī)構(gòu)主要包括傳送機(jī)構(gòu)和上下料緩存機(jī)構(gòu)，工位包括上下料緩存工位和取放片工位。傳送機(jī)構(gòu)采用無刷直流電機(jī)驅(qū)動同步齒形帶運(yùn)動，上下料緩存機(jī)構(gòu)是將一定數(shù)量的托盤人工放入緩存工位中，機(jī)構(gòu)自動將托盤逐個送入下一工位。其動作簡圖如圖4所示。由雙行程氣缸完成三工位的動作。工位1為初始狀態(tài)，工位2中間動作過程，工位3把托盤置在傳送線上。

圖4 上下料緩存機(jī)構(gòu)簡圖

2.2 生瓷片定位機(jī)構(gòu)

生瓷片定位機(jī)構(gòu)是完成生瓷片的定位，供后續(xù)撕膜機(jī)構(gòu)精準(zhǔn)撕膜。其結(jié)構(gòu)主要有整理臺吸盤、整理定位塊、傾斜氣缸和整理臺底板等輔助結(jié)構(gòu)組成。在工作過程中，由上下料裝置吸附結(jié)構(gòu)把生瓷片搬運(yùn)到整理臺上后，由氣缸控制的兩個定位塊處于鎖緊狀態(tài)，傾斜氣缸拉動吸盤傾斜使生瓷片貼住定位塊，這時吸盤通入負(fù)壓吸住生瓷片，再由傾斜氣缸驅(qū)動吸盤處于水平狀態(tài)，定位塊氣缸切換到松開狀態(tài)，完成生瓷片定位整理。傾斜氣缸裝有定位氣缸限位環(huán)來調(diào)整吸盤傾斜角度。

定位機(jī)構(gòu)，是撕膜機(jī)的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)之一。生瓷片由于與托盤之間存在間隙，托盤在傳送帶上存在間隙，二者必然導(dǎo)致生瓷片在撕膜臺上存在偏差，嚴(yán)重影響撕膜合格率，因此撕膜前生瓷片定位成為必然，定位機(jī)構(gòu)保證了生瓷片在撕膜吸附臺上位置的準(zhǔn)確性和一致性。如何保證在定位機(jī)構(gòu)的定位臺上準(zhǔn)確定位，除了保證在定位過程中定位臺給生瓷片吹氣外，很重要的影響因素是生瓷片帶有靜電，靜電導(dǎo)致生瓷片在定位臺上的附著力增大，無法準(zhǔn)確定位，因此在定位前必須安裝除靜電器除去生瓷片上的靜電。

2.3 生瓷片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

生瓷片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，完成生瓷片正反面的翻轉(zhuǎn)。切片、印刷完成后保護(hù)膜向下，撕膜過程保護(hù)膜需向上，因此撕膜前必須先將生瓷片翻轉(zhuǎn)，撕膜完成后再翻轉(zhuǎn)生瓷片進(jìn)入疊片、層壓工序。翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖5所示，主要由提升氣缸、擺缸、導(dǎo)軌和吸板組成。選用提升氣缸和擺缸參考SMC氣缸選型負(fù)載的計算，分別選擇CDQSB25-100和MSQB50R-50的氣缸。吸板為了提高真空均勻性選擇陶瓷吸盤。

為保證生瓷片能從撕膜臺上吸附到吸板上，措施之一是在吸附過程中撕膜臺給生瓷片吹氣，措施之二是保證吸板面與撕膜臺面的平行度以及二者距離。措施如下：通過機(jī)架安裝孔來微動調(diào)整翻片結(jié)構(gòu)，保證吸板與撕膜臺的重合。在導(dǎo)軌末端加裝限位裝置來保證吸板與撕膜臺距離可調(diào)。在吸板與擺缸連接處裝調(diào)整螺釘，保證兩者的平行度。

圖5 生瓷片翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

2.4 撕膜機(jī)構(gòu)

撕膜過程如下：

撕膜時，撕膜輪首先運(yùn)動到生瓷片的待撕角上方，撕膜輪升降電缸動作，使撕膜輪壓在生瓷片的一角，由于撕膜輪為粘性膠輪，生瓷片該角部的PET膜即粘在撕膜輪上；撕膜輪沿生瓷片的45度角方向運(yùn)動一小段距離，使該角部的膜卷在撕膜輪上；背膜夾爪將膜夾在撕膜輪上，此時撕膜后的生瓷片依然吸附在撕膜吸盤上；在電缸作用下，撕膜輪以一定角度上升；撕膜電缸帶動撕膜輪及膜運(yùn)動，完成該片生瓷片的撕膜過程。

撕膜機(jī)構(gòu)主要由Z軸電缸、緩沖氣缸、夾緊氣缸、撕膜滾輪組成。其結(jié)構(gòu)如圖6所示。主要作用是完成保護(hù)膜與生瓷片的分離。

圖6 撕膜機(jī)構(gòu)

撕膜機(jī)構(gòu)作為全自動撕膜機(jī)的核心部件，其機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制方式至關(guān)重要。其機(jī)械機(jī)構(gòu)關(guān)鍵設(shè)計在于撕膜滾輪的旋轉(zhuǎn)與緩沖氣缸的應(yīng)用。撕膜滾輪材料選為包膠黏性膠輥，來實(shí)現(xiàn)膜與生瓷片的分離。緩沖氣缸是來實(shí)現(xiàn)Z軸電缸下降與生瓷片接觸時起到緩沖作用，且氣缸輸出力始終恒定，避免使用彈簧疲勞損失。

為保證撕膜機(jī)構(gòu)的撕膜合格率，需要做到以下兩點(diǎn)：

第一，F(xiàn)1吸≥F撕，即生瓷片在撕膜臺上的吸附力大于等于撕膜輪撕膜力。第二，F(xiàn)撕≥F2吸，即撕膜輪撕膜力大于等于膜與生瓷片的吸附力。因此保證撕膜成功的根本：F1吸≥F撕≥F2吸

通過以下幾點(diǎn)來保證：

其一：撕膜臺采用三路負(fù)壓實(shí)現(xiàn)生瓷片的吸附，第一路負(fù)壓為高密度多孔陶瓷，吸附生瓷片中間部分，吸附牢固，吸附力均勻；第二路負(fù)壓為四周微孔，吸附生瓷片周圍部分，保證帶有腔體的生瓷片可以在中部漏氣的情況下吸附牢固；第三路負(fù)壓為三角形區(qū)域微孔，吸附生瓷片的一個角，保證在撕膜時生瓷片撕膜角部分吸附牢固，避免膜的角端部分粘起時，將生瓷片角端帶起。圖8示撕膜臺氣路布局圖。

其二：撕膜滾輪材料為合成硅膠，硅膠粘性力可根據(jù)膜與生瓷片的附著力來調(diào)整。

其三：撕膜機(jī)構(gòu)Z軸采用電缸控制，保證了撕膜輪在撕膜點(diǎn)位置的準(zhǔn)確性。

撕膜機(jī)的撕膜工藝過程為圖7所示，由生瓷片放置臺與撕膜機(jī)構(gòu)的相互配合，相對運(yùn)動來完成膜的分離。

圖7 撕膜工藝過程圖

圖8 撕膜臺氣路布局圖

2.5 保護(hù)膜收取機(jī)構(gòu)

撕膜機(jī)構(gòu)完成膜與生瓷片的分離后，保護(hù)膜收取結(jié)構(gòu)，完成把廢料膜放到收取框的動作工序。收取結(jié)構(gòu)整個動作由兩個氣缸完成，一個氣缸負(fù)責(zé)膜的夾緊，一個完成膜的搬運(yùn)。同時在膜的夾緊機(jī)械手上裝有光纖傳感器，判斷廢料膜的有無，來決定設(shè)備下一工序的運(yùn)動。

3 撕膜機(jī)控制系統(tǒng)

撕膜機(jī)硬件主要由電動和氣動完成。氣動部分選擇SMC系列產(chǎn)品。電動選用三菱Q系列PLC和三菱GT系列觸摸屏聯(lián)合控制方式，接收開關(guān)、按鈕和觸摸屏的輸入信號并輸出信號給執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成整個工藝流程。

撕膜機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括，PLC控制程序和觸摸屏界面設(shè)計等。根據(jù)生產(chǎn)工藝要求，設(shè)定在線和離線兩種操作方式，在線模式用于多臺設(shè)備串線使用。離線模式用于單臺設(shè)備運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用過程中，考慮生產(chǎn)中設(shè)備遇到各種問題，需設(shè)置報警。如膜的分離未完成報警、生瓷片定位失敗報警、生瓷片吸附失敗等。

4 生產(chǎn)中的常見問題

4.1 撕膜時膜與生瓷片不分離

現(xiàn)象是撕膜時膜未被撕起來，膜與生瓷片仍然吸附在撕膜臺上。解決辦法是首先判斷撕膜輪的粘性是否降低，由于長期使用，撕膜輪上會粘上灰塵、片屑等導(dǎo)致粘性降低，以致其粘性力小于生瓷片與膜的附著力。因此更換撕膜輪可解決這一問題。

4.2 撕膜時將生瓷片帶起

現(xiàn)象是撕膜時將膜與生瓷片整個帶起，生瓷片未吸附在撕膜臺上。解決辦法是檢查撕膜臺上角部負(fù)壓是否正常，負(fù)壓表的顯示值可以判斷，顯示值降低的原因有三個，第一個是氣源壓力不夠，第二個是連接撕膜臺角部的負(fù)壓發(fā)生器發(fā)生故障，第三個角部小孔發(fā)生堵塞。

4.3 上料機(jī)械手取片失敗

現(xiàn)象是上下料機(jī)械手不能成功吸附生瓷片，原因是機(jī)械手吸嘴負(fù)壓降低，負(fù)壓表的顯示值可以判斷，吸嘴長期使用造成堵塞，更換吸嘴即可。

4.4 下料機(jī)械手取片失敗

現(xiàn)象是上下料機(jī)械手不能成功吸附生瓷片，原因有兩個，第一是機(jī)械手吸嘴負(fù)壓降低，負(fù)壓表的顯示值可以判斷，吸嘴長期使用造成堵塞，更換吸嘴即可。第二個是撕膜完成后靜電未去除，需要檢查下料除靜電器是否正常。

5 結(jié) 論

自動撕膜機(jī)能夠兼容在線與離線兩種模式工作，同時具有翻片功能，在應(yīng)用過程中能夠完成生瓷片與PET膜、生瓷片與微粘膜的分離。極大提高了設(shè)備的利用率與操作靈活性，解放了原來手動撕膜的人工作業(yè)，將成為整個工藝過程中不可或缺的設(shè)備。

[1] 王睿，悅輝，周濟(jì)，杜波.LTCC層壓工藝與設(shè)備[J].封裝技術(shù)與設(shè)備，2012，213(1)：24-26.

The Research and Design of LTCC Automatic Tear Film Machine

WANG Xuejun，ZHUANG Yuan

(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)

This paper introduces the process of the tear film machine,mechanical structure,the way to control tear film structure，the problem which is probably met during practical application and presents the way to solve the problems.

Tear film machine；Tear film structure；Tear film process；Usual problems.

TN948.43

B

1004-4507(2017)03-0059-04

2017-03-14