LTCC自動生產(chǎn)線的填孔技術(shù)研究

許睿

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

LTCC自動生產(chǎn)線是著力于改善目前LTCC手工生產(chǎn)線中物料的人工搬運(yùn)，數(shù)據(jù)人工采集等弊端，利用MES和SCADA系統(tǒng)在對生產(chǎn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)收集以及設(shè)備參數(shù)狀況的及時(shí)維護(hù)的基礎(chǔ)上，將生產(chǎn)數(shù)據(jù)、產(chǎn)品檢測數(shù)據(jù)以及設(shè)備參數(shù)緊密聯(lián)系的數(shù)字化生產(chǎn)線，達(dá)到生產(chǎn)過程可監(jiān)控、可預(yù)見、可優(yōu)化的目的。

填孔工序是LTCC自動生產(chǎn)工序中的關(guān)鍵工序之一，起著承上啟下的重要作用，為了層間電器連接而在生瓷片上的過孔中填充導(dǎo)電粉料，油墨等[1]。填孔質(zhì)量對基板質(zhì)量的影響非常重要，而且作為LTCC自動生產(chǎn)線的關(guān)鍵工序，快速有效是對填孔工序提出的新要求。

1 填孔技術(shù)

常用的通孔填充方法有兩種：（1）擠壓填孔；（2）網(wǎng)版印刷。

1.1 擠壓式填孔技術(shù)

擠壓式填孔具有易于制作、成本低、操作方便、可以填小孔等優(yōu)點(diǎn)，適合于LTCC大批量生產(chǎn)。但是，通過實(shí)際調(diào)研，這種生產(chǎn)方式具有比較明顯的缺點(diǎn)：

（1）LTCC電子漿料的主要成分為金屬導(dǎo)電粉料（Au、Ag等）和有機(jī)溶劑，在進(jìn)行長時(shí)間的擠壓填孔作業(yè)后，由于電子漿料反復(fù)承受巨大的壓力，其中的有機(jī)溶劑便會大量揮發(fā)，導(dǎo)致漿料黏度不斷增大，使填孔變得越來越困難。

（2）使用黏度較高的漿料進(jìn)行作業(yè)時(shí)，填孔質(zhì)量較差。例如生產(chǎn)中使用的銀導(dǎo)體漿料和混合導(dǎo)體漿料，由于導(dǎo)體顆粒較小，漿料黏度較大，填孔后撕掉微粘膜過程中容易將生瓷通孔中的漿料粘走，從而造成通孔漏填、虛填等現(xiàn)象。

（3）利用擠壓方式進(jìn)行填孔時(shí)，生瓷通孔中漿料易出現(xiàn)凸起現(xiàn)象，降低了一次填孔合格率，并給后續(xù)的絲網(wǎng)印刷造成困難。

實(shí)際生產(chǎn)中，需要隨時(shí)對黏稠漿料進(jìn)行回收攪拌處理，無形當(dāng)中增加了人工成本，降低了自動生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。

1.2 印刷式填孔技術(shù)

印刷式填孔的原理在于當(dāng)油墨被刮刀推向孔口時(shí)，轉(zhuǎn)動力施加在油墨上，油墨開始轉(zhuǎn)動，由于這個(gè)現(xiàn)象，油墨本身的黏性會降低，更容易推過孔口，改善了印刷的質(zhì)量，如圖1所示。

圖1 油墨滾動現(xiàn)象

一般需要采用微孔印刷機(jī)來完成通孔填充。采用掩膜印刷方法，掩膜板材料采用30～50 μm厚黃銅或不銹鋼箔，通過激光進(jìn)行打孔，實(shí)驗(yàn)表明采用網(wǎng)版印刷通孔填充效果更好，基板成品率高，同時(shí)可控制通孔漿料流變性、漿料黏度、印刷參數(shù)等，可獲得通孔盲孔率100%。

采用負(fù)壓抽吸的方法，可使孔的周圍均勻印有導(dǎo)體漿料，填充通孔的導(dǎo)體漿料與形成導(dǎo)電帶的導(dǎo)體漿料的組成成份不同，其黏度應(yīng)加以控制，充分使其凝膠化，使通孔填充飽滿[2]。

基于兩種填孔方式的對比，確定采用印刷式填孔，既能減少因?yàn)闈{料黏度改變帶來的影響，又能獲得良好的填孔效果。

2 填孔印刷機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對LTCC自動生產(chǎn)線生產(chǎn)速度快，人工干預(yù)少的特點(diǎn)，在原先填孔印刷機(jī)的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，使其能適應(yīng)LTCC自動生產(chǎn)線的生產(chǎn)。

2.1 自動上下料

首先是增加了自動上下料系統(tǒng)，當(dāng)流水線將上道工序完成的生瓷片傳輸?shù)教羁子∷C(jī)后，掃碼槍會根據(jù)生瓷片上的二維碼進(jìn)行鑒別篩選，當(dāng)需要填孔時(shí)，上下料機(jī)械臂會將生瓷片自動搬運(yùn)到印刷工位。這樣的改進(jìn)，改變了原先的人工上下料，減少了在人工搬運(yùn)生瓷片的過程中，對生瓷片的污染、掉片以及錯(cuò)拿等問題。

上下料機(jī)械臂由模組、伺服電機(jī)、吸盤、氣缸等組成，如圖2所示。

圖2 上下料機(jī)械臂

模組屬于集成式運(yùn)動組件，內(nèi)部集成了絲杠、導(dǎo)軌等傳動零件，實(shí)現(xiàn)工作的直線運(yùn)動，模組的驅(qū)動采用伺服電機(jī)驅(qū)動，以此帶動吸盤直線運(yùn)動。

2.2 印刷工作臺

生瓷片在視覺工位進(jìn)行定位后，移動到印刷工位進(jìn)行印刷。陶瓷吸盤和運(yùn)動平臺是印刷工作臺的關(guān)鍵部件。陶瓷吸盤由吸盤座和多孔陶瓷組成。為了保證吸盤的平整度，采用了7075鋁板加工。在鋁合金中，7075鋁屬于強(qiáng)度最高的合金之一，保證了加工后陶瓷吸盤的平面度，具備較高的抗變形能力。多孔陶瓷氣孔均勻，保證了生瓷片在陶瓷吸盤上吸附力強(qiáng)，吸附力均勻，如圖3所示。

圖3 印刷工作臺

運(yùn)動平臺由高精度定位平臺、鎖緊氣缸等組成，視覺對位后根據(jù)生瓷片上定位孔的偏差量，對位平臺自行計(jì)算實(shí)現(xiàn)自動對位，對位完成后鎖緊氣缸利用摩擦力將平臺鎖緊，防止在印刷過程中生瓷片在刮刀的作用下平臺位置移動，導(dǎo)致印刷圖形偏移。

由于采用了高精度定位平臺，能夠快速有效地實(shí)現(xiàn)圖形對位，經(jīng)測對位時(shí)間小于0.5 s，符合LTCC自動產(chǎn)線的生產(chǎn)要求。

2.3 網(wǎng)版自動升降系統(tǒng)

離網(wǎng)距離是影響填孔質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，原先的手動印刷機(jī)只能采取手動旋轉(zhuǎn)螺紋旋鈕的方式來調(diào)整離網(wǎng)距離。雖然以目前的加工精度能盡量保證精確的離網(wǎng)距離，但是在印刷準(zhǔn)備工作前就已經(jīng)耗費(fèi)了大量的時(shí)間。

通過改進(jìn)離網(wǎng)方式，采取了伺服電機(jī)驅(qū)動絲杠的方式來實(shí)現(xiàn)，只要在印刷前設(shè)定好離網(wǎng)距離即可實(shí)現(xiàn)自動準(zhǔn)確離網(wǎng)，不僅節(jié)省了準(zhǔn)備時(shí)間，而且能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)離網(wǎng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3 印刷式填孔機(jī)質(zhì)量影響

過于飽和、漿料少填都是飽滿度一致性差的表現(xiàn)。漿料少填，填孔飽滿度低，當(dāng)以一定的壓力對生坯進(jìn)行層壓后，在通孔處會形成凹陷，嚴(yán)重時(shí)會形成漏孔，燒結(jié)后甚至?xí)斐苫彘_路。如果凹陷出現(xiàn)在焊盤部分，則會影響焊盤金絲鍵合強(qiáng)度，造成器件開路。填孔過于飽和則影響主要體現(xiàn)在燒結(jié)后，造成孔凸起，影響基板表面平整度，同樣會影響焊盤金絲鍵合強(qiáng)度。

圖4 網(wǎng)版自動升降系統(tǒng)

針對不同產(chǎn)品，不同漿料對機(jī)器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置是保證填充質(zhì)量的關(guān)鍵。一般的，填孔印刷機(jī)的參數(shù)主要有：刮刀壓力，印刷速度，離網(wǎng)距離等。

刮刀壓力對孔質(zhì)量的影響體現(xiàn)在：孔的飽滿度隨著刮刀壓力的增加而增加；印刷速度的影響主要表現(xiàn)在：印刷速度過快，孔的飽滿度下降；生瓷片的離網(wǎng)距離增加，孔的飽滿程度會加大。圖5所示為合格產(chǎn)品。

圖5 合格的填孔狀態(tài)

4 結(jié) 論

通過調(diào)研LTCC填孔技術(shù)，對比兩種技術(shù)的特點(diǎn)，確定采取印刷式填孔來進(jìn)行LTCC自動化生產(chǎn)，并且對現(xiàn)有的填孔設(shè)備進(jìn)行了改造，目前的設(shè)備具有人工干預(yù)少，填孔質(zhì)量高，作業(yè)時(shí)間短的特點(diǎn)。