全自動LTCC熱切設(shè)備的技術(shù)研究

馬世杰,趙忠志

(中國電子科技集團公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)多層基板制作工藝與多層厚膜HIC工藝相比,技術(shù)復(fù)雜,難度很大,其最大難點在于工藝參數(shù)的敏感性、加工結(jié)果的非直觀性和燒后基板的不可返工性。對于具體的產(chǎn)品基板，因材料、尺寸、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、圖形分布、后燒狀態(tài)等的不同,往往需要通過多輪次的實際產(chǎn)品加工參數(shù)調(diào)整與漸進優(yōu)化，才能得到很滿意的LTCC基板，尤其是燒結(jié)、層壓的工藝參數(shù)，對基板的質(zhì)量影響很大。期望獲得合格、高質(zhì)量、高性能的LTCC基板，除了嚴格控制各個加工工序的材料、環(huán)境、參數(shù)、過程外,還必須在疊片前檢驗剔除不合格的生瓷片層,在燒結(jié)后監(jiān)控基板的收縮率、密度、強度、平整度、通斷狀態(tài)等關(guān)鍵指標[1]。

熱切工序是對層壓后的生瓷片進行預(yù)加熱，繼而根據(jù)需要進行雙面半切割和全切割，將生瓷片切割成產(chǎn)品，直接影響著最終產(chǎn)品的外形尺寸和后續(xù)裝框工藝的精度及合格率，在LTCC加工工序中起著關(guān)鍵性作用。然而傳統(tǒng)的熱切設(shè)備均為手動上下料，容易造成生瓷片變形，且生產(chǎn)率較低，不能滿足企業(yè)日益增長的產(chǎn)量需求[2]。本文通過LTCC熱切工藝的原理，并結(jié)合目前熱切設(shè)備的結(jié)構(gòu)，設(shè)計研發(fā)了全自動LTCC熱切設(shè)備，具有廣闊的市場前景。

1 熱切設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計

熱切設(shè)備主要由自動上下料機構(gòu)、熱切機構(gòu)、廢料清掃機構(gòu)、視覺系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)以及氣路控制系統(tǒng)等組成，各部分均采用模塊化設(shè)計，同時相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)熱切設(shè)備的整個工藝過程，圖1為熱切設(shè)備的整機示意圖。

圖1 熱切設(shè)備整機結(jié)構(gòu)示意圖

全自動熱切設(shè)備只需操作人員定時定量地在上料料盒內(nèi)添加成摞生瓷片和取走下料料盒內(nèi)的生瓷片即可，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備對操作人員的技能要求。

1.1 自動上下料機構(gòu)設(shè)計

自動上下料機構(gòu)由料盒、上料料盒升降機構(gòu)、上料傳輸機構(gòu)、下料傳輸機構(gòu)以及下料料盒升降機構(gòu)構(gòu)成，主要實現(xiàn)生瓷片在上料料盒、熱切平臺以及下料料盒之間的傳輸。

自動上料機構(gòu)結(jié)構(gòu)由上料升降機構(gòu)、上料傳輸機構(gòu)、料盒組成，為了提高熱切效率，有效降低生瓷片在熱切平臺上的預(yù)熱時間，在自動上料機構(gòu)中設(shè)置有預(yù)熱吸附板，可以在傳輸過程中就進行生瓷片的預(yù)熱過程，如圖2所示。自動下料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)與自動上料機構(gòu)的結(jié)構(gòu)類似，同時將生瓷片的上下料盒的取放設(shè)計成抽屜式，便于操作人員對生瓷片的取放。

圖2 自動上料機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

自動上下料機構(gòu)的工作流程為：操作人員將成摞的生瓷片放置于料盒內(nèi)，同時將料盒推入上料待機位并將定位按鈕按下；然后料盒升降機構(gòu)檢測到料片，同時將料片頂升至吸片位；此時位于上料吸片位的傳輸機構(gòu)將吸附氣缸下放，同時開啟真空吸附料片，吸附氣缸上下抖動確保吸附單片，此時上料升降機構(gòu)也隨之下降；抖動后傳輸機構(gòu)將料片傳輸至熱切平臺，循環(huán)往復(fù)直至上料料盒內(nèi)沒有生瓷片，待生瓷片切割完畢后，由自動下料機構(gòu)將料片放置于料盒內(nèi)。

1.2 熱切機構(gòu)設(shè)計

熱切機構(gòu)主要由熱切刀架、左右視覺系統(tǒng)和熱切平臺組成，如圖3所示，其中熱切平臺采用絲杠導(dǎo)軌副并輔以光柵尺實現(xiàn)對于平臺移動的閉環(huán)控制從而保證Y軸方向的精密移動，同時熱切平臺上安裝有高精度的直驅(qū)馬達實現(xiàn)生瓷片的精密旋轉(zhuǎn)；而熱切刀架則實現(xiàn)生瓷片在Z軸方向上的精密切割深度控制；同時通過視覺系統(tǒng)在X方向上的移動實現(xiàn)生瓷片上Mark點的自動搜尋，保證切割的精度。

熱切機構(gòu)的主要工作流程為：自動上料機構(gòu)將生瓷片放置于熱切平臺上，同時熱切平臺開啟真空吸附生瓷片，在達到預(yù)熱時間后，將生瓷片移動至視覺定位工位進行Mark搜尋，并配合視覺系統(tǒng)調(diào)整XYθ軸的移動實現(xiàn)生瓷片的精確定位，然后熱切平臺和熱切刀架根據(jù)熱切工藝文件依次對生瓷片進行等距等深的高精度切割；生瓷片切割完成后，熱切平臺將生瓷片傳輸下料接片位，自動下料機構(gòu)將生瓷片傳輸至下料料盒，如圖4所示。

圖3 熱切機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 熱切機構(gòu)工作流程示意圖[3]

1.3 廢料清掃機構(gòu)設(shè)計

由于不同產(chǎn)品熱切工藝的需要，自動熱切設(shè)備中設(shè)計有廢料清掃機構(gòu)，以實現(xiàn)熱切廢料的自動清掃。

廢料清掃機構(gòu)由Y向清掃氣缸、Z向清掃氣缸、清掃板以及廢料導(dǎo)出板組成，如圖5所示。

圖5 廢料清掃機構(gòu)示意圖

廢料清掃機構(gòu)主要工作流程為：自動下料機構(gòu)將熱切平臺上切割完畢的生瓷片吸附后，熱切平臺移動至廢料清掃工位，同時Z向清掃氣缸下降與熱切平臺貼合，Y向清掃氣缸移動，將廢料清掃至廢料導(dǎo)出板，廢料通過廢料導(dǎo)出板進入設(shè)備外部放置的廢料回收桶內(nèi)。

2 熱切設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 視覺系統(tǒng)的控制

熱切設(shè)備的視覺系統(tǒng)采用雙相機對位方式，其硬件主要包括視覺圖像采集處理軟件、左右相機及其配套的環(huán)形光源和鏡頭。兩個相機與熱切平臺平面有一定的夾角，以保證視覺對位的基準線與熱切刀架的刀片刀刃直線重合，進而識別生瓷片左右兩邊的Mark點，使得圖像采集處理后，可以直接進行生瓷片的切割，提高生產(chǎn)效率。

2.1.1 視覺標定過程

視覺標定主要是建立相機圖像坐標系與工作臺坐標系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而實現(xiàn)視覺采集處理系統(tǒng)對工作臺各方向移動的對應(yīng)控制。主要標定過程為：首先熱切平臺上放置1張生瓷片，工作臺移動直至生瓷片的Mark點進入相機視野，分別建立左右相機的Mark點模板；其次，重新更換1張生瓷片，并將Mark點移動至左右相機的視野內(nèi)，視覺采集處理軟件對比模板，找到Mark點的圓心，視覺采集處理軟件控制熱切平臺進行Y和θ方向的移動，建立像素偏移量與熱切平臺偏移量之間的對應(yīng)比例關(guān)系。

2.1.2 視覺自動對位流程

根據(jù)產(chǎn)品的工藝文件，熱切平臺將生瓷片移動至第一Mark位，左右相機視野中出現(xiàn)待識別的Mark，并進行圖像采集，并與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的模板圖片進行對比，找出采集圖像的中心點，視覺處理軟件根據(jù)精度設(shè)定的要求，計算左右兩個Mark點與基準線之間的相對位置偏差，控制熱切平臺Y和θ方向的偏移量，然后重新采集圖像判斷是否滿足精度要求，如果沒有，重復(fù)操作直至滿足設(shè)定的精度要求。

2.2 運動系統(tǒng)的控制

運動控制系統(tǒng)包括熱切機構(gòu)控制系統(tǒng)和自動上下料機構(gòu)控制系統(tǒng)，為了便于控制選用安川的高精度伺服電機配合運動控制板卡，從而實現(xiàn)各運動軸之間的密切配合。

熱切機構(gòu)控制系統(tǒng)主要包括X、Y、Z和θ四個方向的運動，共5個軸。其中Y軸和θ軸配合視覺系統(tǒng)進行Mark點的自動對位，為了實現(xiàn)高精度的移動，選用伺服電機、高精度絲杠導(dǎo)軌副，并輔以光柵尺進行閉環(huán)控制，實現(xiàn)高精度的切割位置；X軸的運動是為了控制相機左右尋找Mark的功能，精度要求相對較低，但是要求結(jié)構(gòu)簡單小巧，因此選用標準的小型模組配合伺服電機；Z軸的運動主要保證切割深度的控制，因此，Z軸伺服電機選用力矩模式，當?shù)都馀c熱切平臺接觸并達到設(shè)定力矩時，確定為Z軸零點，同時高精度絲杠導(dǎo)軌以及光柵尺的反饋保證運動精度，實現(xiàn)切割深度的精密控制。

自動上下料機構(gòu)控制系統(tǒng)由伺服電機驅(qū)動，帶動絲杠驅(qū)動料盒的升降至吸片位，同時吸附臺氣缸下降，開啟真空，吸附起生瓷片，并進行上下抖動，確保只吸附一片；傳輸電缸吸附料片至熱切平臺，解除真空，生瓷片放置于熱切平臺上，待生瓷片熱切完成后，下料傳輸機構(gòu)采用類似結(jié)構(gòu)和工作流程完成下料。

3 結(jié)束語

隨著LTCC行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的熱切設(shè)備已經(jīng)不能滿足更高精度和更高產(chǎn)量的發(fā)展需求。本文研制的全自動LTCC熱切設(shè)備實現(xiàn)LTCC產(chǎn)品的熱切工藝的全自動化生產(chǎn)，大大解放了勞動力，大幅提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)過客戶的反饋，全自動熱切設(shè)備較傳統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)效率提高30%以上，同時大大降低了設(shè)備的操作難度和對操作工的技術(shù)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。