柔性電子制造技術(shù)在疊壓機設計中的應用研究

楊 志，武 杰

( 中國電子科技集團公司第四十五研究所， 北京 100176)

柔性基板卷到卷（R2R）制造技術(shù)是柔性電子器件制造的一種工藝方法，是一種連續(xù)制造工藝。與傳統(tǒng)的非連續(xù)制造工藝（片式制造工藝）相比，R2R 制造過程中減少了人為的操作和管理因素影響，是一種更加高效、更加可靠的工藝，更適合柔性電子制造大規(guī)模生產(chǎn)。其基本流程為：柔性基板從放卷單元的料卷卷出后連續(xù)經(jīng)過多個工藝模塊，在柔性基板上進行連續(xù)加工（薄膜沉積、圖案化、封裝等），最后基板再卷成圓筒狀料卷。R2R 連續(xù)生產(chǎn)方式屬于串行過程，包括卷出、加工、收卷3 個基本環(huán)節(jié)，每個工序的輸出是下一個工序的輸入，已經(jīng)成為射頻器件（RFID）、薄膜太陽能電池、有機物發(fā)光二極管（OLED）、印刷電子等領(lǐng)域理想的制造技術(shù)。

片式多層陶瓷電容器（Multi-layer Ceramic Capacitors，MLCC）是電子信息產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心的元器件之一，廣泛應用于消費電子、汽車電子、航天航空、船舶、醫(yī)療設備、軌道交通等領(lǐng)域，是目前應用最普遍的陶瓷電容產(chǎn)品。疊壓機是MLCC 生產(chǎn)制造工藝過程中的關(guān)鍵設備之一，其將印刷好的陶瓷介質(zhì)膜片一張張按一定錯位整齊疊放壓合在一起形成厚度一致的巴塊（Bar）。柔性基板傳輸系統(tǒng)是制造MLCC 疊壓機的核心技術(shù)之一，需要疊壓的陶瓷介質(zhì)印制在成卷的柔性基板上，通過傳輸系統(tǒng)連續(xù)不斷卷出、傳送到剝離工位進行介質(zhì)層剝離、收卷，該工藝流程正是R2R 制造技術(shù)的應用。

1 MLCC 疊壓機R2R 系統(tǒng)的組成

R2R 系統(tǒng)的主要組成單元相似，但依據(jù)不同的制造工藝，R2R 集成系統(tǒng)有所不同。MLCC 疊壓機的R2R 系統(tǒng)組成包括放卷單元、糾偏單元（邊緣位置控制）、擺輥張力控制單元A、進給單元（真空吸附輥）、工作單元（剝離臺）、擺輥張力控制單元B、收料進給單元，如圖1 所示，其關(guān)鍵技術(shù)主要是放/收卷技術(shù)、基板牽引技術(shù)，張力控制技術(shù)和糾偏技術(shù)。

1.1 放卷/收卷單元

放卷/ 收卷系統(tǒng)在電機驅(qū)動下將成卷柔性基板展平，為R2R 系統(tǒng)輸送卷材。在R2R 系統(tǒng)連續(xù)運行中，使用的柔性基板無法無限繞卷在一根芯軸上，需要根據(jù)基板尺寸和系統(tǒng)更換料卷。為降低對系統(tǒng)的干擾，常需要在設備中配置單獨的接料平臺或換卷機構(gòu)。放卷系統(tǒng)需要考慮更料軸卷筒的方便性，通常采用氣脹軸或滑差軸與料卷軸連接，完成新、舊料卷更換。氣脹軸內(nèi)部設有橡膠氣囊，在充入壓縮空氣后，橡膠氣囊膨脹，將氣脹軸部分表面頂起滑出，壓緊料軸卷筒內(nèi)壁，使氣脹軸與料卷可靠連接。放氣后，脹起部件自動縮回，使氣脹軸與料軸卷筒分離。氣脹軸根據(jù)滑出部件的形式可分為鍵式氣脹軸、板式氣脹軸、圓點氣脹軸、鋁合金氣脹軸與氣釘軸等。

在張力要求不高的場合可以采用滑差軸作為放/收卷料軸，并提供一定精度的張力控制?；钶S由多個滑差環(huán)組成，利用滑差軸上各個滑差環(huán)打滑的原理，始終保持恒定張力收放卷。工作時，滑差環(huán)以一定的滑轉(zhuǎn)力矩值（扭矩）打滑，滑動量正好補償產(chǎn)生的速度差，從而準確地控制卷料張力以恒張力卷取，保證了卷取質(zhì)量[1]。

收卷系統(tǒng)是將加工完成的產(chǎn)品重新卷繞成卷，其結(jié)構(gòu)與開卷系統(tǒng)相似，但收卷系統(tǒng)必須采用電機主動收料，收卷張力控制更為嚴格。如果收卷張力過大，則外圈基板會對內(nèi)圈基板產(chǎn)生擠壓，造成內(nèi)圈基板內(nèi)張力減少而產(chǎn)生松動。如果收卷張力過小，則料卷容易產(chǎn)生滑形，形成塔形。

1.2 進給單元

進給單元為工作區(qū)精確輸送柔性基板，進給裝置分為對輥夾持式、夾持式和真空吸附輥等。對輥夾持式通過共同驅(qū)動多套對輥保證柔性基板穩(wěn)定、高效進給，這種進給方式可有效削弱大跨距中基板彈性變形對進給精度的影響；夾持式進給機構(gòu)壓緊基板，利用電機帶動基板往返運動，可有效免避對輥進給的跑偏問題，實現(xiàn)高進給精度；真空吸附輥適用于表面不能受壓的柔性基板傳輸。

1.3 張力控制單元

柔性基板在傳輸過程中如果受到的張力值過小，基板定位性和同步性會降低；如果張力值過大，基板可能過度變形甚至斷裂。張力控制單元用于保持基板張力在設定范圍，并減小張力波動，避免傳輸過程中基板出現(xiàn)波浪或褶皺。張力控制系統(tǒng)按選擇的張力控制器類型一般可分為手動、半自動、和全自動三類。

手動張力控制通常設置在收卷和放卷模塊，隨著卷徑變化而分階段手動調(diào)整料軸阻尼進行基板張力調(diào)整。手動調(diào)整的對象為帶摩擦阻尼的滑差軸、料軸上的磁粉制動器或離合器的勵磁電流。半自動張力控制是在收卷和放卷過程中自動檢測卷筒外徑，利用卷徑變化的輸出信號控制收卷轉(zhuǎn)矩或放卷制動轉(zhuǎn)矩，調(diào)整基板中張力。在張力恒定時，根據(jù)卷筒徑與卷軸扭矩的比例關(guān)系進行控制，即控制基板張力（F）與施加轉(zhuǎn)軸扭矩（T）和卷徑（D）之間的關(guān)系為F=2T/D[2]。

全自動張力控制是由張力傳感器直接測定輸送基板的實際張力值，通過張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號反饋回張力控制器，并與控制器預先設定的張力值對比，計算控制信號輸入到自動控制執(zhí)行單元，達到張力穩(wěn)定。

1.4 糾偏控制單元

基板發(fā)生橫向偏移對卷繞設備的影響貫穿于整個工藝過程中，會造成加工區(qū)定位精度降低，誤差增大，收料卷參差不齊等，影響產(chǎn)品質(zhì)量。R2R系統(tǒng)要求穩(wěn)定進給的同時需要保證橫向定位精度，特別是在套印印刷等定位要求較高的設備中。糾偏裝置通過專用紅外或超聲傳感器對基板縱向的偏移進行實時測定，并對偏移基板進行糾正。

2 MLCC 疊壓機柔性基板傳輸系統(tǒng)的設計

2.1 放/收卷單元的設計

放卷單元通過展開平鋪卷材使其實現(xiàn)柔性基板的進料，設計了一種采用氣脹軸作為放料芯軸的放/收卷單元結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。該單元主要包括放卷驅(qū)動電機、減速機、齒型同步帶、同步帶輪、軸承座、氣脹軸等。其中，放卷驅(qū)動電機選用伺服電機，以實現(xiàn)放卷速度的快速響應和張力的精確調(diào)節(jié)，從而使放卷更加平穩(wěn)；電機連接減速器得到旋轉(zhuǎn)扭矩，通過齒形同步帶/ 帶輪結(jié)構(gòu)力矩傳遞到氣脹軸（放料芯軸）；氣脹軸通過兩個軸承座安裝定位，前端軸承座軸承采用雙向固定支撐，保證軸向位置精度，后端軸承座軸承采用游動支撐方式，確保氣脹軸順暢運行。氣脹軸表面設置有5 個橡膠脹鍵，如圖3 所示，通過壓縮空氣驅(qū)動脹鍵凸起實現(xiàn)放料芯軸與料卷間的固定。

圖2 放卷單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 氣脹軸示意圖

2.2 進給單元的設計

MLCC 疊壓機的料卷通常使用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET ) 作為柔性基板材料，其上為印有電極電路的陶瓷介質(zhì)膜片。料卷受驅(qū)動進給時需避免表面受壓力或滑動摩擦，以免介質(zhì)膜層被刮花影響最終產(chǎn)品特性。

設計使用真空吸附輥作為進給裝置。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，真空吸附輥包括芯軸和輥筒，輥筒兩端過軸承與芯軸同軸連接；芯軸內(nèi)具有抽氣通道，抽氣通道的一端設置真空吸口與抽真空設備相連接；芯軸外表面上開有多個沿芯軸軸向排列的抽氣孔；輥筒圓柱面上開有多排沿輥筒軸向排列的吸附孔組，每排吸附孔組由多個沿輥筒圓周向排列的吸附孔組成；芯軸上設置有密封板，密封板與輥筒體內(nèi)壁相貼合，密封板、芯軸外壁、輥筒內(nèi)壁間組合形成吸附腔；輥筒與芯軸相對轉(zhuǎn)動，輥筒上與吸附腔相對應處的吸附孔與吸附腔和抽氣孔連通，形成吸附卷材所需的負壓；兩個軸向密封板間的輥筒區(qū)域即為真空吸附輥的吸附區(qū)。輥筒一端通過聯(lián)軸器與電機相連，通過伺服電機控制卷材的進給量，柔性基板與真空輥面間無相對運動，保證每次卷材進給量準確。

圖4 真空吸附輥示意圖

2.3 張力控制單元設計

2.3.1 張力控制方法

引起張力變化的主要因素有多種，包括：放/收料卷的卷徑、轉(zhuǎn)動慣量不斷變化、各輥軸間的平行度、輥筒表面的摩擦力變化等。設計傳輸系統(tǒng)時，各擺動軸輥與固定換向軸的輥筒選用鋁合金材質(zhì)，減小輥筒的轉(zhuǎn)動慣量，從而減輕啟停慣量波動；各固定換向輥軸采用簡支梁方式安裝，避免懸臂梁安裝方式，確保輥軸間軸向平行度精度；表面采用鍍覆耐磨性金屬層處理，并經(jīng)磨削加工，保證輥筒面形狀公差精度，減少輥筒面對基板施加應力變化。

按照柔性基板傳輸功能區(qū)域劃分，R2R 系統(tǒng)中的張力可以分為放卷張力、收卷張力、中間區(qū)域張力，通常各區(qū)域的張力需要單獨控制。在較長R2R 系統(tǒng)中，中間區(qū)域分為多段控制，每段柔性基板的線速度相等。MLCC 疊壓機系統(tǒng)中，中間區(qū)域為剝離臺工作區(qū)域，該區(qū)域張力調(diào)節(jié)通過剝離臺水平軸運動實現(xiàn)。MLCC 疊壓機的張力控制單元設計主要涉及放卷張力和收卷張力控制。

開環(huán)張力控制如圖5(a)所示，通過設定料卷速和其力矩乘積為常數(shù)，求出電機速度控制曲線，按此速度曲線來控制電機動作，適合于張力精度要求不高、無法測量張力信號的情況。這種控制方式通過控制輥輪速度來間接達到張力控制的效果，缺點是張力穩(wěn)定性較差，無法對柔性基板的實際張力進行實時反饋和對多區(qū)段張力進行控制。閉環(huán)張力控制如圖5(b)所示，引入張力反饋信號與給定張力值相比較，然后利用其差值經(jīng)調(diào)節(jié)器作用到被控對象上，使偏差盡可能的小，維持基板張力的穩(wěn)定。需要確定所采用的反饋器件和浮輥／張力傳感器輥。此種張力控制方式在輸送環(huán)節(jié)加入張力傳感器，通過張力傳感器的反饋來調(diào)節(jié)放卷輥的速度，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，優(yōu)點在于除了原先具有的速度控制系統(tǒng)外，還包含了張力傳感器反饋張力控制系統(tǒng)，速度和張力控制系統(tǒng)可以確?；逶趥鬏斶^程中保持恒定張力和速度穩(wěn)定，同時可以通過控制送料輥、轉(zhuǎn)速得到所需張力值，具有控制精度高、抗干擾能力強的特點[3]。

圖5 開環(huán)、閉環(huán)張力控制方式

2.3.2 張力控制單元的結(jié)構(gòu)設計

MLCC 疊壓機的放卷、收卷張力控制采用閉環(huán)張力控制，如圖6 所示。該結(jié)構(gòu)主要由張力電機、聯(lián)軸器、角度測量儀（非接觸式光學電位器）、軸承、上下擺桿、固定軸輥、擺桿軸輥等組成。其中，張力控制電機選用力矩電機或伺服電機（選用力矩模式），通過聯(lián)軸器及軸承連接兩根上下擺桿機構(gòu)，而由于擺桿采用杠桿的機械結(jié)構(gòu)設計，為保證作用于擺桿軸輥上的足夠張力，一般選用較大功率的張力電機，且不采用減速機，以減小張力穩(wěn)定時的波動值。

圖6 張力控制單元結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 糾偏控制單元的設計與應用

2.4.1 基板偏移的產(chǎn)生原因

造成基板橫向偏移影響因素主要有4 個：

（1）設備因素

包括設計缺陷（跨距過大、包覆角過?。┖图庸ぱb配誤差，基板在大跨距的輥筒上更易發(fā)生橫向偏移，而包覆角過小會導致基板和輥筒之間的摩擦力不足而發(fā)生滑移，輥筒加工精度存在誤差，而裝配過程中又難以保證眾多輥筒之間的平行度，必然導致基板的橫向偏移；

（2）材料幾何缺陷

如料卷不齊、邊緣松弛、中間皺褶等，使基板在初始位置即存在橫向偏差；

（3）工藝因素

不同材料基板（如材料楊氏模量、基板寬度、厚度等）需要不同的工藝參數(shù)（基板張力和進給速度），否則會對基板橫向偏移產(chǎn)生較大影響；

（4）人為因素

人工操作完成料卷的裝載、布料和換料時前后兩段基板拼接都會導致存在初始橫向偏差[4]。

2.4.2 糾偏控制原理

糾偏控制單元是一個標準的閉環(huán)控制系統(tǒng)，按照其功能可分為3 個單元模塊，分別是完成偏差量采集的檢測傳感器單元、控制整個系統(tǒng)正常運行的控制器單元、以及執(zhí)行控制器指令的驅(qū)動器單元。

糾偏檢測傳感器通過固定支架安裝在設備上，卷材在通過傳感器時，傳感器檢測卷材的邊緣，將檢測到的邊緣位置信號處理成控制器能識別的電信號后，控制器將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成位置信號并與設定的基準位置值進行比較，判斷偏移量和移動方向是否一致，再根據(jù)偏移量與偏移方向產(chǎn)生相應的控制指令，驅(qū)動器控制執(zhí)行機構(gòu)推動卷材回到基準位置。

糾偏控制的3 種常見檢測方式包括：EPC（Edge Position Control）指對卷材邊緣上圖案的深淺分界線等進行檢測跟蹤的檢測方式；LPC（Line Position Control）指對印刷在卷料邊緣上的標記線進行檢測的控制方式；CPC（Center Position Control）通過對卷材的兩側(cè)邊緣（齊或不齊）的檢測，實現(xiàn)對卷材中心跟蹤檢測的方式。

2.4.3 糾偏控制單元的結(jié)構(gòu)設計與應用

MLCC 疊壓機在放卷工藝環(huán)節(jié)設計了糾偏控制單元，采用EPC 邊緣位置控制技術(shù)。放料糾偏單元結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 放卷糾偏控制結(jié)構(gòu)示意圖

控制器通過支架與導軌連接，卷材通過放卷機構(gòu)也與支架相連，驅(qū)動器可帶動支架沿導軌運動，實現(xiàn)卷材橫向位置調(diào)整。實際使用中，選用日本三橋的糾偏系統(tǒng)，包括PW-1000 型控制器、PD-610 型驅(qū)動器和PS-400 型檢測器。其中，PW-1000 型控制器采用微機控制技術(shù)，可同時接收1 個或2 個三橋傳感器（不同型號可混合使用）的信號，也可進行EPC、LPC、CPC 控制。PD-610型驅(qū)動器所驅(qū)動的無刷直流伺服電機具有無需更換電刷、壽命長、免保養(yǎng)、電機速度大、響應速度快等優(yōu)點。PS-400 型檢測器是超聲波傳感器。

3 結(jié)束語

柔性基板傳輸系統(tǒng)設計保證了柔性料片在設定恒張力下的精確傳輸，實現(xiàn)了柔性電子長時間連續(xù)生產(chǎn)，確保了制造的高效性與可靠性。同時，其緊湊的結(jié)構(gòu)與各功能單元的合理布局也更適合電子設備的應用需求。各項單元技術(shù)不僅在MLCC 疊壓機中應用良好，也可應用于MLCC 制程的疊壓前道工序設備MLCC 印刷機的制造。