片式多層陶瓷電容器全自動薄膜絲印機的研制

陳裕錦，梁平，陸永鑫，彭漢興

(廣東風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品制造業競爭力的核心之一。“十五”期間，新型元器件將重點支持片式元器件、光電子器件等的開發與生產，并重點發展與之相配套的電子（生產）專用設備、儀器。

片式多層陶瓷電容器(MLCC)因具有體積小、內部電感低、絕緣電阻高及漏電流小、介質損耗低和價廉等優點，被廣泛使用在各種電子整機中的振蕩、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展最快的一種片式化元件。

全自動薄膜絲網印刷機是生產片式多層陶瓷電容器的核心設備之一。目前，我國用于生產片式電子元件020l、0402與0603型號等高端產品的高精密薄膜絲網印刷機相當一部分由國外引進，每臺設備引進費用在一百到幾百萬元，使得國內中小企業無法承擔這一費用，直接影響到元器件產品制造水平的提高。

產生這一問題的原因之一是長期以來我國電子元器件生產裝備制造業與新型元器件的開發相脫節，導致了生產裝備制造與相關的應用性基礎研究落后。因此從元器件制造行業與生產裝備制造行業發展的角度出發，開展Roll to Roll制造工藝的片式多層陶瓷電容器內電極圖形高精密絲網印刷理論與薄膜絲網印刷設備設計理論的研究，以及研制一種Roll to Roll的高精密薄膜絲網印刷機是非常重要的和有現實意義的。

1 設備的工作原理

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

設備將薄膜載體以設定的恒定張力展開，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，漿料輸送系統將內電極漿料輸送到絲網，真空載臺吸附、定位載膜，絲印電機驅動鋪漿板和刮膠實現平穩印刷，把內電極漿料均勻印刷在陶瓷介質膜片上；然后經過熱風干燥和途中的除靜電裝置以及張力控制和自動糾偏系統，最后將薄膜卷繞成輥，完成整個絲印工作循環。

2 設計原則與擬解決的關鍵問題

根據MLCC內電極制作的工藝與相關的支持環境要求，可以確定Roll to Roll薄膜絲網印刷機的總體構成、設計中應遵循的原則和解決的關鍵問題。

從實際生產工藝要求出發，為確保絲印的內電極銀/鎳重、圖形質量、圖形干燥，內電極圖形組織均勻和氣密性好，且高效連續印刷，設計必須遵循如下原則：

(1)印刷機理上必須確保絲網印刷內電極圖形的可行性，其絲網印刷系統必須：恒速低慣性印刷運動、印刷壓力加載平穩恒定且負載大小連續可調、能夠實現網框三維方向微調整和網片間隙的補償；

(2)薄膜載體必須實現自動、等速與恒張力，且無跑偏、定距離傳送；

(3)實現印刷圖形自動干燥，并且帶寬方向干燥的溫度場分布均勻，實現干燥分區并按特定的指數規律升溫與降溫；

(4)內電極漿料實現等流量或者等壓強供給；

(5)實現印刷過程中陶瓷介質膜片的微小針孔、破損、斷膜等不良缺陷的監測與控制；

(6)系統具備高自動化，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的組成，設計Roll to Roll薄膜絲網印刷機時要解決的技術關鍵問題為：

(1)依據絲網印刷原理確定絲網印刷系統及最佳的絲印工藝參數；

(2)根據Roll to Roll制造工藝實現薄膜載體張力的精密性和穩定性協調控制；

(3)依據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調控制問題；

(4)利用機器視覺技術確保陶瓷介質膜片微小針孔等缺陷的判別，及印刷圖形質量的自動監控；

(5)干燥分區設計與寬度方向溫度場的均勻化設計問題；

(6)內電極漿料等壓強與等流量控制問題。

3 設備的總體方案

根據MLCC的生產工藝要求和設備的工作原理，綜合考慮設備的易操作性、結構工藝性、精度保持特性等因素，提出如圖1所示的薄膜絲網印刷機的總體設計布局。該布局充分利用設備空間，使整機結構緊湊。

圖1 薄膜絲印機的總體布局

4 典型部件的設計

4.1 薄膜載體展開張力及糾偏控制機構設計

根據薄膜絲印的工藝狀況和薄膜載體傳輸的特點，設計了如圖2所示的薄膜載體傳輸運動系統，主要包括：放卷及其驅動裝置、輸送薄膜載體的真空吸附滾筒及其伺服驅動裝置、薄膜邊緣檢測裝置（EPC）及伺服糾偏機構、離子消除靜電裝置、張力輥及其驅動裝置、導向輥、收卷及其驅動裝置等。

放卷載膜運動采用載膜通過放卷張力傳感器監測出放卷張力，在張力控制器的控制下通過磁粉制動器調節放卷輥的卷曲張力，實現勻速恒張力放卷。收卷載膜運動采用了載膜通過收卷張力傳感器測出相應的張力，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，配合伺服系統控制真空輥筒的轉角、從而達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行比較，通過張力控制器控制磁分離合器，驅動收卷或放卷軸，從而保證薄膜載體的恒速運行。

設計由超聲波檢測頭、直線運動電機和控制器組成糾偏系統。薄膜載體輸送過程中，超聲波檢測實時把薄膜邊緣偏移的檢測信號反饋到控制器，控制器通過直線運動電機動作即時進行調整，使薄膜邊緣能夠穩定地控制在極小的范圍內，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

4.2 絲網印刷部件設計

絲網印刷部件是絲印設備的關鍵部件，它的作用是對附著在薄膜載體上的陶瓷介質膜印刷一層一定形狀和尺寸的內電極圖形。

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、直線導軌、伺服電機驅動，保證印刷的平穩性和高精密。刮膠的角度可在0～90°范圍內任意調整；刮膠與鋪漿板均采用中間銷軸聯接，可饒銷軸在一定范圍內自由擺動，均可自由實現與薄膜載體、載臺、絲網之間的平行，保證印刷的均勻一致性。印刷頭可單獨打開一定的角度，便于刮膠與鋪漿板的清潔、絲網的更換、維護保養等工作。

為了保證印刷圖形處于陶瓷介質膜上的正確位置，在網框架上設置一個“疊層式”的微調裝置，即一定形狀的調節板疊在一起，利用導向滾子導向，實現x、y、θ三個方向的調整，調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構驅動，通過蝸輪蝸桿機構實現升降的微調，也就是絲網與載臺間隙的微調。

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陶瓷介質膜上產生吸附孔的凹痕，在載臺的上表面上粘貼一層密布孔徑的鎳網，這樣既能保證具有足夠的吸附力，又不會對薄膜產生不良影響。

每進行一次印刷，載臺就上下運動一次，為保證載臺在印刷時的定位精度，采用精密滾珠導套，使載臺的上下運動更平穩、定位更精確。

4.3 熱風干燥系統設計

為了保證印刷圖形的質量，在設計干燥系統時，首先要考慮的問題是干燥前必須使印刷圖形中有機溶劑充分揮發，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，升溫過程要逐步進行并滿足指數規律的增長曲線，降溫過程要防止“急冷”現象產生。因此，必須根據實際片式元件制造工藝的要求合理地設定溫度調節、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、熱板加熱法和熱風加熱法。無論那種方式都要防止閃點現象的產生，并且保證加熱產生的氣體快速排到廢氣回收系統中，防止對環境的污染和對操作者身體的損傷。

系統設計兩個獨立的溫區，均采取懸浮式的熱風烘干方式，保證印刷圖形能充分干燥。

空氣經鼓風機驅動，由加熱器前端進風口，經過一級過濾后進入加熱器的加熱箱，發熱棒加熱，最后再經二級過濾后進入烘箱。這里，烘箱的出風口由若干均布的窄道，便于對印刷圖形均勻烘干。進入烘箱的一部分熱風經管道重新進入烘箱，便于保持溫度的穩定性，一部分經抽風系統排出室外，以便帶走一些揮發物質，保證加熱箱內氣氛的穩定。

圖3 控制系統原理框圖

4.4 自動化控制系統設計

自動化控制系統實現整機所有功能的控制，包括薄膜載體放、收卷控制，伺服驅動控制，印刷系統控制，張力控制，糾偏控制，干燥系統控制，氣動系統控制等功能。控制系統原理框圖如圖4所示。系統采用了三菱系列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備的控制系統，實現設備對各系統高速通訊和數據處理，保證了設備運行的穩定性。

5 結束語

本文所述的全自動薄膜絲印機，在實際生產中得到驗證，在潔凈度10000級以上的凈化環境下，其薄膜張力控制誤差為±0.1kg，其內電極圖形的變形量:ΔX≤0.025mm、ΔY≤0.025mm，產能達到1300張/h，大大提高了生產質量和效率，使0603，0402甚至更小規格的片式多層陶瓷電容器的批量生產得以實現。

本文所述的薄膜絲印機的批量化生產，填補了國內MLCC產品全自動薄膜絲印機的空白，進一步推動了MLCC產品的發展和提高；也大大提高我國新型元器件的生產技術水平，滿足國內設備需求，替代進口，帶動電子專用設備產業整體技術水平，推動我國電子信息產業的快速發展，對實現我國電子裝備的現代化發揮重大作用，具有顯著的經濟效益和社會效益。

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