LTCC生瓷切片機切刀組件的設計

王海珍，王 寧，楊 衛，張志耀

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

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LTCC生瓷切片機切刀組件的設計

王海珍，王 寧，楊 衛，張志耀

（中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024）

摘要：在LTCC切片工藝和原有切片機機構的基礎上，提出了切片機新的關鍵技術，并重點分析了切片組件對生瓷片質量的影響以及刀具材料特性和結構設計，最后根據用戶的反饋意見驗證了機構的使用效果。

關鍵詞：低溫共燒陶瓷；切片機；切刀組件；生瓷片

低溫共燒陶瓷技術是一種新型材料技術，它采用厚膜材料，根據預先設計的結構，將電極材料、基板、電子器件等一次性燒成，是一種可以實現高集成度、高性能電路封裝的技術。LTCC多層基板具有布線層數高、布線導體方阻小、介電常數低、燒結溫度低，熱膨脹系數小等優點，已成為了一種理想的多芯片組件（MCM）用基板。

LTCC工序包括流延、切片、打孔、填孔等，切片是LTCC多層基板制造中的重要工序，將流延之后的生瓷帶卷切成所需尺寸大小的生瓷片。生瓷片的質量直接影響后道打孔、印刷等加工工序的正常、有效運行。生瓷片的外形尺寸誤差過大，打孔時會影響生瓷片定位甚至機械手無法吸附導致不能正常打孔，造成生瓷片報廢；同時生瓷片的切口若殘留瓷渣、表面有損傷會影響印刷精度。因此，尺寸精確、切邊質量是LTCC得以順利生產的必要前提。

1　生瓷切片機

切片機主要由放料裝置、送帶機構、切刀組件、生瓷片收集裝置、電氣控制系統以及氣路控制器等組成，各部分相互獨立并協調實現切片機的整個工作過程。圖1為切片機的整機示意圖，生瓷帶卷通過送料機構輸送設定的距離后，通過切刀組件切成所需尺寸，最后由生瓷片收集機構將其收集在料盒內。其中自動送帶和切片技術是切片機的關鍵技術。送帶的精度影響生瓷片的精度；切刀組件的性能決定了生瓷片的質量。本文主要論述切刀組件的設計。

圖1　切片機機構示意圖

2　切刀組件設計

切刀組件是影響生瓷片的質量和切片機穩定運行的主要因素。設備的穩定運行不僅可以大大提高經濟效益，同時降低了工人的勞動強度。

切刀組件在使用過程中要求：刀片經久耐磨且使用中無變形；機構便于裝調、運行穩定、可靠。所以在設計時需要考慮的因素有：

（1）合適的刀具材料；

（2）結構簡單、容易調試；

（3）盡可能減少緊固件的數量和安裝的次數。

2.1 刀具材料的選擇

適合的刀具材料是保證刀具穩定、高效運行的基本條件。生瓷帶是由陶瓷粉和多種添加劑制成，由于材料自身的特殊性，在切片過程中會產生或多或少的瓷渣，對刀具造成嚴重的磨損。所以，在選擇刀具的材料時首先必須考慮的是刀片的耐磨性。其次，刀片本身在切片過程中會產生一定的磨損，影響其切片效果，需重復加工使用，最后，切刀在使用時，由于所切材質比較軟，沖擊較小，所以在選材時應考慮其具有一定的韌性、良好的可加工性和經濟適應性。

常用的刀具材料有工具鋼（包括碳素合金鋼、合金工具鋼和高速鋼）、硬質合金和其他超硬材料。

工具鋼中常作為刀具材料使用的是高速鋼，高速鋼可加工性好，熱處理變形較小，目前常用于制造各種復雜的薄刃和耐沖擊的金屬切削刀具。高速鋼刀具可以加工從有色金屬到高溫合金的各種材料。

硬質合金是用高硬度、高熔點的金屬碳化物粉末和金屬粘結劑經高壓成型后，再在高溫下燒結而成的粉末冶金制品。硬質合金中的金屬碳化物熔點高、硬度高、化學穩定性和熱穩定性較好，因此，硬質合金的硬度、耐磨性、耐熱性都很高，耐用度較高速鋼幾十倍；耐用度相同時，允許的切削速度遠高于高速鋼。

綜合考慮，刀片選用硬質合金，經過熱處理后，硬度可達到90～95 HRC。

圖2　上刀和下刀的關系圖

2.2 切刀組件的結構設計

切刀組件的結構設計從以下幾步進行：

（1）刀片結構。考慮到刀片在磨損后繼續加工重復使用，所以在設計切刀組件時刀片的結構比較厚，達到5 mm。

（2）刀片的安裝。一組刀具由上下兩個刀片組成，其中一個刀片固定，另一個刀片由上向下（或由下向上）運動固定的刀片發生貼合。由于所切材料比較軟，在刀片安裝時依據了剪刀的原理，上下兩個刀片成一定的角度安裝，經導向后呈一定角度發生剪切（如圖2所示）。

（3）運動刀片的導向。傳統的導向是通過導軌或軸承等導向體實現的，但由于此類導向體本身存在間隙，在后續的調試時影響刀間距的控制。這個結構中的切面導向選用了面與面之間的硬摩擦導向，即：先把刀片和與刀片硬度相當的導向板涂膠后用螺釘固定在同一個刀架上，靜置3 h以上后再在磨床上進行導向面的精加工達到所要求的光潔度和形位公差，從而實現它們的共面性；運動刀架兩側，安裝有兩個L型的導向塊，并在導向塊與運動刀架之間放置一對滾針軸承減小摩擦，通過調整左右兩個導向塊與運動刀架之間的間隙，限制運動刀架左右晃動，從而保證其在運動時沿著氣缸活塞的方向上下運動如圖3、圖4所示。

圖3　刀片安裝示意圖

圖4　刀片導向示意圖

（4）運動刀具的驅動。切刀的上下運動由氣缸來控制，氣缸推力的大小不僅影響切片過程的正常運行，同時還會影響生瓷片的質量，選擇合適的氣缸對整個機構也非常重要。

（5）刀間距調整。刀片安裝并加工完成以后，就是為適應不同厚度的生瓷片，調整上下兩個刀片切削平面之間距離如圖5所示。

圖5　上下刀距離調整圖

刀具的調整裝置左右各設兩個調整螺釘，根據生瓷片的厚度來前后調整刀具，操作非常簡單。上下兩個刀片分別固定在兩個刀柄上，由氣缸帶動上刀上下運行，兩刀的運行導向平面通過加工精度保證，同時在其兩側置有平面滾針軸承進行導向。切刀面和運行導向平面的“共面”性，使調整過程中，上下兩個刀片之間的間隙不會為負，從而消除在刀間距調整過程中出現的一種“打刀”現象。

3　效果驗證

圖6　切刀組件結構示意圖

為驗證此結構設計的效果，我們分別用0.05 mm、0.1 mm厚的PET膜，和厚度在0.5 mm以下的帶膜生瓷片（背膜厚度小于0.1 mm）進行了大量實驗，切片數量可達到百萬次，切后生瓷片質量良好，無明顯瓷渣。

4結論

設備經過客戶6個月的使用，認為：這種切刀組件結構裝調簡單、使用效果良好；普通的操作工人通過簡單的培訓即可調試出較好的使用狀態。這種結構的設計，大大提升了切片機的性能。

參考文獻：

［1］ 姬臻杰，王海珍，馮哲，等.LTCC工藝自動切片技術［J］.電子工藝技術，2011，32（1）：22-52.

中圖分類號：TN305

文獻標識碼：B

文章編號：1004-4507（2016）07-0018-03

收稿日期：2016-05-10

Design of the Cutter Assembly for LTCC Slicer

WANG Haizhen，WANG Ning，YANG Wei，Zhang Zhiyao

（The 2thResearch Insitute of CETC，Taiyuan 030024，China）

Abstract：On the basis of introducing LTCC process and slicer structure，this paper presents the key technologies of slicer.And this paper focuses on the impact on the Green ceramic quality of the cutter assembly and focuses on material properties and structural design of cutting tool.Finally，we verify the effect of the mechanism based on user feedback.

Keywords：LTCC（Low Temperature Co-Fired Ceramics）；Slicer；Cutter assembly；Green ceramic