LTCC自動生產線的填孔技術研究

2018-08-17 06:12:36許睿

電子工業專用設備 2018年4期

許睿

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原 030024)

LTCC自動生產線是著力于改善目前LTCC手工生產線中物料的人工搬運，數據人工采集等弊端，利用MES和SCADA系統在對生產數據、產品檢測數據的實時收集以及設備參數狀況的及時維護的基礎上，將生產數據、產品檢測數據以及設備參數緊密聯系的數字化生產線，達到生產過程可監控、可預見、可優化的目的。

填孔工序是LTCC自動生產工序中的關鍵工序之一，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電粉料，油墨等[1]。填孔質量對基板質量的影響非常重要，而且作為LTCC自動生產線的關鍵工序，快速有效是對填孔工序提出的新要求。

1 填孔技術

常用的通孔填充方法有兩種：（1）擠壓填孔；（2）網版印刷。

1.1 擠壓式填孔技術

擠壓式填孔具有易于制作、成本低、操作方便、可以填小孔等優點，適合于LTCC大批量生產。但是，通過實際調研，這種生產方式具有比較明顯的缺點：

（1）LTCC電子漿料的主要成分為金屬導電粉料（Au、Ag等）和有機溶劑，在進行長時間的擠壓填孔作業后，由于電子漿料反復承受巨大的壓力，其中的有機溶劑便會大量揮發，導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行作業時，填孔質量較差。例如生產中使用的銀導體漿料和混合導體漿料，由于導體顆粒較小，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、虛填等現象。

（3）利用擠壓方式進行填孔時，生瓷通孔中漿料易出現凸起現象，降低了一次填孔合格率，并給后續的絲網印刷造成困難。

實際生產中，需要隨時對黏稠漿料進行回收攪拌處理，無形當中增加了人工成本，降低了自動生產線的生產效率。

1.2 印刷式填孔技術

印刷式填孔的原理在于當油墨被刮刀推向孔口時，轉動力施加在油墨上，油墨開始轉動，由于這個現象，油墨本身的黏性會降低，更容易推過孔口，改善了印刷的質量，如圖1所示。

圖1 油墨滾動現象

一般需要采用微孔印刷機來完成通孔填充。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，通過激光進行打孔，實驗表明采用網版印刷通孔填充效果更好，基板成品率高，同時可控制通孔漿料流變性、漿料黏度、印刷參數等，可獲得通孔盲孔率100%。

采用負壓抽吸的方法，可使孔的周圍均勻印有導體漿料，填充通孔的導體漿料與形成導電帶的導體漿料的組成成份不同，其黏度應加以控制，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，既能減少因為漿料黏度改變帶來的影響，又能獲得良好的填孔效果。

2 填孔印刷機的優化設計

針對LTCC自動生產線生產速度快，人工干預少的特點，在原先填孔印刷機的基礎上，對系統進行了優化，使其能適應LTCC自動生產線的生產。

2.1 自動上下料

首先是增加了自動上下料系統，當流水線將上道工序完成的生瓷片傳輸到填孔印刷機后，掃碼槍會根據生瓷片上的二維碼進行鑒別篩選，當需要填孔時，上下料機械臂會將生瓷片自動搬運到印刷工位。這樣的改進，改變了原先的人工上下料，減少了在人工搬運生瓷片的過程中，對生瓷片的污染、掉片以及錯拿等問題。

上下料機械臂由模組、伺服電機、吸盤、氣缸等組成，如圖2所示。

圖2 上下料機械臂

模組屬于集成式運動組件，內部集成了絲杠、導軌等傳動零件，實現工作的直線運動，模組的驅動采用伺服電機驅動，以此帶動吸盤直線運動。

2.2 印刷工作臺

生瓷片在視覺工位進行定位后，移動到印刷工位進行印刷。陶瓷吸盤和運動平臺是印刷工作臺的關鍵部件。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，吸附力均勻，如圖3所示。

圖3 印刷工作臺

運動平臺由高精度定位平臺、鎖緊氣缸等組成，視覺對位后根據生瓷片上定位孔的偏差量，對位平臺自行計算實現自動對位，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，能夠快速有效地實現圖形對位，經測對位時間小于0.5 s，符合LTCC自動產線的生產要求。

2.3 網版自動升降系統

離網距離是影響填孔質量的一個重要參數，原先的手動印刷機只能采取手動旋轉螺紋旋鈕的方式來調整離網距離。雖然以目前的加工精度能盡量保證精確的離網距離，但是在印刷準備工作前就已經耗費了大量的時間。

通過改進離網方式，采取了伺服電機驅動絲杠的方式來實現，只要在印刷前設定好離網距離即可實現自動準確離網，不僅節省了準備時間，而且能夠實現精準離網。系統結構如圖4所示。

3 印刷式填孔機質量影響

過于飽和、漿料少填都是飽滿度一致性差的表現。漿料少填，填孔飽滿度低，當以一定的壓力對生坯進行層壓后，在通孔處會形成凹陷，嚴重時會形成漏孔，燒結后甚至會造成基板開路。如果凹陷出現在焊盤部分，則會影響焊盤金絲鍵合強度，造成器件開路。填孔過于飽和則影響主要體現在燒結后，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度。