呂琴紅，張志耀

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

LTCC印刷機(jī)卷紙機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

呂琴紅，張志耀

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

卷紙機(jī)構(gòu)是LTCC印刷機(jī)的重要組成部分。從其結(jié)構(gòu)性能、走紙精度、紙帶張力控制以及正反轉(zhuǎn)功能實(shí)現(xiàn)等方面考慮，對卷紙機(jī)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，卷紙機(jī)構(gòu)運(yùn)行良好，其走紙誤差控制在允許范圍之內(nèi)，其余各項(xiàng)功能均滿足使用要求。

LTCC印刷機(jī)；卷紙機(jī)構(gòu)；走紙精度

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子整機(jī)正在日益向微型化、集成化和高頻化的方向發(fā)展，這使得電子元器件也必須向小型化、高頻化、高可靠性和高集成度的方向發(fā)展。低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)基板因具有布線層數(shù)高、布線導(dǎo)體電阻小、介電常數(shù)低、燒結(jié)溫度低、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，所以成為了一種理想的多芯片組件(MCM)用基板，有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

印刷是LTCC多層基板制造中的關(guān)鍵工序之一，主要包括生產(chǎn)過程中生瓷片上的通孔填充漿料的印刷、導(dǎo)體漿料的印刷、電阻漿料的印刷等。可以說整個(gè)基板中所有的功能線路都是通過印刷設(shè)備加工完成的，因此，印刷工序?qū)ψ罱K產(chǎn)品質(zhì)量的影響至關(guān)重要。與傳統(tǒng)的PCB板印刷相比，LTCC行業(yè)印刷的線條更為精細(xì)，精度要求更高；同時(shí)，作為承印物的生瓷片，通常厚度只有50 μm～200 μm，材質(zhì)又較軟，在印刷時(shí)必須采用高平面度的微孔陶瓷吸盤將其吸附平整。而在印刷過程為了避免漿料污染臺面，需要在生瓷片與微孔陶瓷臺面之間墊一層透氣紙，既保證漿料不污染臺面，又能夠?qū)⑸善狡秸?，在?shí)際應(yīng)用中，印刷臺上需配置卷紙機(jī)構(gòu)，每印刷一片，紙帶向前一個(gè)步距。

卷紙機(jī)構(gòu)是LTCC印刷設(shè)備上不可或缺的組成部分，紙卷作為承印生瓷片的直接承載體，其運(yùn)行狀態(tài)對最終的印刷效果也會產(chǎn)生不可忽略的影響。根據(jù)工藝條件要求，卷紙機(jī)構(gòu)應(yīng)具備如下特點(diǎn)：

1) 結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊；

2) 走紙長度誤差小；

3) 紙卷平整，張緊力適當(dāng)、穩(wěn)定；

4) 實(shí)現(xiàn)紙卷正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)作平穩(wěn)。

1 卷紙機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

卷紙機(jī)構(gòu)如圖1所示，由兩個(gè)伺服電機(jī)、兩個(gè)卷紙軸、微孔陶瓷吸盤及支撐架等組成。

圖1 卷紙機(jī)構(gòu)

紙卷固定在一根六棱軸上，六棱軸的一端與固定在伺服電機(jī)上的自制聯(lián)軸器相連接，自制聯(lián)軸器上的內(nèi)六角孔與六棱軸相配合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)對紙卷的驅(qū)動(dòng)。六棱軸的另一端與六棱柱支撐座結(jié)構(gòu)相連接，六棱柱支撐座內(nèi)配置有彈簧可伸縮結(jié)構(gòu)，使得機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中六棱柱不會發(fā)生軸向串動(dòng)，并可方便地拆裝，從而實(shí)現(xiàn)紙卷的輕松更換。

兩紙卷安裝位置低于微孔陶瓷的上表面，使得紙帶可以始終貼在微孔陶瓷表面。

支撐架起固定兩套電機(jī)、紙卷及微孔陶瓷吸盤的作用。

該卷紙機(jī)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，改變了走紙距離控制方式，省去了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的隨動(dòng)軸以及為了控制走紙距離而設(shè)置的編碼器等結(jié)構(gòu)，整體結(jié)構(gòu)緊湊、簡潔。

2 卷紙機(jī)構(gòu)控制方式

圖2為卷紙機(jī)構(gòu)工作原理示意圖。走紙時(shí)，主動(dòng)軸電機(jī)為位置模式運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)軸電機(jī)為力矩模式(力矩大小可根據(jù)需要設(shè)定)，兩軸施力方向相反，由于主動(dòng)軸方向設(shè)置的拉力較大，主動(dòng)軸通過紙帶拖被動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得被動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)方向與電機(jī)輸出力矩方向相反，從而使紙帶呈張緊狀態(tài)向前運(yùn)動(dòng)；當(dāng)停止走紙時(shí)，主動(dòng)軸電機(jī)在保持力的作用下停止轉(zhuǎn)動(dòng)，而被動(dòng)軸電機(jī)則始終為力矩模式，使得紙帶不論是否運(yùn)動(dòng)始終呈張緊狀態(tài)。

圖2 卷紙機(jī)構(gòu)工作原理示意圖

2.1 走紙長度控制

傳統(tǒng)的走紙結(jié)構(gòu)控制走紙長度通常采用兩種方法：一是加裝摩擦隨動(dòng)輪，并在輪端安裝編碼器來檢測走紙長度，該方法可實(shí)現(xiàn)走紙長度的控制，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜；二是整個(gè)走紙過程主動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度為恒定值[2]，從圖2所示結(jié)構(gòu)可知，隨著卷紙機(jī)構(gòu)的運(yùn)行，主動(dòng)軸半徑R會不斷變大，該方法忽略了主動(dòng)軸直徑的變化，其結(jié)果是精度太差，不能滿足的使用要求。

計(jì)算方法建立在兩個(gè)恒等式基礎(chǔ)之上：

1) 主動(dòng)軸卷入的紙帶長度等于被動(dòng)軸放出的紙帶長度，即：

(1)

2) 主、被動(dòng)軸紙卷橫截面積之和保持不變，即：

(2)

其中，c為常數(shù)，該數(shù)值由所使用卷紙規(guī)格及卷紙纏繞管直徑確定，如設(shè)備使用同型號卷紙，則c為恒定值。

由公式(1)，(2)可解得：

(3)

(4)

其中，L為設(shè)定的走紙長度。

2.2 紙帶張緊力控制

由于機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中被動(dòng)軸直徑逐漸變小，要實(shí)現(xiàn)紙帶的恒張力控制，被動(dòng)軸電機(jī)的輸出力矩必須做出相應(yīng)調(diào)整。忽略紙張的加減速過程，認(rèn)為機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)紙張所收張力等于被動(dòng)軸電機(jī)輸出扭矩產(chǎn)生的拉力，即：

(5)

將公式(5)做變換：

(6)

依據(jù)公式(6)，被動(dòng)軸電機(jī)控制程序只需在每次走紙時(shí)將輸出力矩修改，則可實(shí)現(xiàn)紙帶張緊力的近似恒定控制。

2.3 紙卷正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)

該卷紙機(jī)構(gòu)主、從動(dòng)兩側(cè)的硬件結(jié)構(gòu)為完全的對稱結(jié)構(gòu)，所以，要實(shí)現(xiàn)紙卷的反轉(zhuǎn)，只需要將主、從動(dòng)電機(jī)的控制方式調(diào)換即可。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的運(yùn)行效果，進(jìn)行了走紙長度誤差實(shí)驗(yàn)。

紙卷初始直徑55mm，卷紙管直徑16mm，設(shè)定走紙距離200mm，每次走紙使用鋼板尺測量實(shí)際走紙長度，計(jì)算出每次走紙長度誤差，其結(jié)果如圖3所示。

圖3 走紙長度誤差圖

從圖3可看出，剛開始時(shí)走紙長度誤差最大，隨著機(jī)構(gòu)的運(yùn)行該誤差逐漸縮小。從理論上分析，剛開始時(shí)主動(dòng)軸上還未纏繞紙帶，其直徑較小，則紙帶走相同距離的情況下，纏繞圈數(shù)較大，即前后兩次走紙主動(dòng)軸直徑變化較大，所以產(chǎn)生的誤差也較大。但整個(gè)過程來看，走紙誤差都能控制在5mm之內(nèi)，完全滿足使用要求。

機(jī)構(gòu)運(yùn)行過程中，紙帶運(yùn)行平穩(wěn)，張力可控，紙張始終保持平整狀態(tài)，試驗(yàn)效果良好。

4 結(jié)論

本文論述的卷紙機(jī)構(gòu)，在設(shè)計(jì)之初就充分分析了機(jī)構(gòu)的使用要求，在此基礎(chǔ)上對機(jī)構(gòu)的走紙精度及結(jié)構(gòu)性能做了合理取舍，使得該機(jī)構(gòu)既結(jié)構(gòu)簡潔、緊湊，同時(shí)走紙精度控制在允許范圍之內(nèi)；另外，實(shí)現(xiàn)了卷紙恒定張緊力的控制和正反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)功能。該卷紙結(jié)構(gòu)的成功開發(fā)不僅解決了LTCC印刷機(jī)走紙問題，同時(shí)機(jī)構(gòu)的原理、算法也可應(yīng)用于其它設(shè)備類似場合。

[1] 薛耀平，王穎麟.LED的LTCC封裝基板研究[J].電子工藝技術(shù)，2012，33(4)：229-233.

[2] 郭曉妮，趙瑩，聶志宇.疊片機(jī)中放帶長度計(jì)算的研究[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2014，43(7)：24-26.

Paper Reeling Mechanism Design of LTCC Printer

Lv Qinhong, Zhang Zhiyao

(NO.2ResearchInstitute,CETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Paper reeling mechanism is an important part for the LTCC printer. In this article, a paper reeling mechanism is designed considering on its mechanical property, operating accuracy, paper tension control, rotating and reversal function etc. The test shows that the newly designed paper reeling mechanism can operate well and the error of paper transportation can be controlled in an accepted range. The other performances meet the operating requirement as well.

LTCC printer; paper reeling mechanism; operating accuracy

2016-03-20

呂琴紅(1976- )，女，高級工程師，主要從事微組裝和LTCC工藝設(shè)備的研發(fā)。

1674- 4578(2017)02- 0049- 03

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