馬世杰,趙忠志

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所,山西 太原 030024)

0 前言

LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic)多層基板制作工藝與多層厚膜HIC工藝相比,技術(shù)復(fù)雜,難度很大,其最大難點(diǎn)在于工藝參數(shù)的敏感性、加工結(jié)果的非直觀性和燒后基板的不可返工性。對(duì)于具體的產(chǎn)品基板，因材料、尺寸、層數(shù)、結(jié)構(gòu)、圖形分布、后燒狀態(tài)等的不同,往往需要通過(guò)多輪次的實(shí)際產(chǎn)品加工參數(shù)調(diào)整與漸進(jìn)優(yōu)化，才能得到很滿意的LTCC基板，尤其是燒結(jié)、層壓的工藝參數(shù)，對(duì)基板的質(zhì)量影響很大。期望獲得合格、高質(zhì)量、高性能的LTCC基板，除了嚴(yán)格控制各個(gè)加工工序的材料、環(huán)境、參數(shù)、過(guò)程外,還必須在疊片前檢驗(yàn)剔除不合格的生瓷片層,在燒結(jié)后監(jiān)控基板的收縮率、密度、強(qiáng)度、平整度、通斷狀態(tài)等關(guān)鍵指標(biāo)[1]。

熱切工序是對(duì)層壓后的生瓷片進(jìn)行預(yù)加熱，繼而根據(jù)需要進(jìn)行雙面半切割和全切割，將生瓷片切割成產(chǎn)品，直接影響著最終產(chǎn)品的外形尺寸和后續(xù)裝框工藝的精度及合格率，在LTCC加工工序中起著關(guān)鍵性作用。然而傳統(tǒng)的熱切設(shè)備均為手動(dòng)上下料，容易造成生瓷片變形，且生產(chǎn)率較低，不能滿足企業(yè)日益增長(zhǎng)的產(chǎn)量需求[2]。本文通過(guò)LTCC熱切工藝的原理，并結(jié)合目前熱切設(shè)備的結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)研發(fā)了全自動(dòng)LTCC熱切設(shè)備，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

1 熱切設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱切設(shè)備主要由自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)、熱切機(jī)構(gòu)、廢料清掃機(jī)構(gòu)、視覺系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)以及氣路控制系統(tǒng)等組成，各部分均采用模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)熱切設(shè)備的整個(gè)工藝過(guò)程，圖1為熱切設(shè)備的整機(jī)示意圖。

圖1 熱切設(shè)備整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

全自動(dòng)熱切設(shè)備只需操作人員定時(shí)定量地在上料料盒內(nèi)添加成摞生瓷片和取走下料料盒內(nèi)的生瓷片即可，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了設(shè)備對(duì)操作人員的技能要求。

1.1 自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)由料盒、上料料盒升降機(jī)構(gòu)、上料傳輸機(jī)構(gòu)、下料傳輸機(jī)構(gòu)以及下料料盒升降機(jī)構(gòu)構(gòu)成，主要實(shí)現(xiàn)生瓷片在上料料盒、熱切平臺(tái)以及下料料盒之間的傳輸。

自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)由上料升降機(jī)構(gòu)、上料傳輸機(jī)構(gòu)、料盒組成，為了提高熱切效率，有效降低生瓷片在熱切平臺(tái)上的預(yù)熱時(shí)間，在自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)中設(shè)置有預(yù)熱吸附板，可以在傳輸過(guò)程中就進(jìn)行生瓷片的預(yù)熱過(guò)程，如圖2所示。自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)與自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類似，同時(shí)將生瓷片的上下料盒的取放設(shè)計(jì)成抽屜式，便于操作人員對(duì)生瓷片的取放。

圖2 自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)的工作流程為：操作人員將成摞的生瓷片放置于料盒內(nèi)，同時(shí)將料盒推入上料待機(jī)位并將定位按鈕按下；然后料盒升降機(jī)構(gòu)檢測(cè)到料片，同時(shí)將料片頂升至吸片位；此時(shí)位于上料吸片位的傳輸機(jī)構(gòu)將吸附氣缸下放，同時(shí)開啟真空吸附料片，吸附氣缸上下抖動(dòng)確保吸附單片，此時(shí)上料升降機(jī)構(gòu)也隨之下降；抖動(dòng)后傳輸機(jī)構(gòu)將料片傳輸至熱切平臺(tái)，循環(huán)往復(fù)直至上料料盒內(nèi)沒有生瓷片，待生瓷片切割完畢后，由自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)將料片放置于料盒內(nèi)。

1.2 熱切機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

熱切機(jī)構(gòu)主要由熱切刀架、左右視覺系統(tǒng)和熱切平臺(tái)組成，如圖3所示，其中熱切平臺(tái)采用絲杠導(dǎo)軌副并輔以光柵尺實(shí)現(xiàn)對(duì)于平臺(tái)移動(dòng)的閉環(huán)控制從而保證Y軸方向的精密移動(dòng)，同時(shí)熱切平臺(tái)上安裝有高精度的直驅(qū)馬達(dá)實(shí)現(xiàn)生瓷片的精密旋轉(zhuǎn)；而熱切刀架則實(shí)現(xiàn)生瓷片在Z軸方向上的精密切割深度控制；同時(shí)通過(guò)視覺系統(tǒng)在X方向上的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)生瓷片上Mark點(diǎn)的自動(dòng)搜尋，保證切割的精度。

熱切機(jī)構(gòu)的主要工作流程為：自動(dòng)上料機(jī)構(gòu)將生瓷片放置于熱切平臺(tái)上，同時(shí)熱切平臺(tái)開啟真空吸附生瓷片，在達(dá)到預(yù)熱時(shí)間后，將生瓷片移動(dòng)至視覺定位工位進(jìn)行Mark搜尋，并配合視覺系統(tǒng)調(diào)整XYθ軸的移動(dòng)實(shí)現(xiàn)生瓷片的精確定位，然后熱切平臺(tái)和熱切刀架根據(jù)熱切工藝文件依次對(duì)生瓷片進(jìn)行等距等深的高精度切割；生瓷片切割完成后，熱切平臺(tái)將生瓷片傳輸下料接片位，自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)將生瓷片傳輸至下料料盒，如圖4所示。

圖3 熱切機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 熱切機(jī)構(gòu)工作流程示意圖[3]

1.3 廢料清掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于不同產(chǎn)品熱切工藝的需要，自動(dòng)熱切設(shè)備中設(shè)計(jì)有廢料清掃機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)熱切廢料的自動(dòng)清掃。

廢料清掃機(jī)構(gòu)由Y向清掃氣缸、Z向清掃氣缸、清掃板以及廢料導(dǎo)出板組成，如圖5所示。

圖5 廢料清掃機(jī)構(gòu)示意圖

廢料清掃機(jī)構(gòu)主要工作流程為：自動(dòng)下料機(jī)構(gòu)將熱切平臺(tái)上切割完畢的生瓷片吸附后，熱切平臺(tái)移動(dòng)至廢料清掃工位，同時(shí)Z向清掃氣缸下降與熱切平臺(tái)貼合，Y向清掃氣缸移動(dòng)，將廢料清掃至廢料導(dǎo)出板，廢料通過(guò)廢料導(dǎo)出板進(jìn)入設(shè)備外部放置的廢料回收桶內(nèi)。

2 熱切設(shè)備的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 視覺系統(tǒng)的控制

熱切設(shè)備的視覺系統(tǒng)采用雙相機(jī)對(duì)位方式，其硬件主要包括視覺圖像采集處理軟件、左右相機(jī)及其配套的環(huán)形光源和鏡頭。兩個(gè)相機(jī)與熱切平臺(tái)平面有一定的夾角，以保證視覺對(duì)位的基準(zhǔn)線與熱切刀架的刀片刀刃直線重合，進(jìn)而識(shí)別生瓷片左右兩邊的Mark點(diǎn)，使得圖像采集處理后，可以直接進(jìn)行生瓷片的切割，提高生產(chǎn)效率。

2.1.1 視覺標(biāo)定過(guò)程

視覺標(biāo)定主要是建立相機(jī)圖像坐標(biāo)系與工作臺(tái)坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)視覺采集處理系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)各方向移動(dòng)的對(duì)應(yīng)控制。主要標(biāo)定過(guò)程為：首先熱切平臺(tái)上放置1張生瓷片，工作臺(tái)移動(dòng)直至生瓷片的Mark點(diǎn)進(jìn)入相機(jī)視野，分別建立左右相機(jī)的Mark點(diǎn)模板；其次，重新更換1張生瓷片，并將Mark點(diǎn)移動(dòng)至左右相機(jī)的視野內(nèi)，視覺采集處理軟件對(duì)比模板，找到Mark點(diǎn)的圓心，視覺采集處理軟件控制熱切平臺(tái)進(jìn)行Y和θ方向的移動(dòng)，建立像素偏移量與熱切平臺(tái)偏移量之間的對(duì)應(yīng)比例關(guān)系。

2.1.2 視覺自動(dòng)對(duì)位流程

根據(jù)產(chǎn)品的工藝文件，熱切平臺(tái)將生瓷片移動(dòng)至第一Mark位，左右相機(jī)視野中出現(xiàn)待識(shí)別的Mark，并進(jìn)行圖像采集，并與系統(tǒng)內(nèi)設(shè)定的模板圖片進(jìn)行對(duì)比，找出采集圖像的中心點(diǎn)，視覺處理軟件根據(jù)精度設(shè)定的要求，計(jì)算左右兩個(gè)Mark點(diǎn)與基準(zhǔn)線之間的相對(duì)位置偏差，控制熱切平臺(tái)Y和θ方向的偏移量，然后重新采集圖像判斷是否滿足精度要求，如果沒有，重復(fù)操作直至滿足設(shè)定的精度要求。

2.2 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的控制

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)包括熱切機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)和自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)，為了便于控制選用安川的高精度伺服電機(jī)配合運(yùn)動(dòng)控制板卡，從而實(shí)現(xiàn)各運(yùn)動(dòng)軸之間的密切配合。

熱切機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)主要包括X、Y、Z和θ四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，共5個(gè)軸。其中Y軸和θ軸配合視覺系統(tǒng)進(jìn)行Mark點(diǎn)的自動(dòng)對(duì)位，為了實(shí)現(xiàn)高精度的移動(dòng)，選用伺服電機(jī)、高精度絲杠導(dǎo)軌副，并輔以光柵尺進(jìn)行閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)高精度的切割位置；X軸的運(yùn)動(dòng)是為了控制相機(jī)左右尋找Mark的功能，精度要求相對(duì)較低，但是要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單小巧，因此選用標(biāo)準(zhǔn)的小型模組配合伺服電機(jī)；Z軸的運(yùn)動(dòng)主要保證切割深度的控制，因此，Z軸伺服電機(jī)選用力矩模式，當(dāng)?shù)都馀c熱切平臺(tái)接觸并達(dá)到設(shè)定力矩時(shí)，確定為Z軸零點(diǎn)，同時(shí)高精度絲杠導(dǎo)軌以及光柵尺的反饋保證運(yùn)動(dòng)精度，實(shí)現(xiàn)切割深度的精密控制。

自動(dòng)上下料機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)料盒的升降至吸片位，同時(shí)吸附臺(tái)氣缸下降，開啟真空，吸附起生瓷片，并進(jìn)行上下抖動(dòng)，確保只吸附一片；傳輸電缸吸附料片至熱切平臺(tái)，解除真空，生瓷片放置于熱切平臺(tái)上，待生瓷片熱切完成后，下料傳輸機(jī)構(gòu)采用類似結(jié)構(gòu)和工作流程完成下料。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著LTCC行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的熱切設(shè)備已經(jīng)不能滿足更高精度和更高產(chǎn)量的發(fā)展需求。本文研制的全自動(dòng)LTCC熱切設(shè)備實(shí)現(xiàn)LTCC產(chǎn)品的熱切工藝的全自動(dòng)化生產(chǎn)，大大解放了勞動(dòng)力，大幅提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)過(guò)客戶的反饋，全自動(dòng)熱切設(shè)備較傳統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)效率提高30%以上，同時(shí)大大降低了設(shè)備的操作難度和對(duì)操作工的技術(shù)要求，具有廣闊的應(yīng)用前景。