張 輝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

0 引言

低溫共燒多層陶瓷基板簡(jiǎn)稱LTCC，是一種將陶瓷流延生瓷片進(jìn)行沖孔、印刷、層壓、燒結(jié)、電鍍等十幾種工藝制作而成的多層電路，它將無源元器件和各類無源組件封裝于多層布線基板中，與有源器件共同組成一套完整的電路系統(tǒng)。由于其自身的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航空、航天、5G、計(jì)算機(jī)、軍事等多領(lǐng)域得到了越來越廣泛的應(yīng)用，是一門日趨成熟的集成封裝技術(shù)。

1 層壓工藝和PTC 等靜壓機(jī)工作原理

層壓工藝是將疊片后的陶瓷生瓷片利用高壓、高溫使之粘結(jié)牢靠的一個(gè)過程。利用帕斯卡原理，采用液態(tài)水作為增壓和傳熱介質(zhì)，陶瓷生瓷片在密閉的工作腔內(nèi)受到各個(gè)方向傳遞來的均等壓強(qiáng)，保證在工藝過程中，受壓生瓷片基板無翹曲變形、無起泡、無圓邊和旋轉(zhuǎn)扭曲的缺陷，從而形成一個(gè)完整的致密性多層基板胚體。確?；逶跓崆泻蜔Y(jié)工藝過程時(shí)能夠收縮一致，避免出現(xiàn)分層斷裂的現(xiàn)象。

PTC 等靜壓機(jī)是應(yīng)用于半導(dǎo)體封裝工藝中常見的一種對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行加壓成型的自動(dòng)化層壓設(shè)備，它以壓力媒體的水位管理、溫度、壓力、控制的自動(dòng)化入手，通過時(shí)間、溫度、壓力等技術(shù)參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行、停止的自動(dòng)化控制。PTC 等靜壓機(jī)的設(shè)計(jì)可用于所有類型的多層陶瓷燒結(jié)前的層壓工藝，其工作原理是利用水能均勻傳遞壓力的特性，通過氣動(dòng)增壓系統(tǒng)給密閉的工作腔室內(nèi)的介質(zhì)水增壓，從而形成一個(gè)高壓腔體，對(duì)存放在腔體內(nèi)部的生瓷片全方位、均勻地施加壓力，使其結(jié)構(gòu)變得致密、表面平整，滿足工藝設(shè)計(jì)的需求。該設(shè)備可以通過PLC 控制器實(shí)現(xiàn)單步增壓、雙步增壓及可編程增壓等多種增壓方式。運(yùn)行時(shí)的增壓與時(shí)間的關(guān)系特征如圖1 所示。

圖1 壓力工藝示意曲線

2 PTC 等靜壓機(jī)組成結(jié)構(gòu)

PTC 等靜壓機(jī)主要由PLC 控制系統(tǒng)、壓力系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、安全保護(hù)系統(tǒng)4 大部分組成（圖2）。

圖2 PTC 等靜壓機(jī)主要結(jié)構(gòu)

2.1 PLC 控制系統(tǒng)

PLC 采用可編程的存儲(chǔ)器，利用內(nèi)部的存儲(chǔ)程序執(zhí)行運(yùn)算、順序、時(shí)間、壓力等指令，通過數(shù)字或者模擬輸入/輸出，控制各類機(jī)械裝置做出實(shí)質(zhì)性的生產(chǎn)運(yùn)動(dòng)。在層壓工藝生產(chǎn)過程中有溫度、壓力、位置、流量等大量的需要連續(xù)變化的數(shù)值以及機(jī)械裝置的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，利用PLC 控制技術(shù)可以大大提升設(shè)備的自動(dòng)化生產(chǎn)過程。

2.2 壓力系統(tǒng)

壓力系統(tǒng)主要由層壓工作腔、氣動(dòng)增壓循環(huán)系統(tǒng)、泄壓系統(tǒng)等部件組成。

（1）層壓工作腔由工作腔體、活塞、上、下密封環(huán)、壓環(huán)、物料盒及壓力探測(cè)器等組件組成（圖3）。在工藝進(jìn)行中，由于整套層壓工作腔要完全浸入儲(chǔ)水罐，工作腔體和罐體內(nèi)部都需要承受巨大的水壓，所以對(duì)整體的密封性及安全可靠性提出了較高要求，故儲(chǔ)水罐和層壓工作腔均采用一次性加工成型技術(shù)。這樣可以大大提升空間的密封性和安全保證，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命，降低設(shè)備的故障率。

圖3 PTC 等靜壓機(jī)層壓工作腔

（2）氣動(dòng)增壓循環(huán)系統(tǒng)是層壓機(jī)的核心關(guān)鍵系統(tǒng)，由過濾器、氣動(dòng)增壓泵、壓力傳感器、自動(dòng)放氣閥、手動(dòng)放氣閥、壓力表以及相互間的連接管路等組成。儲(chǔ)水罐內(nèi)的介質(zhì)水經(jīng)由過濾器進(jìn)入到低壓管路中，利用壓縮空氣的驅(qū)動(dòng)使增壓泵換向機(jī)構(gòu)帶動(dòng)柱塞進(jìn)行反復(fù)的往返運(yùn)動(dòng)；低壓管路中的介質(zhì)水經(jīng)增壓泵的單向閥不斷地向密封的工作腔內(nèi)注入，從而使整個(gè)工作腔形成一個(gè)封閉的高壓區(qū)。直至水壓上升到PLC 所設(shè)定的壓力數(shù)值，增壓泵停止向工作腔內(nèi)加壓，工作腔由于密封環(huán)的作用從而形成一個(gè)密閉的高壓恒定狀態(tài)，氣動(dòng)增壓泵的結(jié)構(gòu)如圖4 所示。在PLC 控制下開始保壓倒計(jì)時(shí)，在保壓過程中工作腔內(nèi)的壓力傳感器會(huì)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的壓力數(shù)值轉(zhuǎn)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)的模擬信號(hào)傳送到壓力控制器的輸入端，再經(jīng)輸出信號(hào)線傳入PLC 內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償壓力的功能，使工作腔內(nèi)的壓力數(shù)值始終保持在設(shè)定值的一個(gè)精準(zhǔn)可控的區(qū)間。

圖4 氣動(dòng)增壓泵結(jié)構(gòu)

（3）泄壓系統(tǒng)包括自動(dòng)泄壓系統(tǒng)和手動(dòng)泄壓系統(tǒng)兩部分。當(dāng)保壓計(jì)時(shí)結(jié)束后，PLC 控制器輸出泄壓信號(hào)，控制泄壓閥的氣動(dòng)電磁閥啟動(dòng)，打開自動(dòng)泄壓閥。使工作腔內(nèi)的介質(zhì)水重新注入儲(chǔ)水罐中，工作腔室內(nèi)的高壓也隨之釋放掉，恢復(fù)到正常的大氣壓力數(shù)值。如果自動(dòng)泄壓閥損壞、失效或者PLC 輸出信號(hào)有問題不能正常輸出，氣動(dòng)電磁閥沒有采集到信號(hào)無法及時(shí)打開自動(dòng)泄壓閥時(shí)，設(shè)備操作人員應(yīng)及時(shí)打開手動(dòng)泄壓閥將工作腔室內(nèi)的高壓卸掉，此功能的作用主要是減少產(chǎn)品不合格率以及對(duì)機(jī)器設(shè)備、人員安全等因素考慮。

2.3 溫度控制系統(tǒng)

溫度系統(tǒng)包括加熱棒、溫度傳感器、液位傳感器等輔助元器件，這些器件都安裝在水箱中，主要用來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水箱中的水溫、水位的變化情況。如不能滿足工藝參數(shù)要求，PLC 會(huì)終止工藝流程并提示相應(yīng)的報(bào)警信息。

2.4 安全保護(hù)系統(tǒng)

安全保護(hù)系統(tǒng)由安全門保護(hù)、工作腔位置保護(hù)、超欠溫保護(hù)、壓力保護(hù)、緊急制動(dòng)開關(guān)等組成。

（1）取放產(chǎn)品的安全門處采用了磁性門鎖裝置，如果安全門未關(guān)閉或者關(guān)閉不嚴(yán)時(shí)，PLC 不會(huì)執(zhí)行下一步設(shè)定的程序。

（2）工作腔位置保護(hù)傳感器分別安裝在兩側(cè)的升降氣缸上、下兩端，在工作腔進(jìn)行上升或下降運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有同時(shí)觸發(fā)兩側(cè)的傳感器，下一步的工藝程序才會(huì)自動(dòng)運(yùn)行，有效避免了因工作腔位置不對(duì)而產(chǎn)生的故障。例如，在工作腔下降到指定位置后同時(shí)觸發(fā)氣缸底部的兩個(gè)位置傳感器，增壓系統(tǒng)的氣動(dòng)增壓泵才會(huì)向工作腔內(nèi)加壓。反之，PLC 則誤認(rèn)為工作腔未在指定位置，氣動(dòng)增壓泵不會(huì)進(jìn)行增壓工作。

（3）超欠溫保護(hù)由溫度控制器和PT100 熱電偶組成，當(dāng)儲(chǔ)水罐內(nèi)的水溫出現(xiàn)超溫或者溫度低于設(shè)定值時(shí)，PLC 控制器會(huì)發(fā)出報(bào)警信息并自動(dòng)關(guān)閉、打開加熱棒。

（4）壓力保護(hù)由多個(gè)壓力傳感器對(duì)機(jī)器內(nèi)部的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。例如，工作腔內(nèi)的壓力監(jiān)測(cè)和高壓管路中的壓力監(jiān)測(cè)，當(dāng)腔內(nèi)的壓力或者管路中的壓力超出可控范圍時(shí)，安全泄壓閥就會(huì)自動(dòng)開啟，將多余的壓力釋放掉，避免了對(duì)工作腔及管路的損傷，消除了安全隱患。

（5）緊急制動(dòng)的作用是當(dāng)設(shè)備在運(yùn)行過程中如果一些傳動(dòng)部分出現(xiàn)機(jī)械故障諸如較大的異響或運(yùn)動(dòng)部分卡死等情況，或者發(fā)生人身安全等緊急情況需要立刻停止設(shè)備運(yùn)行的時(shí)候，只需按下緊急制動(dòng)按鈕即可。

3 PTC 等靜壓機(jī)的操作步驟及故障判斷解決辦法

3.1 PTC 等靜壓機(jī)的操作步驟

根據(jù)生產(chǎn)工藝的需求，PTC 等靜壓機(jī)設(shè)置了手動(dòng)和自動(dòng)兩種操作模式，手動(dòng)模式時(shí)一般是作為設(shè)備調(diào)試及維修更換備件時(shí)使用。自動(dòng)模式用于日常的工藝生產(chǎn)使用。自動(dòng)層壓模式時(shí)，顯示屏?xí)?shí)時(shí)顯示當(dāng)前的壓力、溫度等工藝參數(shù)，能夠及時(shí)掌握壓機(jī)和產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)。層壓操作步驟如圖5 所示。

圖5 層壓工藝流程

3.2 運(yùn)行中遇到的問題及解決方案

PTC 等靜壓機(jī)在生產(chǎn)過程中經(jīng)常會(huì)發(fā)生故障，常見故障現(xiàn)象和問題如圖6 所示。

圖6 常見故障現(xiàn)象分析

（1）按下“運(yùn)行”鍵后，工作腔不下降：①檢查安全門是否關(guān)好，如果未關(guān)閉或者關(guān)閉不嚴(yán)，請(qǐng)關(guān)閉好安全門；②檢查安全門的磁性互鎖裝置是否有松動(dòng)或接觸不良的現(xiàn)象，相互間未接觸的話請(qǐng)調(diào)整安全鎖的位置；③檢查壓縮空氣壓力表的數(shù)值是否正常，如壓力過小請(qǐng)調(diào)節(jié)壓縮空氣減壓閥使數(shù)值保持在正常范圍內(nèi)；④連接工作腔的兩個(gè)氣缸上限位傳感器信號(hào)燈是否點(diǎn)亮、工作是否正常、氣缸是否在上限位的正確位置，可以通過微調(diào)整傳感器的上下位置將正確的輸出信號(hào)傳送到PLC。若控制氣缸上升的電磁閥故障，可通過電磁閥上的手動(dòng)強(qiáng)制按鍵來判斷檢查電磁閥能否正常換向，用多用表測(cè)量電磁閥線圈是否有直流24 V 輸入。必要時(shí)可更換電磁閥后再進(jìn)行試機(jī)運(yùn)行。

（2）工作腔在下限位置，但增壓泵不工作無法加壓：①檢查設(shè)置的運(yùn)行程序是否有錯(cuò)誤，如果程序錯(cuò)誤可更改相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置；②氣缸上的下限位傳感器沒有接觸好，信號(hào)沒有傳入到PLC 控制器內(nèi)，無法進(jìn)行下一步程序，此時(shí)應(yīng)判斷下限位的傳感器是否能正常工作，判斷的方法可以參考上限位傳感器正常工作的步驟；③控制氣動(dòng)增壓泵的電磁閥是否能正常開啟，PLC 的輸出信號(hào)是否正常傳輸，同樣可通過電磁閥上的強(qiáng)制按鍵手動(dòng)啟動(dòng)壓縮空氣，如增壓泵還是不工作說明氣動(dòng)增壓泵損壞或內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部分卡死，此時(shí)應(yīng)更換新泵或?qū)⒃鰤罕貌鸪M(jìn)行維修。

（3）氣動(dòng)增壓泵工作正常但壓力數(shù)值為“0”或者數(shù)值偏小達(dá)不到設(shè)定的參數(shù)值：①檢查儲(chǔ)水罐和工作腔內(nèi)的水位是否在正常位置、PLC 有無水位過低的報(bào)警信息等，如果有水位過低的報(bào)警信息，需將水位加注到正常的位置后手動(dòng)消除報(bào)警信息；②工作腔體能否正常保壓；③檢查腔體上的上、下密封環(huán)有無磨損或變形，必要時(shí)更換腔體的密封環(huán)；④泄壓系統(tǒng)內(nèi)的各類自動(dòng)泄壓閥及手動(dòng)泄壓閥是否在正確的關(guān)閉狀態(tài)下，檢查閥體及閥芯內(nèi)部是否有損傷，有時(shí)水里的雜質(zhì)可能會(huì)把閥體內(nèi)部的單向閥運(yùn)動(dòng)組件卡住，造成泄壓閥內(nèi)部封閉不嚴(yán)，需將泄壓閥拆除分解進(jìn)行清理，必要時(shí)要進(jìn)行新閥的更換；⑤檢查低壓管路中的過濾器是否有異物堵塞，濾芯需要根據(jù)設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間定期進(jìn)行更換或放入超聲清洗機(jī)內(nèi)進(jìn)行超聲清洗；⑥壓力數(shù)值偏小或壓力數(shù)值波動(dòng)不穩(wěn)定時(shí)要考慮氣動(dòng)增壓泵內(nèi)的進(jìn)、出雙向的單向閥機(jī)構(gòu)密封性能下降，如果氣動(dòng)泵工作時(shí)封不住低壓水或高壓水，應(yīng)拆卸增壓泵，更換內(nèi)部單向閥機(jī)構(gòu)的密封圈。

（4）氣動(dòng)增壓泵聲音異?；虿还ぷ鳎孩贇鈩?dòng)增壓泵不工作時(shí)首先要考慮壓縮空氣的壓力是否正常，檢查壓力表數(shù)值并調(diào)整到規(guī)定的范圍之內(nèi)；②若在拆卸增壓泵后將泵的進(jìn)、出兩個(gè)方向安裝錯(cuò)誤，或誤將低壓區(qū)接入到高壓區(qū)，此時(shí)應(yīng)對(duì)增壓泵進(jìn)行重新安裝；③氣動(dòng)增壓泵內(nèi)的柱塞是否卡住或柱塞桿斷裂，此時(shí)只能將增壓泵拆下來進(jìn)行拆解，將損壞的部件更換掉；④氣動(dòng)增壓泵內(nèi)的運(yùn)動(dòng)及密封件在長(zhǎng)期使用后干澀卡死，需要把泵進(jìn)行分解后在密封圈和運(yùn)動(dòng)部件處涂抹潤(rùn)滑脂進(jìn)行潤(rùn)滑保養(yǎng)，使各個(gè)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)活動(dòng)靈活、順暢無卡頓現(xiàn)象；⑤觀察氣動(dòng)增壓泵泵體上的附帶消音桶是否有滴水的現(xiàn)象，如果有則說明泵底部柱塞處的密封圈磨損，密封效果不好，需要進(jìn)行密封圈的更換；⑥泵體內(nèi)部控制柱塞的換向機(jī)構(gòu)卡死或支撐彈簧斷裂，導(dǎo)致泵腔內(nèi)壁被刮傷，如修復(fù)后仍不能恢復(fù)正常就只能更換新增壓泵。

（5）在保壓過程中增壓泵頻繁工作，工作腔內(nèi)壓力無法保持：①檢查泄壓系統(tǒng)的各個(gè)閥門是否處在關(guān)閉狀態(tài)，泄壓閥的微漏是無法保持壓力的主要原因之一，此時(shí)要鎖緊閥門或更換閥內(nèi)各密封件；②高壓部分的壓力探頭監(jiān)測(cè)過于敏感，安全泄壓閥一直在開、閉狀態(tài)下運(yùn)行，解決的辦法是在PLC 內(nèi)調(diào)整壓力的誤差范圍；③工作腔上、下兩端的密封環(huán)磨損，使壓力腔內(nèi)的壓力泄漏，此時(shí)需要將壓力腔拆卸下來更換密封環(huán)。

4 結(jié)束語

在使用工藝設(shè)備的同時(shí)應(yīng)了解相應(yīng)的維護(hù)保養(yǎng)流程及方法，定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，可以大大提升設(shè)備的使用壽命，保持良好的工藝性能：①每日開機(jī)使用前應(yīng)檢查水位是否正常，每周檢查各傳感器及緊固件、接頭是否牢固，每月進(jìn)行一次壓力核實(shí)計(jì)量，對(duì)于各活動(dòng)部件要進(jìn)行一次清潔擦拭并涂抹潤(rùn)滑脂，每季度進(jìn)行一次水箱的清洗并清理水箱里的雜質(zhì)及水垢；②在設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)時(shí)應(yīng)排空水箱內(nèi)的增壓介質(zhì)，在各運(yùn)動(dòng)部件部位涂抹潤(rùn)滑脂防止干澀、銹蝕；③對(duì)于氣路上的維護(hù)要時(shí)刻觀察油霧器內(nèi)的油量，并及時(shí)更換補(bǔ)充高級(jí)輕質(zhì)潤(rùn)滑油，保證氣路內(nèi)電磁閥芯運(yùn)動(dòng)自如。