LTCC疊片工藝技術(shù)研究

康連生，馬增剛，賈霞彥，陳 軍

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

為了適應(yīng)我國電子裝備高性能、微型化的發(fā)展需要，要求基礎(chǔ)元件中LTCC器件向高密度和微型化發(fā)展，其多層基板的層數(shù)和布線密度不斷提高。因此LTCC生瓷片的單層厚度必須降低，疊片精度必須提高，在這種條件下手工銷對位工藝已無法完成疊片過程。需要通過新的疊片工藝技術(shù)來提高疊片的精度，并能對更薄的生瓷片進行疊片。

1 疊片工藝流程

圖1 疊片工藝流程圖

第一步：上料，主要作用是把放置好生瓷片的托盤自動傳輸?shù)饺∑P的下方，供取片后繼續(xù)后續(xù)的工藝動作，也可以通過人工把托盤放到取片的位置上來。生瓷片在托盤中的位置被八個塑料柱限制在2mm的范圍內(nèi)，保證了后續(xù)定位時MARK大部分情況下在圖象的視野中。

第二步：取片，主要功能是取片機械手在取片位通過真空吸盤把要疊片的帶膜生瓷片牢固吸起，然后旋轉(zhuǎn)45°使其中一個角朝前，為下一步脫膜做好準(zhǔn)備。取片吸盤采用航空鋁硬質(zhì)氧化而成，真空孔布局如圖所示，沿著撕膜的方向；另外撕膜的起點增加了真空孔的數(shù)量，保證開始時吸力很大，生瓷片不會被一起帶走。

圖2 取片真空吸盤

第三步：脫膜，主要功能是把生瓷片下方的保護膜脫掉，以便后面疊片。脫膜輥固定在可上下移動的導(dǎo)軌滑塊上面，下方由可調(diào)力量大小的緩沖器支撐，這樣取片吸盤吸附有生瓷片的運料機構(gòu)與脫膜輥接觸后，可以大大提高脫膜輥粘掉塑料薄膜的力量且不會有硬接觸。撕膜輥子在粘雙面膠前首先在其表面粘貼一層透明膠帶，然后粘上雙面膠。當(dāng)脫膜輥工作一定時間后，脫膜輥表面由于積累一定的灰塵，所以粘性降低，脫膜效果不好，需重新更換雙面膠。粘雙面膠的地方需要定期清潔，以保證其直徑變化不大。雙面膠更換的時間根據(jù)生產(chǎn)生瓷片的類型不同而不同。另外需要注意的是在生產(chǎn)帶有空腔的生瓷片時建議使用兩處雙面膠，即圖中所示粘雙面膠處以外，再在其旁邊增加一處(左右均可)。

圖3 脫膜機構(gòu)圖

第四步：定位，主要功能是通過對生瓷片的4個Mark點進行圖象處理，精密定位。定位平臺采用型號為NAF3C-16P的UVW精密三維平臺，XY方向的行程為：±4mm，θ方向的行程為：±2°，假定MARK無偏差的條件下，定位精度可以達到±0.001mm。保證圖象處理精度另一關(guān)鍵因素就是穩(wěn)定的光源，采用LED平面紅光透射的方式照射，為了適應(yīng)不同尺寸產(chǎn)品的定位需要，光源的安裝位置預(yù)留了2個，分別對應(yīng)6寸和8寸兩種尺寸的生瓷片。光源安裝層如圖所示，多孔陶瓷真空平臺安裝在其上方，在對應(yīng)光源的位置，多孔陶瓷真空平臺采用了一種透光材料亞克力，使光照到達MARK孔中。不同規(guī)格生瓷片采用不同的多孔陶瓷真空平臺。

圖4 光源安裝層結(jié)構(gòu)圖

第五步：疊片，主要功能是把定位好的生瓷片從定位臺上取到疊片臺上與前面疊好的層可靠壓接后，下一步進行焊接。水平移動采用直線電機，沒有間隙,重復(fù)精度達到±1.5μm，保證了移送的精度；另外多孔陶瓷定位臺、多孔陶瓷吸盤和疊片臺平面度都在15μm之內(nèi)，同時三者的平行度調(diào)整到了20μm之內(nèi)，保證了100μm厚的生瓷片與各臺面的可靠接觸，從而保證了疊片的精度。

第六步：焊接，主要功能是把放到疊片臺上的生瓷片上下層之間用烙鐵進行定位焊接，焊接機構(gòu)由八個烙鐵和帶動其上下運動的八個汽缸組成，烙鐵采用中空結(jié)構(gòu)，方便加熱管和熱電偶安裝，中空管壁上設(shè)計有散熱用的孔，氣缸運動控制烙鐵的升降，利用彈簧來自動適應(yīng)疊片過程中生瓷片層數(shù)變化引起的高度變化，銅制烙鐵頭采用錐型結(jié)構(gòu)，方便通過疊片多孔陶瓷吸盤上的錐型過孔。焊接的實際溫度根據(jù)生瓷片的厚度和材制而不同，具體通過試驗得到，一般在50°到130°之間，焊接壓力調(diào)節(jié)到40N左右，焊接點的效果最佳。八個烙鐵中四個四個交替動作，使得相鄰層上的焊點不在同一位置，保證了焊接的牢固性，同時焊點的周圍生瓷片也不易變形。

第七步：輸出，主要是將疊好的多層生瓷片通過紙帶自動送出，人工取下。透氣紙帶由收放帶直驅(qū)電機通過幾個軸張緊，收帶電機根據(jù)設(shè)定的長度運動，同樣長度由于紙卷直徑的變化所需要的脈沖數(shù)不同，需要根據(jù)紙的厚度進行計算；放帶電機設(shè)置為力矩運轉(zhuǎn)方式，力矩大小可以設(shè)置，保證紙帶能張緊而又沒有太大的力。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 生瓷片精密定位技術(shù)

為保證定位的精度，在硬件設(shè)計上采用圖像處理系統(tǒng)實現(xiàn)生瓷片的精密定位，采用多孔陶瓷真空吸附平臺實現(xiàn)生瓷片脫摸后的真空吸附固定。多孔陶瓷真空吸附平臺采用多孔陶瓷材料，其透氣性好，透氣均勻，可以均勻牢固的吸附生瓷片，保證生瓷片在脫摸后不會發(fā)生收縮變形，并且多孔陶瓷經(jīng)加工后其平面度可以達到0.01mm的水平，保證了生瓷片的平整性。在多孔陶瓷的四個角上制作有能透光的通孔，為Mark提供光源。這些硬件條件為高精度定位墊定了基礎(chǔ)。

在圖像處理系統(tǒng)中，有關(guān)Mark的處理上，運用了以下一些技術(shù)。

(1)采用四個相機和Mark對位的方式，提高定位的精度。對圖像處理系統(tǒng)來說，連接的相機越多，其定位精度越高。

(2)設(shè)計不同形狀的Mark標(biāo)記，區(qū)分生瓷片的方向。具體方法是，將在生瓷片四角其中一角的Mark標(biāo)記設(shè)計為如圖5a所示，其他的三角Mark標(biāo)記設(shè)計為如圖5b所示。這樣就可以區(qū)分生瓷片的方向了。

圖5 Mark標(biāo)記

(3)在Mark的模板登錄中，模板區(qū)域的選擇要與Mark標(biāo)記的大小相匹配，否則可能引起Mark中心的偏差。模板搜索條件設(shè)置為FPM(高機能)模式，這樣即使Mark有旋轉(zhuǎn)、殘損、大小變化、焦點模糊等等各種干擾，仍可以較好的搜索到Mark。同時在Mark畫面質(zhì)量比較好的情況下，就可以通過亞像素技術(shù)提高精度。在Mark中心位置的設(shè)置上，一般選擇自動就可以。要保證四個Mark的中心檢出條件是一樣的。

在對圖像定位標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)置時，根據(jù)四點定位的方式，選擇了對應(yīng)點的對齊方法。根據(jù)最終疊片要達到的精度指標(biāo)±5μm，分配到定位工序其定位精度不能大于3μm，我們將定位精度的最終判定標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為x、y軸1μm，旋轉(zhuǎn)軸調(diào)整為0.0001°。這樣定位完成后，保證了最終的疊片精度要求。

2.2 生瓷片定位后的高精度移送技術(shù)

生瓷片從定位臺到疊片臺的移送精度是保證疊片精度的關(guān)鍵因素之一。只有保證了每次移送后的重復(fù)精度，才能保證在定位臺上的定位精度沒有變化。

設(shè)計中，脫膜后生瓷片的傳送全部采用多孔石吸附，防止由于吸附不均勻引起的收縮變形。傳送的執(zhí)行機構(gòu)選用直線電機，并配以細分后達0.078μm的光柵尺反饋，形成閉環(huán)控制，實現(xiàn)生瓷片的精密平穩(wěn)移位。在實際測量時，移片機構(gòu)的重復(fù)精度為±1.5μm。

在生瓷片的移送處理上，傳送所用直線電機(下稱移片電機)的原點定位也是非常重要的，其原點是通過直線電機驅(qū)動器的原點捕捉功能實現(xiàn)的，將移片電機的行程分為兩個區(qū)域：原點區(qū)域與非原點區(qū)域，在尋找工作原點時，移片電機由非原點區(qū)向原點區(qū)慢速移動，通過捕捉原點傳感器的信號變化來確定機械原點，尋找原點的精度小于5μm。保證了每次復(fù)位后吸片多孔石上八個孔與八個焊接烙鐵相對關(guān)系在精度范圍內(nèi)，從而保證焊接質(zhì)量和疊片精度。

2.3 位置控制到力矩控制的轉(zhuǎn)化技術(shù)

生瓷片從步行尺上經(jīng)取料電機拾取后，是整個疊片工作的開始。采用位置控制到力矩控制的轉(zhuǎn)化技術(shù)，保證取料電機安全可靠的拾取到生瓷片，是生瓷片平穩(wěn)移送的基礎(chǔ)。

取料電機與運料電機配合完成生瓷片的拾取、脫膜及到翻轉(zhuǎn)板和定位臺上放下，在各點取料電機行程不同，工藝要求也不同，脫膜時采用了位置控制方式，其它三個拾、放生瓷片的位置行程都不同并且放片的兩個真空平臺全部是多孔陶瓷材料制作的，不能承受太大的沖擊，為了保證吸、放片的可靠性和多孔石安全使用，控制時先采用位置控制將行程縮短，再進行力矩控制，并且能對下壓的力量進行設(shè)置調(diào)整，以保證生瓷片的拾取和放下安全可靠的進行。不采用全程力矩控制是由于在力矩控制方式下，運動時間變長，可能導(dǎo)致整個動作時間加長，而在行程較長的情況下，力矩方式可能引起電機飛車。

在具體控制時，需要合理設(shè)置兩個參數(shù)，一個是位置控制與力矩控制的轉(zhuǎn)化點的選擇，也就是說從那個位置點開始實行力矩控制，才能達到目的。另一個是力矩大小的調(diào)整。對轉(zhuǎn)化點的選擇，考慮三個位置的整個行程都不是很長，還需要留出幾毫米的力矩控制空間，根據(jù)實際工藝情況，轉(zhuǎn)化點選擇在電機的同一個位置上，簡化了軟件程序的編寫。力矩大小的調(diào)整首先要保證生瓷片吸板能夠穩(wěn)定可靠的下降，其次要保證多孔石的使用安全。

2.4 生瓷片脫膜技術(shù)

設(shè)計了帶首尾引出的吸板，其結(jié)構(gòu)示意如圖所示，并設(shè)計了可自由轉(zhuǎn)動膠輥，膠輥上設(shè)計有五處凸起，用來粘雙面膠帶，在粘雙面膠帶前粘一層透明膠帶。吸板的首角起引導(dǎo)作用和預(yù)先壓住膠輥的作用，尾角使膠輥轉(zhuǎn)動時間適當(dāng)加長，保證保護膜可靠的脫落。當(dāng)生瓷片以一定壓力在膠輥上通過時，利用膠輥上雙面膠帶的粘性將保護膜脫去。

具體操作時，吸板從步行尺上拾取生瓷片后，旋轉(zhuǎn)45°將吸板的首角(即生瓷片的一個角)對準(zhǔn)膠輥，壓住膠輥后，向前以一定的速度運行，在壓力和膠帶粘性的共同作用下，保護膜被脫去。在實踐中，對膠輥被壓下的高度即壓力大小，向前運行的速度可通過參數(shù)設(shè)定來調(diào)整，膠帶的粘性與環(huán)境和保護膜的潔凈程度有關(guān)。這三個方面相互配合，生瓷片的脫膜效果很好。

圖6 脫膜動作示意圖

3 結(jié)束語

該工藝技術(shù)不僅可以應(yīng)用在LTCC器件的制造中，也可應(yīng)用到HTCC(高溫共燒陶瓷)和MLCC(多層陶瓷電容)的生產(chǎn)制造中，對加快國內(nèi)電子裝備的國產(chǎn)化進程，將產(chǎn)生推動作用，并將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益和社會效益。

[1]崔學(xué)民.低溫共燒陶瓷(LTCC)材料的應(yīng)用及研究現(xiàn)狀[J].磁性材料及器件,2005,19(4):1-4.

[2]魏靜,馬增剛.疊片機烙鐵焊接機構(gòu)的設(shè)計[J].電子工業(yè)專用設(shè)備,2009(12):14-16.