生瓷坯體熱切工藝研究

閆文娥，高 峰

(中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西 太原 030024)

在陶瓷封裝工藝中，熱切工藝是一個(gè)關(guān)鍵的工藝環(huán)節(jié)，等靜壓后的生瓷坯體切割成陣列產(chǎn)品，在生產(chǎn)過程中已證實(shí)該環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重影響組裝工藝可靠性結(jié)果的問題，如：陶瓷封裝制造釬焊工藝中的失效，存在于底棱邊的熱切缺陷主導(dǎo)的斷裂會(huì)引起強(qiáng)度值的顯著下降，下降達(dá)50～60 MPa[1]，會(huì)對后續(xù)的釬焊組裝工藝可靠性產(chǎn)生不利影響。

熱切工藝是一種單一的外形加工工藝，依靠刀片在垂直方向力的作用下實(shí)現(xiàn)X向和Y向切割，無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的多邊形形狀切割。從宏觀角度觀察，整個(gè)切割過程是運(yùn)動(dòng)軸和視覺的動(dòng)作互聯(lián)過程；從微觀角度觀察，切割過程是刀片與生瓷坯體的切入分離過程。宏觀過程采用高精度的運(yùn)動(dòng)構(gòu)件來滿足定位精度，如采用直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，采用直驅(qū)電機(jī)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)等。微觀過程是設(shè)計(jì)與工藝緊密結(jié)合的過程，更是決定熱切工序質(zhì)量的關(guān)鍵，在產(chǎn)品生產(chǎn)中，衡量熱切質(zhì)量主要指標(biāo)有2個(gè)，一個(gè)是熱切后產(chǎn)品外形尺寸精度，是指熱切后產(chǎn)品的外形尺寸一致性精度，即將生瓷坯體采用標(biāo)記線對位，切割成產(chǎn)品，單個(gè)產(chǎn)品分別在X向和Y向外形尺寸的一致性精度；另一個(gè)是熱切后產(chǎn)品形貌特征，這兩方面是衡量熱切質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)。

本文通過工藝試驗(yàn)數(shù)據(jù)與熱切原理相結(jié)合得出影響熱切質(zhì)量的根本原因，并基于熱切原理的基礎(chǔ)，對不同的熱切方法進(jìn)行分析對比。

1 工藝實(shí)驗(yàn)

傳統(tǒng)切割通常只用于生瓷坯體全切透式切割[2]。

(1)實(shí)驗(yàn)樣品

層壓后的生瓷坯體，厚度為4 mm，工作臺(tái)和切刀的溫度為70℃，切刀下降速度為200 mm/s，生瓷坯體底面貼黏性膜，坯體上陣列16個(gè)產(chǎn)品。切割深度設(shè)定為坯體切斷、黏性膜不切斷的方式。

(2)實(shí)驗(yàn)過程

將放在工作臺(tái)上的工件負(fù)壓吸附定位，工作臺(tái)和刀片加熱到恒定溫度后，沿標(biāo)記線位置將生瓷坯體陣列分離成16個(gè)單個(gè)元件，單個(gè)元件理論尺寸x為45.5 mm，y為45.5 mm。

(3)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

獲取單個(gè)元件的外形尺寸精度和形貌特征，如圖1所示。

圖1 產(chǎn)品陣列圖

1.1 外形尺寸

切割完成后，采用圖像測量儀檢測12個(gè)元件的外形尺寸，測量結(jié)果如表1所示。

表1 單個(gè)元件外形尺寸表

外形尺寸檢測結(jié)果顯示，產(chǎn)品的外形尺寸精度X方向精度為±40μm，Y方向精度為±40μm。

1.2 形貌特征

形貌特征是指熱切后產(chǎn)品底面形貌特征和側(cè)面形貌特征兩個(gè)方面，在顯微鏡下觀察到的側(cè)面形貌特征為平行的層壓界面痕跡和不規(guī)則分布的黑色污染痕跡，底面形貌特征為局部崩裂形狀，如圖2、圖3所示。

圖2 側(cè)面形貌圖

圖3 底面形貌圖

底面形貌特征表現(xiàn)為局部崩裂形狀，燒結(jié)后觀察，該崩裂狀依然存在，且形態(tài)尺寸燒結(jié)前后相比具有高度的相似性，熱切過程中產(chǎn)生的底面形貌缺陷不能在燒結(jié)過程中修補(bǔ)，具有缺陷的延續(xù)性，會(huì)導(dǎo)致燒結(jié)后產(chǎn)品強(qiáng)度降低，翹曲度增大。因此熱切產(chǎn)生的底面形貌屬于熱切缺陷。

在新的文化環(huán)境下，現(xiàn)代工筆畫藝術(shù)存在不同的探索與表現(xiàn)形式。一方面，以展現(xiàn)工筆繪畫的色彩空間與圖式語言來擴(kuò)大傳統(tǒng)工筆藝術(shù)的感染力與表現(xiàn)力，當(dāng)代工筆繪畫藝術(shù)家對工筆畫藝術(shù)及其生存環(huán)境進(jìn)行了積極的探索與開拓，將工筆繪畫置于廣大的時(shí)空之中，給觀者以豐富的聯(lián)想與參照，并賦予其審美情趣和視覺方式的某種現(xiàn)代特征；另一方面，許多抽象的、裝飾性的作品通過高度的提煉、概括以及適當(dāng)?shù)乜鋸?、變形，恰?dāng)?shù)貍鬟_(dá)了現(xiàn)代人的審美趣味，具有獨(dú)特之性，發(fā)展了傳統(tǒng)工筆繪畫藝術(shù)的裝飾美。細(xì)觀羅春輝的作品，我們會(huì)明顯感知，他是綜合上述兩種表現(xiàn)形式并形成有自己風(fēng)格的藝術(shù)家。

側(cè)面形貌特征表現(xiàn)之一是平行的層壓界面痕跡，這是形成生瓷坯體后的本體特征，在層壓面之間未出現(xiàn)分層現(xiàn)象的前提下，該形貌特征為正常的形貌，在燒結(jié)后會(huì)消失；側(cè)面形貌特征表現(xiàn)之二是不規(guī)則分布的黑色污染痕跡，黑色是印刷導(dǎo)體漿料的顏色，出現(xiàn)的不規(guī)則分布現(xiàn)象產(chǎn)生的原因是刀片在切割過程中，生瓷坯體的漿料顆粒附著在刀片表面上造成的，可在切割過程中進(jìn)行一定頻率的刀片清潔，經(jīng)過生產(chǎn)過程試驗(yàn)和實(shí)踐，該方法可解決該問題。因此熱切產(chǎn)生的側(cè)面形貌不屬于熱切缺陷。

1.3 缺陷形成原因

熱切過程中，切刀在高速?zèng)_擊力作用下，切入生瓷坯體，刀片高速下降過程中，刀刃與側(cè)面之間的摩擦?xí)固沾膳黧w顆粒產(chǎn)生剝離，形成熱切側(cè)面。刀片的運(yùn)動(dòng)是往復(fù)的加減速運(yùn)動(dòng)過程，刀片加速下降，以恒定速度切割，到達(dá)最低位置刀片速度為零，再加速上升，高速往復(fù)進(jìn)行切割動(dòng)作。刀片在到達(dá)底面時(shí)，已經(jīng)進(jìn)入減速階段，速度的下降導(dǎo)致了沖擊力下降，生瓷坯體在切割過程中逐漸被剝離并且向下延展，使得刀刃到達(dá)底面之前，底面坯體顆粒已提前剝離，底面棱邊不是被刀刃切斷，而是坯體顆粒提前剝離形成。由于底面的坯體顆粒微觀分布密度和分布狀態(tài)不同，導(dǎo)致底面上形成局部崩裂狀的形貌特征。

從工藝試驗(yàn)過程和熱切微觀過程可以看出，熱切后和燒結(jié)后熱切缺陷的高度相似性揭示了熱切缺陷的形成原因，即：刀片在到達(dá)底面時(shí)的速度下降導(dǎo)致了沖擊力下降，造成底面坯體顆粒的提前剝離所致。因此熱切缺陷的形成是熱切微觀過程存在的特性，也是熱切原理的固有特性。

基于實(shí)驗(yàn)與分析，可以得出刀片深度的切入分離是造成熱切缺陷的根本原因，只有降低刀片切入分離的深度，才能減弱造成的崩裂，才能解決熱切后的尺寸精度問題和熱切缺陷問題。因此，根據(jù)熱切的微觀過程，從改變熱切方法的角度來尋求解決該問題的方法。

2 熱切方法

目前根據(jù)陶瓷組裝工藝不同將熱切工藝分為2種，即全切工藝和半切工藝。全切工藝是將等靜壓完成的生瓷坯體，根據(jù)陣列圖形尺寸切斷成相應(yīng)尺寸的產(chǎn)品；半切工藝是將等靜壓完成的生瓷坯體，根據(jù)陣列圖形尺寸切成連片的規(guī)則板狀，仍是微連接的板狀坯體。產(chǎn)品狀態(tài)如圖4、圖5所示。

圖4 全切產(chǎn)品狀態(tài)示意圖

圖5 半切產(chǎn)品狀態(tài)示意圖

2.1 全切工藝

2.1.1 全切工作過程

生瓷坯體放置于工作臺(tái)上，生瓷坯體和刀片加熱到一定溫度后，控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測料片的厚度，設(shè)定切割深度，采用MARK線或者M(jìn)ARK孔自動(dòng)對位，刀片升降實(shí)現(xiàn)X方向切割，工作臺(tái)水平方向旋轉(zhuǎn)90°，刀片升降實(shí)現(xiàn)Y方向切割。切割過程如圖6所示。主體結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖6 全切過程示意圖

圖7 全切主體結(jié)構(gòu)圖

2.1.2 全切外形尺寸精度控制方法

2.1.3 全切微觀原理分析

全切工藝適合于厚度較薄的生瓷坯體，在切割過程中刀片切入深度較小，減弱了坯體顆粒的提前剝離程度，外形尺寸精度較高，崩裂程度較小。反之，該切割方式不適合厚度較厚的生瓷坯體，形成的崩裂程度較大。因此全切工藝的缺陷為底面局部崩裂缺陷。

2.2 半切工藝

2.2.1 半切工作過程

主體結(jié)構(gòu)由兩個(gè)工位組成。料片放置于第一工位的工作臺(tái)上，加熱到一定溫度后，控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測料片的厚度，自動(dòng)計(jì)算出切割深度，CCD自動(dòng)對位，刀體運(yùn)動(dòng)開始切割，工作臺(tái)水平方向旋轉(zhuǎn)90°，刀體運(yùn)動(dòng)自動(dòng)對位切割，正面熱切完成；工作臺(tái)沿Y向運(yùn)動(dòng)至后方，翻轉(zhuǎn)平臺(tái)吸附坯體，沿平行于Y軸的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)180°，X方向模組的吸附臺(tái)從翻轉(zhuǎn)臺(tái)上吸附坯體，模組將坯體從第一工位運(yùn)至第二工位，第二工位工作臺(tái)沿Y軸至后方，坯體被放置于第二工位的工作臺(tái)上，CCD自動(dòng)對位，刀體運(yùn)動(dòng)開始切割，工作臺(tái)水平方向旋轉(zhuǎn)90°，刀體運(yùn)動(dòng)自動(dòng)對位切割，反面熱切完成。切割過程如圖8所示，主體結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖8 半切過程示意圖

圖9 半切主體結(jié)構(gòu)圖

2.2.2 半切外形尺寸精度的控制方法

半切運(yùn)動(dòng)過程精度控制和工藝過程控制兩個(gè)方面，運(yùn)動(dòng)過程精度控制：單工位運(yùn)動(dòng)主體機(jī)構(gòu)與全切主體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)相似。工藝過程控制：與全切工藝控制相似，另外需要對反面切割標(biāo)記線位置補(bǔ)償，正面切割過程中生瓷坯體被擠壓，上下表面的標(biāo)記線產(chǎn)生偏移所致。

2.2.3 半切微觀原理分析

半切工藝底面局部崩裂狀缺陷未出現(xiàn)，側(cè)面不平整缺陷成為主要熱切缺陷。由于切割深度的減小，在切割過程中刀刃對坯體的擠壓程度減小，崩裂缺陷減弱；由于上表面在切割過程中，標(biāo)記線隨坯體被刀片擠壓，標(biāo)記線位置與理論位置產(chǎn)生微觀偏移，隨著上表面切割刀數(shù)的增加，偏移量逐漸增大，在切割下表面時(shí)，上下表面的標(biāo)記線不在同一位置，導(dǎo)致上下表面兩次切割形成的平面會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)切面，從而存在側(cè)面不平整缺陷。

兩種熱切工藝對比發(fā)現(xiàn)，熱切后產(chǎn)品外形尺寸精度，半切工藝比全切工藝精度高；熱切形貌缺陷，半切工藝熱切缺陷為側(cè)面不平整，全切工藝為底面局部崩裂狀缺陷。兩種熱切工藝都存在熱切后的質(zhì)量問題，為解決熱切質(zhì)量問題，提出了一種新的雙面同步半切工藝。

2.3 雙面同步半切工藝

2.3.1 同步半切工作過程

將生瓷坯體貼至金屬框上，將其放置于工作臺(tái)上，加熱到一定溫度后，吸盤將金屬框運(yùn)至切割工位，控制系統(tǒng)自動(dòng)檢測料片的厚度，自動(dòng)計(jì)算出切割深度，CCD自動(dòng)對位，上刀和下刀運(yùn)動(dòng)開始切割，0°方向切割完成后，吸盤吸附金屬框?qū)⑵鋫鬏數(shù)叫D(zhuǎn)工位，旋轉(zhuǎn)臺(tái)將金屬框水平方向旋轉(zhuǎn)90°，上刀和下刀運(yùn)動(dòng)自動(dòng)對位完成90°方向切割，切割完成后吸盤將金屬框傳輸?shù)焦ぷ髋_(tái)上。切割過程如圖10所示。其主體結(jié)構(gòu)如圖11所示。

圖10 雙面同步半切過程示意圖

圖11 雙面同步半切主體圖

2.3.2 同步半切外形尺寸精度控制方法

外形尺寸精度控制包括運(yùn)動(dòng)過程精度控制和工藝過程控制兩個(gè)方面。同步半切機(jī)構(gòu)的主體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)包括吸盤的θ向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和Y向運(yùn)動(dòng)、旋轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、上刀的Z向運(yùn)動(dòng)、下刀的Z向運(yùn)動(dòng)和CCD的X向運(yùn)動(dòng)和視覺系統(tǒng)。吸盤的Y向運(yùn)動(dòng)、上刀的Z向運(yùn)動(dòng)、下刀的Z向運(yùn)動(dòng)和CCD的X向運(yùn)動(dòng)采用旋轉(zhuǎn)型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，直線導(dǎo)軌作為導(dǎo)向的機(jī)構(gòu)，保證直線運(yùn)動(dòng)的位置精度，吸盤的θ向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)采用直驅(qū)型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，保證旋轉(zhuǎn)的位置精度；視覺系統(tǒng)采集圖像、識(shí)別計(jì)算并返回?cái)?shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)接收到位移數(shù)據(jù)后驅(qū)動(dòng)吸盤完成定位。

2.3.3 同步半切工藝過程控制

除刀片和工作臺(tái)面加熱外，生瓷坯體需要貼附在金屬框上完成切割過程。

從雙面同步半切工藝原理分析發(fā)現(xiàn)，由于上下刀片同時(shí)切割，標(biāo)記線采用上表面標(biāo)記線對位，解決了雙面分步半切正反切割面重合度出現(xiàn)偏差的問題，避免了雙面分步半切存在側(cè)面不平整缺陷的出現(xiàn)；由于切割深度的減小，減弱了坯體顆粒的提前剝離程度，崩裂程度減弱，避免了全切工藝存在的底面局部崩裂狀缺陷的出現(xiàn)；采用上表面標(biāo)記線一次對位切割，更加有效提高了熱切后的外形尺寸精度。

3 結(jié) 論

(1)熱切后產(chǎn)品的外形尺寸精度指標(biāo)，雙面分步半切工藝優(yōu)于全切工藝，雙面同步半切工藝優(yōu)于雙面分步半切工藝。

(2)熱切后產(chǎn)品的形貌缺陷指標(biāo)，全切工藝出現(xiàn)底面局部崩裂狀缺陷，雙面分步半切工藝出現(xiàn)側(cè)面不平整缺陷，雙面同步半切工藝不會(huì)這兩種缺陷。

陶瓷封裝的熱切工序在試生產(chǎn)和批量生產(chǎn)中，主要應(yīng)用全切工藝和雙面分步半切工藝，雙面同步半切工藝在國內(nèi)尚未得到應(yīng)用，其工藝數(shù)據(jù)還需要不斷在實(shí)踐中摸索。