• 技術資訊
  • 技術資訊 當前位置:首頁 -
    技術資訊

    高精密小型動壓懸浮自動流延機的設計
    高精密小型動壓懸浮自動流延機的設計
    呂玉山,孫建章,張遼遠,宋建新
    (沈陽理工大學機械工程學院,沈陽110168)
      摘要:電子陶瓷薄膜是片式電子元器件制造和大規模集成電路封裝的關鍵薄膜材料,它是在高精密流延機上利用電子陶瓷漿料流延獲得的 因此,如何設計與制造高精密自動流延機是保證流延膜的生產質量與效率的關鍵。文章提出了一種基于非牛頓液體動壓懸浮理論的高精密陶瓷薄膜流延方法,并設計了小型全自動流延機。對小型流延機的系統構成、成膜原理、流延膜的傳輸運動、干燥原理、漿料的供給和系統的控制,以及它們的機械實現等問題進行了分析和探討。關鍵詞:動壓懸浮流延;流延機;陶瓷薄膜
    中圖分類號:TH6;TQ573.3        文獻標識碼:A
    Design of High PrecisionAutomatic Ceramic Tape Casting M achine 
    Based on Hydrodynamic Float MechanismLU 
    Yu—shah,SUNJian-zhang,ZHANG Liao-yuan,SONG Jian—xin(School of Mechanical Engineering,Shenyang Ligong UniversityShen yang 1 1 0 1 68,China.
    Abstract:Electronic ceramic thin tape is a kind of key materials for electronic chip components fabrication and IC packaging.They can be cast by the use of electronic ceramic slurry in a high precision tape casting machine.Therefore,however high precision Automatic tape casting machine is designed and manufactured is avery important to the quality an d productivity of ceramic tape.In this paper,a new ceramic tape casting method is given on bases ofthe hydrodynamic float mechanism ofNon-Newton liquid,and a small tape cast•ing machine is design ed including,the construction,casting mechan ism and environment,tape motion,dryingmethods,slurry supply an d electronic controls of the tape casting machine that is used for manufacturing thinceramic sheets of chip capacitors are analyzed an d researched.
    Key words:hydrodynamic float tape casting;tape casting machine;thin ceramic sheets
     
    引言
    隨著微電子技術、光電子技術與電力電子技術的發展,電子陶瓷薄膜或基板被廣泛地用于疊層片式電容與電感.片式電阻、壓電器件、紅外探測器件、燃料電池和太陽能電池的制造,以及集成電路的多層封裝領域。陶瓷薄膜或基板的厚度范圍從500~m到5Ixm,其厚度的誤差達到了土0.5 m。這些薄膜或基板是利用陶瓷漿料在流延機上流延而成,不同厚度和功能的薄膜或者基板所用的流延機械原理略有區別,流延機的精度與效率也不同,特別在流延厚度達到10 m以下,厚度誤差在4-l m的流延膜制造過程中,除了必須有嚴格的工藝與環境支持以外,更重要的是具備高精密的流延機械裝備.目前,我國用于生產片式電子元件020l、0402與0603型號等高端產品生產的高密流延機主要依靠國外引進。每臺設備引進費用達到幾十萬美元(如日本HIRANO TECSEED公司的M2OOL流延機價格達60多萬美元),使得國內中小企業無法承擔這一費用,直接影響到元器件產品制造水平的提高。產生這一問題的原因之一是長期以來我國電子元器件生產裝備制造業與新型元器件的開發相脫節,導致了生產裝備制造與相關的應用性基礎研究落后。另一方面,在國內,適應于小批量生產,中試生產和實驗室研究型的小型或微型流延機幾乎處于空白狀態。因此從元器件制造行業與生產裝備制造行業發展的角度和滿足實驗室研究、產品中試研究和小批量生產的需要出發,開展電子陶瓷薄膜高精密流延理論與流延裝備設計理論的研究,以及開發一種微小型高精密流延機是非常重要的和有現時意義的。
     
    l動壓懸浮流延的基本原理
     
    Blade coating是電子陶瓷薄膜流延的基本方法,在這種方法基礎上,相繼發展出了浸漬法、氣體剪刀法、凹版印刷法、逆轉輥法、縫隙擠出法、滑移法、幕淋法、逗輥法、唇口法、吻口法、微凹版輥等流延方法〔1-4.9〕。這些方法的基本原理是利用流延漿料的表面張力、運動條件下縫隙的定量流動與拖動,縫隙的定量擠壓流動和凹痕定量等一種或幾種原理的組合。它們在厚膜(如厚度≥2Oµm)的流延過程中,流延的機械運動精度對膜厚精度的影響是不大的,但是,當薄膜厚度降到5~1Oµm時,將對流延頭的機械幾何精 度和運動精度提出更高的要求,這對流延機的機械設計和系統的控制帶來了很大的困難,從而也使得流延膜的工藝成本大幅度的提高〔5.9〕。因此,提出了利用磁頭相對磁盤的動壓懸浮原理的高精密動態流延方式,從而實現在不提高流延頭部件的幾何精度和運動精度的條件下獲得高精密薄膜的流延。
      
    圖1是動壓懸浮流延的物理模型,流延滑塊與流延輥之間形成動壓間隙,在特定的物理參數(如流延漿料的彈性模量K2和阻尼系數C2,以及支撐系統彈性模量K1、K0和阻尼系數CI)和流延口幾何形狀條件下,形成一個自適應的內反饋動態系統,使得在流延輥存在較大的幾何與回轉運動誤差的狀態下,保證在較小的流延間隙時,流延間隙動態誤差達到最小化,從而獲得最小厚度流延膜或者厚度高精密化的流延膜。
     
    2總體構成、設計原則與擬解決的關鍵問題
     
    根據電子陶瓷薄膜制造的工藝與相關的支持環境要求,叮以確定小型流延機的總體構成、設計中應遵循的原則和解決的關鍵問題。
     
    小型流延機主要由流延頭部件、機器基礎部件、漿料供給系統、流延載帶傳輸系統、干燥系統和控制系統所組成。從實際生產工藝要求出發,為確保流延膜超薄且高精度(膜厚在10~15µm,厚度誤差為±1µm),流延膜組織均勻和無夾雜與氣孔,且高效連續流延,以及系統在可燃氣體狀態下安全工作,設計必須遵循如下原則:
     
    (1)流延機理上必須確保流延成膜的可行性,其流延成膜機械必須具有恰當的動靜態剛度和穩性,機構必須精密化;
    (2)基帶必須實現自動、等速與恒張力,且無跑偏傳動;
    (3)實現自動干燥,并且帶寬方向干燥的溫度場分布均勻(300mm帶寬內≤5Co),實現干燥分區并按特定的指數規律升溫與降溫;
    (4)流延漿料實現等流量或者等壓強供給,并且嚴格地過濾處理;
    (5)系統實現生產過程的防爆監測與控制;
    (6)流延過程中應該盡可能地減少人的直接參與,實現流延過程的自動化控制。針對上述原則和系統的組成,設計微型流延系統時要解決的技術關鍵問題如下:
    (1)依據薄膜成型機理確定動態成型機構的最佳參數問題;
    (2)恒速與恒張力走帶的協調控制問題;
    (3)干燥分區設計與寬度方向溫度場的均勻化設計問題;
    (4)漿料等壓強與等流量控制問題。這幾個問題是保證流延膜超薄化、厚度精密化、組織均勻與無氣孔的核心因素。在解決這幾個問題時,首先是解決原理上的問題,其次才是解決系統結構的精密化問題。
     
    3典型部件的設計
    3.1動態流延頭設計
     
     
     圖2是小型動態流延頭的機械結構。流延口采用圓弧型結構,與流延輥形成動壓斜楔,產生動壓效應。漿料通過壓力漿料供給系統利用管路直接輸入。流延間隙通過斜塊螺旋微調機構托動直線軸承系統實現,微調范圍為2mm,微調精度達到1µm。微調機構采用了冗余設計,以便通過強制性微調變形保證流延唇口相對流延軸下母線間的間隙平行相等。流延口與流延輥的母線對中采用切向螺旋調節的方式實現。動壓懸浮支撐采用平行板彈簧機構實現,其垂直和旋轉剛度如下:
    其中,ky、ko分別是垂直和旋轉剛度,E是彈簧板的楊式彈性模量,b、h和L分別是彈簧板的寬、高和長度。
    對上述結構使用片式電容陶瓷漿液,基于牛頓液體的流體動壓建模,利用MATLAB7.01軟件進行計算機仿真計算和結構參數優化,在流延速度1~10 m/min,支撐岡4度ky=(2.5—5)×108N/m,k0=(5.5~8.5)×106N/rad條件下確保了動壓場的建立同時,流延濕膜厚度達到了5~100µm。
     
    3.2走帶機構設計與張力自動控制
     
    根據小型流延機的工藝狀況和載帶傳輸的特點,設汁了圖3所示的載帶傳輸運動系統 放帶運動采用r流延載帶通過放卷張力傳感器監測出放卷張力,在張力控制器的控制下通過磁粉制動器調節放卷輥的卷曲張力,實現勻速恒張力放帶。收帶運動采用r流延載帶通過收卷張力傳感器測出相應的張力,然后由張力傳感器信號來控制磁粉離合器的收卷張力。帶的拖動是利用電機驅動兩個相對的擠壓輥,通過對基帶的摩擦碾壓完成。為了提高拖動摩擦力,主動輥采用了膠輥。圖4是所設計的走帶傳動系統的機械結構。放帶軸和卷帶軸采用Φ75mm的標準氣脹軸,放卷軸的磁分離合器被動傳動,收卷軸采用電機拖動磁分離合器按張力減速傳動。在帶的拖動過程中,驅動輥由電機直接驅動,帶的驅動壓力由彈簧變形獲得,保證帶在速度1~10m/rnin內無滑移連續可調。小型流延機的張力控制采用如5所示的模型。帶的驅動作為張力的輸入量,張力傳感器測出的輸出錆與輸入量進行比較,通過張力控制器控制磁分離合器或制動器,驅動收卷或放卷軸,從而保證帶的恒速運行。
     
    對上述結構在UGCAD環境下進行丫運動模擬,結構的傳動平穩,同時基于圖5的框圖利用MATLAB7.Ol軟件的控制??榻辛蘇帕刂品掄?,對走帶穩定性和張力波動性進行丁考核,結果表明,其傳動滿足r走帶速度波動不大于設定速度的2.5%。
     
    3,3自動恒溫干燥箱的設計
     
    目前,流延膜的1二燥方式主要有紅外線干燥、紫外線固化、熱輥或板烘十和熱風干燥等方式。實際應用中熱風懸浮r燥是最先進的一種干燥方式,一些主要的流延機生產廠家在其先進的流延機中都采用這種方式進行流延膜的干燥,如日本的HIHAHO公司和美剛的HED International,lnc.Yasui Seiki Co.,(USA).AEM,Inc.等公司的產品中大都采用了熱風干燥方式〔8〕。熱風一1:燥方法具有丁燥效率高,不產生?*軱和氣泡,十燥過程與流延膜不發生接觸的優點〔9〕。但是,對小型流延機來說,考慮到設計成本與設備空間,以及實際使用的工況,本設計采用了紅外線加熱干燥的方式通過更換發熱元件也可以兼顧紫外線固化的要求。在下燥過程中,因有機溶劑的揮發效應等作用,膜的溫度與外界加熱溫度是有一定的甍異的。膜要經過四個干燥階段,即揮發階段、恒溫干燥階段、降溫干燥階段和平衡階段。因此,加熱箱的沒計要按照圖6所示的形態的加熱曲線分區設計。為了適應各種=r燥工藝環境的要求,采用了⋯箱分區加熱方式進行設計,要同時滿足干燥過程強制性揮發、指數規律加熱、恒溫和指數規律降溫的要求。保證十燥溫度在30—3O0℃12內可調。在設計過程中,依據理論溫度曲線,按照傳熱學的紅外輻射設汁理論和最小二乘法進行擬合,根據擬合最小二乘誤差不大于±50℃,設計出石英紅外發熱管的分布陽J距,利用熱電耦對恒溫區的溫度進行監控圖7是干燥箱的結構布局。箱的內部采用拋光不銹鋼作為輻射的發射表面,來均衡溫度場。兩側的調節閥的開幾量可作為控制強制性揮發升溫區和出口強制性降溫區的溫度分布的調節鼉。為了控制溫度場的均勻性,在干燥箱的箱壁夾層中填充醋酸纖維脂材料來絕熱。
    3.4漿料自動供給系統設計
     
    一般束說,為確保漿料供給的恒壓。需要一套由伺服泵、過濾器、控制閥和壓力傳感器所組成的完整的系統。對于微小型流延機的設計來說,采用了圖8所示的外加氣壓強迫供液的方式。在圖8所示的漿料供給系統中,外加壓縮空氣被輸入到一個密閉的容器內,利用氣壓強迫漿料沿著供液管輸入到流延頭的流延腔中,保證流延漿料壓力的穩定。視流延漿料粘度不同通常應保證外加氣壓在0.12—0.25MPa。
     
     
    4控制系統的設計
      在小型流延機設計中,考慮實際應用工況,控制過程應盡可能簡化和便于操作與維護??刂頻暮誦鬧饕親嘰碩刂?、恒溫干燥控制、系統的安全監測和工藝參量的檢測。因此,采用PI C作為主控單元,觸摸屏作為操作的人機界面,其控制系統的框架如圖9所示。
     
     
    5結束語
     
    小型流延機設計的理念與大型流延機的設計理念相比是有一定特殊性的。高精密、經濟、操作方便和多功能,以及適應不同的實驗研究工作和產品的中試需要是設計的基本出發點。設計必須按照固有的設計規則進行,高精密微調整結構的流延頭和走帶張力控制傳動機構的設計是技術的關鍵。流延頭設計必須是保證在流延速度l~10m/min內建立起動壓場。為保證走帶的平穩性和精密性,應該采用全自動精密張力檢測與控制系統。
     
    [參考文獻]
    [1]Hatza,D,Greil,P,Review:Aqueous tap casting of ceramicpowers,Material Science and Engineering,l 995 A202.
    [2]Hyat!,E P.Making thin,flatceramic tape:a review,Am.Ceramic.Soc.Bul1.,1986 65(4).
    『3]Al~ed。l Y,Freddy Y C and I丑m,YC,Non—Newtonian flu—id flow model f1)r ceramic tape casting,Mater.Sci.and Eng.,2ooO A208.
    [4]Williams,J C,Doctor blade processing:F F Wang( ),Treatise on Materials Science—Ceramic Fabrication Proces—ses,Academic Press,New York,1976 10
    [5]Takao Yamano,Ceramic sheet casting machine,Jap+Electr.Ind.Soc.,1997,(9).[
    6]黃勇,向軍輝,謝志鵬,等,陶瓷材料流延成形現狀[J],硅酸鹽通報.2001(5).[7]賀連星,溫廷璉,呂之奕.燃料電池電解質流延膜的燒結工藝及其性能的研究[J].無機材料學報,1998(4).
    [8]HIRAHO平野公司,HED International,Inc.,Yasui SeikiCo.,(USA).AEM,Inc.產品資料,2004,10.
    [9]E+D.柯亨,E.B.古塔夫編,趙伯元譯,現代涂布干燥技術[M]+北京:中國輕工出版社.1999,
    10.(編輯蘇伯光)
     
    (上接第75頁)速度和準確性。查詢功能采用SQL語句實現。部分程序如下:Data1.RecordSource z”select}from加工鏈表where[表面標識]=4 and[材料標識]=”&IDcl& ”and[熱處理標識]=” &Iorchl
    Data1.Refresh
    Data1.Recordset.FindFirst”[表面粗糙度標識]like&cucdu&”
    If Data1.Recordset.NoMatch Then
    Text1.Text =””
    MsgBox”你選擇的熱處理范圍不正確!”,vbExclamation,”提示”
    Else
    IDgongxu= Data].Recordset.Fields(8)
     
    5結束語
     
    該系統以數據庫為核心,能夠幫助企業對工藝資源數據進行有效的管理;同時在人機交互編制工藝過程中,能方便地進行工藝資源的查詢,獲得企業工藝設計所需的加工工序,設備,刀、夾、量具和切削參數等工藝數據及一些常用的工藝知識,可極大地提高工藝設計效率,并為企業實施CIMS提供有力的支撐。
     
    [參考文獻]
     
    [1]周凡,殷國富.面向CAPP的工藝資源管理系統研究[J].現代制造工程,2003(10).
    [2]王述云.CAPP系統中基于ODBC的工藝數據庫管理[J].福建電腦,2003(10).
    [3]周軍龍,陳立平.工程數據庫的ODBC方案實現[J].計算機工程,1998(8).(編輯李秀敏)
    肇慶市佳利電子裝備有限公司©版權所有 技術支持:出格
    百灵炸金花百人场 360老时时开奖号码走势图 大乐透走势 快三单双计算方法 正规三公玩法规则 现金版两人斗地主 双色球杀号 倍投方案稳赚 pk10和值稳赚法 倍投多少期稳赚 11选5计划软件 十一 重庆时时彩后三包胆是什么意思 重庆时时猜龙虎走秘籍 彩票挂机真的稳赚吗 三公要怎么压才能赢钱 控制重庆时时彩开奖