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    高精密小型动压悬浮自动流延机的设计
    高精密小型动压悬浮自动流延机的设计
    吕玉山,孙建章,张辽远,宋建新
    (沈阳理工大学机械工程学院,沈阳110168)
      摘要:电子陶瓷薄膜是片式电子元器件制造和大规模集成电路封装的关键薄膜材料,它是在高精密流延机上利用电子陶瓷浆料流延获得的 因此,如何设计与制造高精密自动流延机是保证流延膜的生产质量与效率的关键。文章提出了一种基于非牛顿液体动压悬浮理论的高精密陶瓷薄膜流延方法,并设计了小型全自动流延机。对小型流延机的系统构成、成膜原理、流延膜的传输运动、干燥原理、浆料的供给和系统的控制,以及它们的机械实现等问题进行了分析和探讨。关键词:动压悬浮流延;流延机;陶瓷薄膜
    中图分类号:TH6;TQ573.3        文献标识码: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
    随着微电子技术、光电子技术与电力电子技术的发展,电子陶瓷薄膜或基板被广泛地用于叠层片式电容与电感.片式电阻、压电器件、红外探测器件、燃料电池和太阳能电池的制造,以及集成电路的多层封装领域。陶瓷薄膜或基板的厚度范围从500~m到5Ixm,其厚度的误差达到了土0.5 m。这些薄膜或基板是利用陶瓷浆料在流延机上流延而成,不同厚度和功能的薄膜或者基板所用的流延机械原理略有区别,流延机的精度与效率也不同,特别在流延厚度达到10 m以下,厚度误差在4-l m的流延膜制造过程中,除了必须有严格的工艺与环境支持以外,更重要的是具备高精密的流延机械装备.目前,我国用于生产片式电子元件020l、0402与0603型号等高端产品生产的高密流延机主要依靠国外引进。每台设备引进费用达到几十万美元(如日本HIRANO TECSEED公司的M2OOL流延机价格达60多万美元),使得国内中小企业无法承担这一费用,直接影响到元器件产品制造水平的提高。产生这一问题的原因之一是长期以来我国电子元器件生产装备制造业与新型元器件的开发相脱节,导致了生产装备制造与相关的应用性基础研究落后。另一方面,在国内,适应于小批量生产,中试生产和实验室研究型的小型或微型流延机几乎处于空白状态。因此从元器件制造行业与生产装备制造行业发展的角度和满足实验室研究、产品中试研究和小批量生产的需要出发,开展电子陶瓷薄膜高精密流延理论与流延装备设计理论的研究,以及开发一种微小型高精密流延机是非常重要的和有现时意义的。
     
    l动压悬浮流延的基本原理
     
    Blade coating是电子陶瓷薄膜流延的基本方法,在这种方法基础上,相继发展出了浸渍法、气体剪刀法、凹版印刷法、逆转辊法、缝隙挤出法、滑移法、幕淋法、逗辊法、唇口法、吻口法、微凹版辊等流延方法〔1-4.9〕。这些方法的基本原理是利用流延浆料的表面张力、运动条件下缝隙的定量流动与拖动,缝隙的定量挤压流动和凹痕定量等一种或几种原理的组合。它们在厚膜(如厚度≥2Oµm)的流延过程中,流延的机械运动精度对膜厚精度的影响是不大的,但是,当薄膜厚度降到5~1Oµm时,将对流延头的机械几何精 度和运动精度提出更高的要求,这对流延机的机械设计和系统的控制带来了很大的困难,从而也使得流延膜的工艺成本大幅度的提高〔5.9〕。因此,提出了利用磁头相对磁盘的动压悬浮原理的高精密动态流延方式,从而实现在不提高流延头部件的几何精度和运动精度的条件下获得高精密薄膜的流延。
      
    图1是动压悬浮流延的物理模型,流延滑块与流延辊之间形成动压间隙,在特定的物理参数(如流延浆料的弹性模量K2和阻尼系数C2,以及支撑系统弹性模量K1、K0和阻尼系数CI)和流延口几何形状条件下,形成一个自适应的内反馈动态系统,使得在流延辊存在较大的几何与回转运动误差的状态下,保证在较小的流延间隙时,流延间隙动态误差达到最小化,从而获得最小厚度流延膜或者厚度高精密化的流延膜。
     
    2总体构成、设计原则与拟解决的关键问题
     
    根据电子陶瓷薄膜制造的工艺与相关的支持环境要求,叮以确定小型流延机的总体构成、设计中应遵循的原则和解决的关键问题。
     
    小型流延机主要由流延头部件、机器基础部件、浆料供给系统、流延载带传输系统、干燥系统和控制系统所组成。从实际生产工艺要求出发,为确保流延膜超薄且高精度(膜厚在10~15µm,厚度误差为±1µm),流延膜组织均匀和无夹杂与气孔,且高效连续流延,以及系统在可燃气体状态下安全工作,设计必须遵循如下原则:
     
    (1)流延机理上必须确保流延成膜的可行性,其流延成膜机械必须具有恰当的动静态刚度和稳性,机构必须精密化;
    (2)基带必须实现自动、等速与恒张力,且无跑偏传动;
    (3)实现自动干燥,并且带宽方向干燥的温度场分布均匀(300mm带宽内≤5Co),实现干燥分区并按特定的指数规律升温与降温;
    (4)流延浆料实现等流量或者等压强供给,并且严格地过滤处理;
    (5)系统实现生产过程的防爆监测与控制;
    (6)流延过程中应该尽可能地减少人的直接参与,实现流延过程的自动化控制。针对上述原则和系统的组成,设计微型流延系统时要解决的技术关键问题如下:
    (1)依据薄膜成型机理确定动态成型机构的最佳参数问题;
    (2)恒速与恒张力走带的协调控制问题;
    (3)干燥分区设计与宽度方向温度场的均匀化设计问题;
    (4)浆料等压强与等流量控制问题。这几个问题是保证流延膜超薄化、厚度精密化、组织均匀与无气孔的核心因素。在解决这几个问题时,首先是解决原理上的问题,其次才是解决系统结构的精密化问题。
     
    3典型部件的设计
    3.1动态流延头设计
     
     
     图2是小型动态流延头的机械结构。流延口采用圆弧型结构,与流延辊形成动压斜楔,产生动压效应。浆料通过压力浆料供给系统利用管路直接输入。流延间隙通过斜块螺旋微调机构托动直线轴承系统实现,微调范围为2mm,微调精度达到1µm。微调机构采用了冗余设计,以便通过强制性微调变形保证流延唇口相对流延轴下母线间的间隙平行相等。流延口与流延辊的母线对中采用切向螺旋调节的方式实现。动压悬浮支撑采用平行板弹簧机构实现,其垂直和旋转刚度如下:
    其中,ky、ko分别是垂直和旋转刚度,E是弹簧板的杨式弹性模量,b、h和L分别是弹簧板的宽、高和长度。
    对上述结构使用片式电容陶瓷浆液,基于牛顿液体的流体动压建模,利用MATLAB7.01软件进行计算机仿真计算和结构参数优化,在流延速度1~10 m/min,支撑冈4度ky=(2.5—5)×108N/m,k0=(5.5~8.5)×106N/rad条件下确保了动压场的建立同时,流延湿膜厚度达到了5~100µm。
     
    3.2走带机构设计与张力自动控制
     
    根据小型流延机的工艺状况和载带传输的特点,设汁了图3所示的载带传输运动系统 放带运动采用r流延载带通过放卷张力传感器监测出放卷张力,在张力控制器的控制下通过磁粉制动器调节放卷辊的卷曲张力,实现匀速恒张力放带。收带运动采用r流延载带通过收卷张力传感器测出相应的张力,然后由张力传感器信号来控制磁粉离合器的收卷张力。带的拖动是利用电机驱动两个相对的挤压辊,通过对基带的摩擦碾压完成。为了提高拖动摩擦力,主动辊采用了胶辊。图4是所设计的走带传动系统的机械结构。放带轴和卷带轴采用Φ75mm的标准气胀轴,放卷轴的磁分离合器被动传动,收卷轴采用电机拖动磁分离合器按张力减速传动。在带的拖动过程中,驱动辊由电机直接驱动,带的驱动压力由弹簧变形获得,保证带在速度1~10m/rnin内无滑移连续可调。小型流延机的张力控制采用如5所示的模型。带的驱动作为张力的输入量,张力传感器测出的输出锖与输入量进行比较,通过张力控制器控制磁分离合器或制动器,驱动收卷或放卷轴,从而保证带的恒速运行。
     
    对上述结构在UGCAD环境下进行丫运动模拟,结构的传动平稳,同时基于图5的框图利用MATLAB7.Ol软件的控制模块进行了张力控制仿真,对走带稳定性和张力波动性进行丁考核,结果表明,其传动满足r走带速度波动不大于设定速度的2.5%。
     
    3,3自动恒温干燥箱的设计
     
    目前,流延膜的1二燥方式主要有红外线干燥、紫外线固化、热辊或板烘十和热风干燥等方式。实际应用中热风悬浮r燥是最先进的一种干燥方式,一些主要的流延机生产厂家在其先进的流延机中都采用这种方式进行流延膜的干燥,如日本的HIHAHO公司和美刚的HED International,lnc.Yasui Seiki Co.,(USA).AEM,Inc.等公司的产品中大都采用了热风干燥方式〔8〕。热风一1:燥方法具有丁燥效率高,不产生针孑L和气泡,十燥过程与流延膜不发生接触的优点〔9〕。但是,对小型流延机来说,考虑到设计成本与设备空间,以及实际使用的工况,本设计采用了红外线加热干燥的方式通过更换发热元件也可以兼顾紫外线固化的要求。在下燥过程中,因有机溶剂的挥发效应等作用,膜的温度与外界加热温度是有一定的甍异的。膜要经过四个干燥阶段,即挥发阶段、恒温干燥阶段、降温干燥阶段和平衡阶段。因此,加热箱的没计要按照图6所示的形态的加热曲线分区设计。为了适应各种=r燥工艺环境的要求,采用了⋯箱分区加热方式进行设计,要同时满足干燥过程强制性挥发、指数规律加热、恒温和指数规律降温的要求。保证十燥温度在30—3O0℃12内可调。在设计过程中,依据理论温度曲线,按照传热学的红外辐射设汁理论和最小二乘法进行拟合,根据拟合最小二乘误差不大于±50℃,设计出石英红外发热管的分布阳J距,利用热电耦对恒温区的温度进行监控图7是干燥箱的结构布局。箱的内部采用抛光不锈钢作为辐射的发射表面,来均衡温度场。两侧的调节阀的开几量可作为控制强制性挥发升温区和出口强制性降温区的温度分布的调节鼍。为了控制温度场的均匀性,在干燥箱的箱壁夹层中填充醋酸纤维脂材料来绝热。
    3.4浆料自动供给系统设计
     
    一般束说,为确保浆料供给的恒压。需要一套由伺服泵、过滤器、控制阀和压力传感器所组成的完整的系统。对于微小型流延机的设计来说,采用了图8所示的外加气压强迫供液的方式。在图8所示的浆料供给系统中,外加压缩空气被输入到一个密闭的容器内,利用气压强迫浆料沿着供液管输入到流延头的流延腔中,保证流延浆料压力的稳定。视流延浆料粘度不同通常应保证外加气压在0.12—0.25MPa。
     
     
    4控制系统的设计
      在小型流延机设计中,考虑实际应用工况,控制过程应尽可能简化和便于操作与维护。控制的核心主要是走带运动控制、恒温干燥控制、系统的安全监测和工艺参量的检测。因此,采用PI C作为主控单元,触摸屏作为操作的人机界面,其控制系统的框架如图9所示。
     
     
    5结束语
     
    小型流延机设计的理念与大型流延机的设计理念相比是有一定特殊性的。高精密、经济、操作方便和多功能,以及适应不同的实验研究工作和产品的中试需要是设计的基本出发点。设计必须按照固有的设计规则进行,高精密微调整结构的流延头和走带张力控制传动机构的设计是技术的关键。流延头设计必须是保证在流延速度l~10m/min内建立起动压场。为保证走带的平稳性和精密性,应该采用全自动精密张力检测与控制系统。
     
    [参考文献]
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    10.(编辑苏伯光)
     
    (上接第75页)速度和准确性。查询功能采用SQL语句实现。部分程序如下:Data1.RecordSource z”select}from加工链表where[表面标识]=4 and[材料标识]=”&IDcl& ”and[热处理标识]=” &Iorchl
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    If Data1.Recordset.NoMatch Then
    Text1.Text =””
    MsgBox”你选择的热处理范围不正确!”,vbExclamation,”提示”
    Else
    IDgongxu= Data].Recordset.Fields(8)
     
    5结束语
     
    该系统以数据库为核心,能够帮助企业对工艺资源数据进行有效的管理;同时在人机交互编制工艺过程中,能方便地进行工艺资源的查询,获得企业工艺设计所需的加工工序,设备,刀、夹、量具和切削参数等工艺数据及一些常用的工艺知识,可极大地提高工艺设计效率,并为企业实施CIMS提供有力的支撑。
     
    [参考文献]
     
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