LTCC基板疊片工藝及關(guān)鍵技術(shù)

電子裝備正向高性能、微型化發(fā)展，要求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(duì)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(duì)更薄的生瓷片進(jìn)行疊片。

第一步：上料。主要作用是把放置好生瓷片的托盤自動(dòng)傳輸?shù)饺∑P的下方，供取片后繼續(xù)后續(xù)的工藝動(dòng)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(gè)塑料柱限制在2mm的范圍內(nèi)，保證了后續(xù)定位時(shí)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(jī)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(gè)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(diǎn)增加了真空孔的數(shù)量，保證開始時(shí)吸力很大，生瓷片不會(huì)被一起帶走。

第三步：脫膜。主要功能是把生瓷片下方的保護(hù)膜脫掉，以便后面疊片。脫膜輥固定在可上下移動(dòng)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(yùn)料機(jī)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(huì)有硬接觸。撕膜輥?zhàn)釉谡畴p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(shí)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(shí)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(shí)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)。

第三步：脫膜。主要功能是把生瓷片下方的保護(hù)膜脫掉，以便后面疊片。脫膜輥固定在可上下移動(dòng)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(yùn)料機(jī)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(huì)有硬接觸。撕膜輥?zhàn)釉谡畴p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(shí)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(shí)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(shí)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)。

第五步：疊片。主要功能是把定位好的生瓷片從定位臺(tái)上取到疊片臺(tái)上與前面疊好的層可靠壓接后，下一步進(jìn)行焊接。水平移動(dòng)采用直線電機(jī)，沒有間隙,重復(fù)精度達(dá)到±1.5μm，保證了移送的精度；另外多孔陶瓷定位臺(tái)、多孔陶瓷吸盤和疊片臺(tái)平面度都在15μm之內(nèi)，同時(shí)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(tái)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(tái)上的生瓷片上下層之間用烙鐵進(jìn)行定位焊接，焊接機(jī)構(gòu)由八個(gè)烙鐵和帶動(dòng)其上下運(yùn)動(dòng)的八個(gè)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(jì)有散熱用的孔，氣缸運(yùn)動(dòng)控制烙鐵的升降，利用彈簧來自動(dòng)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(shí)際溫度根據(jù)生瓷片的厚度和材制而不同，具體通過試驗(yàn)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(diǎn)的效果最佳。八個(gè)烙鐵中四個(gè)四個(gè)交替動(dòng)作，使得相鄰層上的焊點(diǎn)不在同一位置，保證了焊接的牢固性，同時(shí)焊點(diǎn)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(dòng)送出，人工取下。透氣紙帶由收放帶直驅(qū)電機(jī)通過幾個(gè)軸張緊，收帶電機(jī)根據(jù)設(shè)定的長度運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行計(jì)算；放帶電機(jī)設(shè)置為力矩運(yùn)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。

第五步：疊片。主要功能是把定位好的生瓷片從定位臺(tái)上取到疊片臺(tái)上與前面疊好的層可靠壓接后，下一步進(jìn)行焊接。水平移動(dòng)采用直線電機(jī)，沒有間隙,重復(fù)精度達(dá)到±1.5μm，保證了移送的精度；另外多孔陶瓷定位臺(tái)、多孔陶瓷吸盤和疊片臺(tái)平面度都在15μm之內(nèi)，同時(shí)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(tái)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(tái)上的生瓷片上下層之間用烙鐵進(jìn)行定位焊接，焊接機(jī)構(gòu)由八個(gè)烙鐵和帶動(dòng)其上下運(yùn)動(dòng)的八個(gè)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(jì)有散熱用的孔，氣缸運(yùn)動(dòng)控制烙鐵的升降，利用彈簧來自動(dòng)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(shí)際溫度根據(jù)生瓷片的厚度和材制而不同，具體通過試驗(yàn)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(diǎn)的效果最佳。八個(gè)烙鐵中四個(gè)四個(gè)交替動(dòng)作，使得相鄰層上的焊點(diǎn)不在同一位置，保證了焊接的牢固性，同時(shí)焊點(diǎn)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(dòng)送出，人工取下。透氣紙帶由收放帶直驅(qū)電機(jī)通過幾個(gè)軸張緊，收帶電機(jī)根據(jù)設(shè)定的長度運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行計(jì)算；放帶電機(jī)設(shè)置為力矩運(yùn)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。

LTCC陶瓷疊片關(guān)鍵技術(shù)

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(jì)上采用圖像處理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)生瓷片的精密定位，采用多孔陶瓷真空吸附平臺(tái)實(shí)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(tái)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(huì)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(dá)到0.01mm的水平，保證了生瓷片的平整性。在多孔陶瓷的四個(gè)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(yùn)用了以下一些技術(shù)。

(1)采用四個(gè)相機(jī)和Mark對(duì)位的方式，提高定位的精度。對(duì)圖像處理系統(tǒng)來說，連接的相機(jī)越多，其定位精度越高；

(2)設(shè)計(jì)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(jì)為如圖5a所示，其他的三角Mark 標(biāo)記設(shè)計(jì)為如圖5b所示。這樣就可以區(qū)分生瓷片的方向了；

(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(jī)能)模式，這樣即使Mark有旋轉(zhuǎn)、殘損、大小變化、焦點(diǎn)模糊等等各種干擾，仍可以較好的搜索到Mark。同時(shí)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(dòng)就可以。要保證四個(gè)Mark的中心檢出條件是一樣的；

在對(duì)圖像定位標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置時(shí)，根據(jù)四點(diǎn)定位的方式，選擇了對(duì)應(yīng)點(diǎn)的對(duì)齊方法。根據(jù)最終疊片要達(dá)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、生瓷片定位后的高精度移送技術(shù)

生瓷片從定位臺(tái)到疊片臺(tái)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(tái)上的定位精度沒有變化。設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)選用直線電機(jī)，并配以細(xì)分后達(dá)0.078μm的光柵尺反饋，形成閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)生瓷片的精密平穩(wěn)移位。在實(shí)際測量時(shí)，移片機(jī)構(gòu)的重復(fù)精度為±1.5 μm。

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

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(jī)拾取后，是整個(gè)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(jī)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(jī)與運(yùn)料電機(jī)配合完成生瓷片的拾取、脫膜及到翻轉(zhuǎn)板和定位臺(tái)上放下，在各點(diǎn)取料電機(jī)行程不同，工藝要求也不同，脫膜時(shí)采用了位置控制方式，其它三個(gè)拾、放生瓷片的位置行程都不同并且放片的兩個(gè)真空平臺(tái)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(shí)先采用位置控制將行程縮短，再進(jìn)行力矩控制，并且能對(duì)下壓的力量進(jìn)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(jìn)行。不采用全程力矩控制是由于在力矩控制方式下，運(yùn)動(dòng)時(shí)間變長，可能導(dǎo)致整個(gè)動(dòng)作時(shí)間加長，而在行程較長的情況下，力矩方式可能引起電機(jī)飛車。

在具體控制時(shí)，需要合理設(shè)置兩個(gè)參數(shù)，一個(gè)是位置控制與力矩控制的轉(zhuǎn)化點(diǎn)的選擇，也就是說從那個(gè)位置點(diǎn)開始實(shí)行力矩控制，才能達(dá)到目的。另一個(gè)是力矩大小的調(diào)整。對(duì)轉(zhuǎn)化點(diǎn)的選擇，考慮三個(gè)位置的整個(gè)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(shí)際工藝情況，轉(zhuǎn)化點(diǎn)選擇在電機(jī)的同一個(gè)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。

4、生瓷片脫膜技術(shù)

設(shè)計(jì)了帶首尾引出的吸板，其結(jié)構(gòu)示意如圖所示，并設(shè)計(jì)了可自由轉(zhuǎn)動(dòng)膠輥，膠輥上設(shè)計(jì)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(dòng)時(shí)間適當(dāng)加長，保證保護(hù)膜可靠的脫落。當(dāng)生瓷片以一定壓力在膠輥上通過時(shí)，利用膠輥上雙面膠帶的粘性將保護(hù)膜脫去。

具體操作時(shí)，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(gè)角)對(duì)準(zhǔn)膠輥，壓住膠輥后，向前以一定的速度運(yùn)行，在壓力和膠帶粘性的共同作用下，保護(hù)膜被脫去。在實(shí)踐中，對(duì)膠輥被壓下的高度即壓力大小，向前運(yùn)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(hù)膜的潔凈程度有關(guān)。這三個(gè)方面相互配合，生瓷片的脫膜效果很好。

結(jié) 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(duì)加快國內(nèi)電子裝備的國產(chǎn)化進(jìn)程，將產(chǎn)生推動(dòng)作用，并將產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

文章來源：LTCC疊片工藝技術(shù)研究 康連生，馬增剛，賈霞彥，陳軍 電子工業(yè)專用設(shè)備第184期