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(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上取到疊片臺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、多孔陶瓷吸盤和疊片臺平面度都在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(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上取到疊片臺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、多孔陶瓷吸盤和疊片臺平面度都在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(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(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，選擇了對應(yīng)點(diǎn)的對齊方法。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(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