精密冲孔工艺在LTCC叠层设备中的应用_刘洋.pdf

（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022收稿日期：2022-12-05精密冲孔工艺在 LTCC 叠层设备中的应用刘 洋(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京100176)摘要：介绍了利用一组定位孔实现LTCC生瓷片层与层之间精确对位的叠层加工方法，并对该定位孔在生瓷片上的位置进行了分析与设计，最后对加工该定位孔的冲孔机构及冲孔模作了详细介绍。关键词：精密冲孔模；叠层设备；凹模；凸模中图分类号：TN405文献标志码：B文章编号：1004-4507(2022)06-0030-05Application of Precision Piercing Processes in aLaminate MachineLIU Yang(The 45thResearch Institute of CETC，Beijing 100176，China)Abstract:A laminate method of LTCC components and parts is introduced in this paper，which isthat a few of locating holes are applied for precision alignment of position of LTCC film.Then thelayout of the locating holes in LTCC film is introduced and the piercing processes is analyzed.Atlast，the piercing assembly and Piercing Die is introduced in detail.Key words:Precision piercing die；Laminate machine；Concave die；Punch低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ce-ramic，LTCC)具有优良的高频、高速传输、宽带通特性，可以满足大电流、耐高温的应用场景，而且可制作多层内置无源元件的三维电路基板，可与其他多层布线技术兼容使用，目前在航空、航天、微波与射频通信等领域得到广泛的应用。其工艺流程如图 1 所示，主要包括流延、裁片、冲孔、填孔、印刷、叠层、层压、切割、烧结、检测等工序。叠层工艺是 LTCC 工艺流程中关键一环，将印刷好金属化图形和形成互连通孔的生瓷片，按照预先设计的层数和次序叠到一起，在一定的温度和压力下，使它们紧密粘接，形成一个完整的多层生瓷片坯体。叠层设备是实现叠层工艺的 LTCC 加工设先进封装技术与设备30（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022图1 LTCC工艺流程图备，是 LTCC 三维结构内电气互联的前提保证。要保证 LTCC 叠层元器件的质量，就必须保证在叠层过程中，生瓷片层与层之间准确对准。在实际叠层过程中，生瓷片需要在不同工位间传输，生瓷片进行加热处理和在真空环境下叠压，这些因素都将对生瓷片的叠层精度产生影响。为了尽量减少上述因素对叠层精度的影响，本论文提出生瓷片上料后，如图 2 所示，先通过CCD 视觉对位方式精确校正每层生瓷片的位置，紧接着通过精密冲孔模一次完成预设的多个定位孔的制作。在后续的叠层过程中，所有层的生瓷片通过该组定位孔完成叠层加工。在叠压工作台上设计有与冲孔位置对应的定位销，在叠层时，待叠层的生瓷片被该组定位销定位并固定。这样有效消除了生瓷片在不同工位间传输造成的位置误差和由于加热造成的生瓷片尺寸变化的影响，且不受真空吸附固定的限制，从而提高生瓷片的叠层精度。冲孔作为该 LTCC 叠层工艺的重要一环，定位孔在生瓷片位置布局及定位孔的制作精度是影响生瓷片的关键因素，以下将进行定位孔位置如何确定和定位孔如何加工作详细介绍。1冲孔工艺方案设计为了确保定位孔能对生瓷片进行精确的定位，本机构采用 8 个定位孔对生瓷片进行定位，基于误差均化原理，能通过较低的孔精度，实现生瓷片的高精度定位。同时为了保证定位孔的位置一致性，该 8 个定位通过固定模具一次冲孔成形。1.1定位孔位置的设计在保证不影响生瓷片正常使用的前提下，定位孔设置在生瓷片的周边印刷图形区域外，根据受力均匀等因素考虑，如图 3 所示，8 个 5 的定位孔采用中心对称布局。如此设计保证了冲孔模的压力中心与工件的中心重合，方便冲孔驱动机构及冲孔工作台的设计，同时降低驱动导向机构和冲孔模具的磨损，延长使用寿命。同时为了多个工位均能采用该定位孔对生瓷片进行定位，8 个定位孔位置误差不能超过5 m，且须保证孔的大小一致，孔壁光滑。1.2冲孔力的计算在生产过程中，由于生瓷片的强度低，一般在生瓷片的背面会粘贴一层 PET 薄膜，减少生瓷片在生产过程中的变形。故对生瓷片的冲孔加工，是图3定位孔位置示意图流延裁片冲孔填孔印刷检测烧结切割层压叠层图2叠层加工过程CCD 对准一次冲孔多层叠片印刷图形区L0.005L0.005L0.005L0.00585先进封装技术与设备31（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022需要同时对生瓷片和 PET 薄膜进行冲孔。生产过程所用的 PET(Polyethylene terephthalate)膜厚度最大 50 m(抗拉强度 b可达 200 MPa)，生瓷片的最大厚度为 100 m。为了最大程度保证冲孔大小和位置的一致性，采用机械冲孔方式对多个定位孔一次加工完成，故采用有导向装置的单工序多孔冲孔模设计，即 8 个 5 定位孔被同时加工完成。冲孔力一般按下式进行计算：F冲=L t b(1)=850.052001300 N式中 F冲为冲孔力；L 为冲孔的周长，由于该设计一次冲孔数为 8个，故 L=8d；d 为冲孔的直径；t 为 PET 膜的厚度，在此取 PET 膜的最大厚度值；b为 PET 膜的抗拉强度。由于生瓷片是由粉体材料粘接而成，抗拉强度极低，所产生的冲孔力也极低，故在计算中将其忽略。1.3冲孔间隙的确定及凸模和凹模的设计1.3.1冲孔间隙的确定冲孔间隙即凸、凹模间隙，是冲孔过程重要的工艺参数，对冲孔质量、模具寿命和冲孔力等都有很大的影响。根据该组定位孔的使用要求，结合一些经验间隙值，本机构的冲孔间隙值选定为 15 m。1.3.2凸模和凹模的设计为了简化模具设计、缩短设计和制造周期，提高模具质量，减低模具成本，冲孔模零部件已有标准化的产品供用选择使用，本机构中的凸模和凹模也采用标准化生产的产品。（1）凸模和凹模的材料由于生瓷片的主要成分为陶瓷粉末，硬度高，故凸模和凹模必须具备高强度和高硬度，在此选用硬质合金凸模和凹模，其洛氏硬度可达到 8889 HRA。（2）凸模凸模选用圆柱头缩杆圆凸模，在其中心部位设计有空气通道，防止生瓷片废料在凸模抬升时粘附在凸模端部，洒落在待叠层的生瓷片上，产生产品质量问题，如图 4 所示。（3）凹模凹模选用带肩圆凹模，在圆柱形刃口下部有一段防废料反弹的反圆锥面，锥度为 1150，如图 5 所示。这样既保证了冲孔刃口的强度，又有利于废料的向下排出。根据选用的凸模和凹模尺寸，可以计算出最大冲孔间隙值和最小冲孔间隙值：最大冲孔间隙值 Zmax=0.018 mm最小冲孔间隙值 Zmin=0.01 mm以上计算数值满足技术要求。2生瓷片冲孔机构的设计结合整机的结构特点，本冲孔机构采用组合框架式机架和四导柱脱开式滚动导向模架设计，如图 6 所示。该机构主要由机架、冲孔模和驱动装置等功能部件组成。图4凸模图5凹模图6冲孔机构结构图导向轴直线轴承冲孔模底座驱动气缸上横梁立柱先进封装技术与设备32（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 20222.1冲孔机构机架的设计机架支撑着冲孔模，须具备足够的刚度和强度，以保证冲孔操作的稳定可靠。由于该冲孔机构所承受的冲孔力较小，故采用组合框架式机架。组合框架式机架具有高的强度和刚度，并且节省材料，减轻重量，容易加工1。该机架由四部分组成：上横梁、下横梁及两侧立柱，如图 6 所示。由于该机构直接安装在整机底座上，故下梁部分直接使用底座台面。其余各部件由钢板焊接而成，并分别进行加工，最后各部分之间由高强度螺钉连接而成。2.2冲孔模结构设计本冲孔模采用四导柱脱开式滚动导向模架设计，如图 7 所示。主要由凸模、凹模、模架、导向装置和卸料装置等组成。2.2.1模架的设计模架是支撑冲孔模结构主体的部件，它由上、下模座及其间的滚珠导柱导套组成，本结构采用四导柱模架，如图 7 所示。四导柱模架的导柱、导套安装在模具的四角，模架的稳定性和导向精度高，适用于高精度、高速冲孔操作2。由于具有生瓷片自动传送装置，本机构采用四导柱脱开式滚动导向模架。导柱安装在上模座上，钢球保持器套在导柱上，导套安装在下模座上。当上模具抬升时，钢球保持圈与导套分离，方便生瓷片传输机构设计。2.2.2滚动导向装置的选用为了保证在生瓷片上冲孔的位置精度，上模具的精密导向是不可或缺的。滚珠导柱导套导向装置在该设计被选用2。如图 8 所示，该导向装置由导柱、钢球保持圈、导套、弹簧和限程器组成，具有三大特点：（1）由于对钢球施加了预压，可实现无间隙导向；（2）钢球保持圈上钢球交错排布，钢球数量多，具有高的导向刚性；（3）由于采用滚动导向，适合高速冲孔。为了防止钢球保持圈在抬升过程从导柱上脱离，在导柱的下端安装了限程器。为了保证钢球保持圈在每次抬升过程中均能回到导柱的最底部，同时为防止钢球保持圈在与限程器接触时产生回弹，在导柱凸缘和钢球保持圈之间增设一弹簧。2.2.3凸模和凹模的安装与固定凸模与凸模固定板采用过渡配合，保证 8 个冲孔用凸模的准确定位，并通过螺钉，将凸模和凸模固定板紧固在上模座上，凸模通过台肩夹紧在上模座和凸模固定板之间，如图 9（a）所示。如此设计方便凸模磨损后的更换。凹模的固定方式与凸模的固定方式基本相同，方向相反，如图 9（b）所示。图7冲孔模结构图图8滚动导向装置结构图图9凸模和凹模的固定（a）凸模固定方式（b）凹模固定方式凸模固定板凹/凸模凹模固定板上模座滚珠导柱导套下模座导柱弹簧钢球保持圈导套限程器凸模弹簧卸料板凹模凸模固定板凹模固定板先进封装技术与设备33（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 20222.2.4卸料装置的设计本装置采用弹压式卸料板，卸料板设计成带肩台导套，套在凸模外面，在弹簧力驱动下向下压出，在冲孔力的驱动下完成向上压入。如图 10 所示，在冲孔时，在凸模接触生瓷片之前，卸料板压紧生瓷片，消除冲孔时生瓷片的翘曲和受到的径向拉伸，使冲出的定位孔，断面光滑，无撕裂或裂纹。当完成冲孔后，凸模抬升时，对生瓷片进行固定，防止生瓷片被凸模带起，完成生瓷的卸料操作。2.3冲孔模驱动装置的设计该冲孔模的驱动装置安装在上横梁上，采用两套直线轴承和导向轴导向，如图 6 所示。当上模机构下降进行冲孔时，安装在上模座上钢球保持圈能准确的插入到安装在下模座上的导套中，完成冲孔用凸模与凹模的精确定位。由于该冲孔模机构所需冲孔力较小，采用气缸作为该冲孔机构的动力源。气缸所用工作介质为压缩空气，容易获取，且对环境无污染，是理想的选择。在具体的设计过程中，根据冲孔力要求，确定所选气缸的缸径 D 以及压缩空气压力 P，确保输出力大于 1 300 N。3结束语本论文仅对该 LTCC 叠层设备用冲孔机构的关键结构进行了详细地描述，仍有一些附件功能没被提及。同时一套机构的成功运用，合理的材料选