生瓷坯体热切工艺研究_闫文娥.pdf

（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022收稿日期：2022-12-06生瓷坯体热切工艺研究闫文娥，高 峰(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原030024)摘要：通过工艺实验与热切原理相结合得出影响热切质量的根本原因，提出了热切微观过程是决定热切质量的关键，通过改变热切方法能够更好地保证热切质量。并对全切工艺和半切工艺主体结构和基本原理进行了分析，指出了2种热切方法存在的精度问题和热切缺陷问题；提出了一种双面同步半切的新方法，并对该方法进行了分析，结果表明，双面同步半切能更好地解决热切质量问题。关键词：热切质量；热切微观过程；热切方法；热切缺陷；双面同步半切中图分类号：TN605文献标志码：B文章编号：1004-4507(2022)06-0035-06Research on Thermal Cutting of Green Cemamic BarYAN Wene，GAO Feng(The 2ndResearch Institute of CETC，Taiyuan 030024，China)Abstract:The fundamental reasons that affecting thermal cutting quality are obtained by combina-tion of thermal cutting process experiment and its principle in this paper.It is pointed out that ther-mal micro process is the key to determine thermal cutting quality，by changing thermal cuttingmethod could assure thermal cutting quality well.The main structure and basic principle of full-cutprocess and half-cut process are analyzed，and the accuracy and defects of the two thermal cuttingmethods are described.The new method of double sided synchronous half-cut is proposed.Further-more，by means of analyzing this new method，it is concluded that both sided synchronous half-cutmethod could solve the problem of thermal cutting quality well.Key words:Thermal cutting quality；Thermal cutting microscopic processes；Thermal cutting method；Defect of thermal cutting；Double sided synchronous half-cut在陶瓷封装工艺中，热切工艺是一个关键的工艺环节，等静压后的生瓷坯体切割成阵列产品，在生产过程中已证实该环节会出现严重影响组装工艺可靠性结果的问题，如：陶瓷封装制造钎焊工艺中的失效，存在于底棱边的热切缺陷主导的断裂会引起强度值的显著下降，下降达 5060 MPa1，先进封装技术与设备35（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022会对后续的钎焊组装工艺可靠性产生不利影响。热切工艺是一种单一的外形加工工艺，依靠刀片在垂直方向力的作用下实现 X 向和 Y 向切割，无法实现复杂的多边形形状切割。从宏观角度观察，整个切割过程是运动轴和视觉的动作互联过程；从微观角度观察，切割过程是刀片与生瓷坯体的切入分离过程。宏观过程采用高精度的运动构件来满足定位精度，如采用直线电机实现工作台的直线运动，采用直驱电机实现工作台的旋转运动等。微观过程是设计与工艺紧密结合的过程，更是决定热切工序质量的关键，在产品生产中，衡量热切质量主要指标有 2 个，一个是热切后产品外形尺寸精度，是指热切后产品的外形尺寸一致性精度，即将生瓷坯体采用标记线对位，切割成产品，单个产品分别在 X 向和 Y 向外形尺寸的一致性精度；另一个是热切后产品形貌特征，这两方面是衡量热切质量的关键指标。本文通过工艺试验数据与热切原理相结合得出影响热切质量的根本原因，并基于热切原理的基础，对不同的热切方法进行分析对比。1工艺实验传统切割通常只用于生瓷坯体全切透式切割2。(1)实验样品层压后的生瓷坯体，厚度为 4 mm，工作台和切刀的温度为 70，切刀下降速度为 200 mm/s，生瓷坯体底面贴黏性膜，坯体上阵列 16 个产品。切割深度设定为坯体切断、黏性膜不切断的方式。(2)实验过程将放在工作台上的工件负压吸附定位，工作台和刀片加热到恒定温度后，沿标记线位置将生瓷坯体阵列分离成 16 个单个元件，单个元件理论尺寸 x 为 45.5 mm，y 为 45.5 mm。(3)实验结果获取单个元件的外形尺寸精度和形貌特征，如图 1 所示。1.1外形尺寸切割完成后，采用图像测量仪检测 12 个元件的外形尺寸，测量结果如表 1 所示。外形尺寸检测结果显示，产品的外形尺寸精度X 方向精度为40 m，Y 方向精度为40 m。1.2形貌特征形貌特征是指热切后产品底面形貌特征和侧面形貌特征两个方面，在显微镜下观察到的侧面形貌特征为平行的层压界面痕迹和不规则分布的黑色污染痕迹，底面形貌特征为局部崩裂形状，如图 2、图 3 所示。图2侧面形貌图图1产品阵列图表1单个元件外形尺寸表单个元件第 1 个第 2 个第 3 个第 4 个第 5 个第 6 个第 7 个第 8 个第 9 个第 10 个第 11 个第 12 个x/mm45.5145.5344.4844.4645.5245.5345.4745.5445.5245.4845.5445.53y/mm45.5245.5445.545.4945.4645.4745.4845.5145.5345.4945.4845.51偏差 AX/m+10+30-20-40+20+30-30+40+20-20+40+30偏差 AY/m+20+400-10-40-30-20+10+30-10-20+10X 向切割线Y 向切割线先进封装技术与设备36（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 2022底面形貌特征表现为局部崩裂形状，烧结后观察，该崩裂状依然存在，且形态尺寸烧结前后相比具有高度的相似性，热切过程中产生的底面形貌缺陷不能在烧结过程中修补，具有缺陷的延续性，会导致烧结后产品强度降低，翘曲度增大。因此热切产生的底面形貌属于热切缺陷。侧面形貌特征表现之一是平行的层压界面痕迹，这是形成生瓷坯体后的本体特征，在层压面之间未出现分层现象的前提下，该形貌特征为正常的形貌，在烧结后会消失；侧面形貌特征表现之二是不规则分布的黑色污染痕迹，黑色是印刷导体浆料的颜色，出现的不规则分布现象产生的原因是刀片在切割过程中，生瓷坯体的浆料颗粒附着在刀片表面上造成的，可在切割过程中进行一定频率的刀片清洁，经过生产过程试验和实践，该方法可解决该问题。因此热切产生的侧面形貌不属于热切缺陷。1.3缺陷形成原因热切过程中，切刀在高速冲击力作用下，切入生瓷坯体，刀片高速下降过程中，刀刃与侧面之间的摩擦会使陶瓷坯体颗粒产生剥离，形成热切侧面。刀片的运动是往复的加减速运动过程，刀片加速下降，以恒定速度切割，到达最低位置刀片速度为零，再加速上升，高速往复进行切割动作。刀片在到达底面时，已经进入减速阶段，速度的下降导致了冲击力下降，生瓷坯体在切割过程中逐渐被剥离并且向下延展，使得刀刃到达底面之前，底面坯体颗粒已提前剥离，底面棱边不是被刀刃切断，而是坯体颗粒提前剥离形成。由于底面的坯体颗粒微观分布密度和分布状态不同，导致底面上形成局部崩裂状的形貌特征。从工艺试验过程和热切微观过程可以看出，热切后和烧结后热切缺陷的高度相似性揭示了热切缺陷的形成原因，即：刀片在到达底面时的速度下降导致了冲击力下降，造成底面坯体颗粒的提前剥离所致。因此热切缺陷的形成是热切微观过程存在的特性，也是热切原理的固有特性。基于实验与分析，可以得出刀片深度的切入分离是造成热切缺陷的根本原因，只有降低刀片切入分离的深度，才能减弱造成的崩裂，才能解决热切后的尺寸精度问题和热切缺陷问题。因此，根据热切的微观过程，从改变热切方法的角度来寻求解决该问题的方法。2热切方法目前根据陶瓷组装工艺不同将热切工艺分为2 种，即全切工艺和半切工艺。全切工艺是将等静压完成的生瓷坯体，根据阵列图形尺寸切断成相应尺寸的产品；半切工艺是将等静压完成的生瓷坯体，根据阵列图形尺寸切成连片的规则板状，仍是微连接的板状坯体。产品状态如图 4、图 5 所示。图3底面形貌图图5半切产品状态示意图图4全切产品状态示意图底部局部崩裂刀片生瓷坯体刀片生瓷坯体先进封装技术与设备37（总第 297 期）电子工业专用设备Equipment for Electronic Products ManufacturingEEPMDec 20222.1全切工艺2.1.1全切工作过程生瓷坯体放置于工作台上，生瓷坯体和刀片加热到一定温度后，控制系统自动检测料片的厚度，设定切割深度，采用 MARK 线或者 MARK 孔自动对位，刀片升降实现 X 方向切割，工作台水平方向旋转 90，刀片升降实现 Y 方向切割。切割过程如图 6 所示。主体结构如图 7 所示。2.1.2全切外形尺寸精度控制方法全切运动过程精度控制和工艺过程控制两个方面，运动过程精度控制：主体结构运动由五部分组成，包括工作台的 向旋转运动和 Y 向运动、刀体的 Z 向运动和 CCD 的 X 向运动和视觉系统。工作台的 Y 向运动、刀体的 Z 向运动和 CCD的 X 向运动采用旋转型伺服电机驱动滚珠丝杠，直线导轨作为导向的机构，保证直线运动的位置精度，工作台的 向旋转运动采用直驱型伺服电机驱动，保证旋转的位置精度；视觉系统采集图像、识别计算并返回数据，运动控制系统接收到位移数据后驱动工作台完成定位。工艺过程控制：工作台和刀体在切割过程中保持一定的加热温度，生瓷坯体粘合剂软化，同时将加热温度调整到最适合的切割温度，以此避免温度的剧烈变化，从而最大程度的保证切割后的生瓷坯体边缘光滑陡直且无碎渣，切割面平滑；采用加热的钨钢刀体进行切割保证元件的稳定性。2.1.3全切微观原理分析全切工艺适合于厚度较薄的生瓷坯体，在切割过程中刀片切入深度较小，减弱了坯体颗粒的提前剥离程度，外形尺寸精度较高，崩裂程度较小。反之，该切割方式不适合厚度较厚的生瓷坯体，形成的崩裂程度较大。因此全切工艺的缺陷为底面局部崩裂缺陷。2.2半切工艺2.2.1半切工作过程主体结构由两个工位组成。料片放置于第一工位的工作台上，加热到一定温度后，控制系统自动检测料片的厚度，自动计算出切割深度，CCD自动对位，刀体运动开始切割，工作台水平方向旋转 90，刀体运动自动对位切割，正面热切完成；工作台沿 Y 向运动至后方，翻转平台吸附坯体，沿平行于 Y 轴的旋转轴旋转 180，X 方向模组的吸附台从翻转台上吸附坯体，模组将坯体从第一工位运至第二工位，第二工位工作台沿 Y 轴至后方，坯体被放置于第二工位的工作台上，CCD自动对位，刀体运动开始切割，工作台水平方向旋转 90，刀体运动自动对位切割，反面热切完成。切割过程如图 8 所示，主体结构如图 9 所示。