張志耀，楊 衛(wèi)，王海珍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024)

高速?zèng)_孔單元設(shè)計(jì)

張志耀，楊 衛(wèi)，王海珍

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原030024)

在分析如何提高生瓷帶打孔機(jī)打孔速度的基礎(chǔ)上，論述了高速?zèng)_孔單元的實(shí)現(xiàn)途徑；并通過(guò)與普通沖孔單元的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，得出了高速?zèng)_孔單元各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于普通沖孔單元，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，高速?zèng)_孔單元的研制顯著地提高了生瓷帶打孔機(jī)的性能。

低溫共燒陶瓷；沖孔；生瓷帶打孔機(jī)；高速?zèng)_孔單元

隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電子整機(jī)正在日益向微型化、集成化和高頻化的方向發(fā)展，這使得電子元器件也必須向小型化、高頻化、高可靠性、低成本和高集成度的方向發(fā)展。作為電子元器件常用基板之一的低溫共燒陶瓷基板，它具有布線層數(shù)高、布線導(dǎo)體方阻小、介電常數(shù)低、燒結(jié)溫度低，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，所以成為了一種理想的多芯片組件（MCM）用基板[1]，有廣泛的應(yīng)用前景。

打孔是LTCC多層基板制造中的關(guān)鍵工序之一，主要包括生瓷帶上通孔、定位孔及腔體的成型。

1 生瓷帶打孔機(jī)簡(jiǎn)述

生瓷帶打孔機(jī)作為L(zhǎng)TCC多層基板制造中的關(guān)鍵工藝設(shè)備之一，一方面體現(xiàn)在孔的精度對(duì)于基板內(nèi)電極印刷和預(yù)疊層的質(zhì)量影響甚大，另一方面體現(xiàn)在沖孔速度對(duì)基板生產(chǎn)周期的影響。

通常，在LTCC生產(chǎn)線上打孔是工作量最大的一道工序。一條生產(chǎn)線根據(jù)產(chǎn)品的不同（一片生瓷帶一般有3 000～10 000或更多個(gè)孔，完成一片生瓷帶的加工需5～20 min）需配4～6臺(tái)或更多打孔機(jī)。隨著LTCC多層基板層數(shù)的不斷增多、布線密度的不斷提高和更多元器件的埋置，每層生瓷帶上的孔數(shù)已經(jīng)超過(guò)30 000個(gè)，完成一片生瓷帶的加工將超過(guò) 1 h[2]。沖孔速度已成為制約LTCC多層基板生產(chǎn)效率提升的瓶頸，所以提高生瓷帶打孔機(jī)工作效率迫在眉睫。

生瓷帶打孔機(jī)的核心部件是x、y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和沖孔單元，生瓷帶在x、y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)快速、精確移動(dòng)定位，沖孔單元完成沖孔動(dòng)作。因此，沖孔速度的提升，一方面要提高x、y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的移動(dòng)速度，另一方面必須提高沖孔單元的沖孔速度。本文主要論述如何提高沖孔單元的沖孔速度。

2 高速?zèng)_孔單元

沖孔單元主要由驅(qū)動(dòng)部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩部分組成，驅(qū)動(dòng)部件帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成沖孔動(dòng)作，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。如果把沖孔單元比作一架“馬車”的話，那么驅(qū)動(dòng)部件就是“馬”，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)則是“車”，要想使這輛“馬車”跑的快，必須“車輕”，并且“馬快”。本文分別從“車”與“馬”兩方面來(lái)論述高速?zèng)_孔單元的實(shí)現(xiàn)途徑。

2.1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)

普通的沖孔單元其執(zhí)行機(jī)構(gòu)的核心部分如圖2（a）所示，沖針安裝在導(dǎo)向柱上，驅(qū)動(dòng)部件驅(qū)動(dòng)導(dǎo)向軸沿直線襯套方向運(yùn)動(dòng)，沖針與凹模做相對(duì)運(yùn)動(dòng)完成沖孔動(dòng)作。

按照運(yùn)動(dòng)學(xué)原理，要想減小單個(gè)孔的沖孔時(shí)間，須從如下幾方面入手：

圖1 沖孔單元實(shí)物圖

圖2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)核心部分

（1）縮短沖孔行程。普通沖孔單元沖孔行程為8 mm，高速?zèng)_孔單元根據(jù)工作條件，采用了兩級(jí)運(yùn)動(dòng)方式，即第一級(jí)動(dòng)作6 mm，第二級(jí)動(dòng)作2 mm。沖孔時(shí)，加工整片生瓷帶上相同孔徑的通孔第一級(jí)動(dòng)作只需進(jìn)行一次，因此可不考慮第一級(jí)動(dòng)作的行程，認(rèn)為高速?zèng)_孔單元的沖孔行程僅為2 mm。

（2）降低導(dǎo)向部分的摩擦力。普通沖孔單元為了提高導(dǎo)向精度，導(dǎo)向軸與直線襯套采用過(guò)盈配合，該方式的后果是：一方面增大了導(dǎo)向部分的摩擦力，另一方面使直線襯套壽命大大降低。高速?zèng)_孔單元更改了原沖針、凹模結(jié)構(gòu)，采用精密導(dǎo)套小間隙滑動(dòng)導(dǎo)向，導(dǎo)向結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。該導(dǎo)向方式不但減小了摩擦力，大大延長(zhǎng)了導(dǎo)向部件的使用壽命，而且由于直接對(duì)沖針進(jìn)行導(dǎo)向，提高了導(dǎo)向精度。

（3）減少運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量。普通沖孔單元運(yùn)動(dòng)部分的質(zhì)量約為45 g，而高速?zèng)_孔單元運(yùn)動(dòng)部分質(zhì)量?jī)H約20 g。

通過(guò)上述幾方面的改進(jìn)，高速?zèng)_孔單元結(jié)構(gòu)如圖1（b）所示，實(shí)現(xiàn)了“行程短”、“摩擦小”、“質(zhì)量輕”的改進(jìn)目標(biāo)。

另外，設(shè)計(jì)時(shí)為了保證沖孔單元的穩(wěn)定性，對(duì)高速?zèng)_孔單元主體支架做了力學(xué)模擬仿真，結(jié)果如圖3所示，模擬結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 仿真位移圖

2.2 驅(qū)動(dòng)部件

驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)了兩種實(shí)現(xiàn)方案，即電磁鐵驅(qū)動(dòng)方式和高速氣缸驅(qū)動(dòng)方式。

2.2.1 電磁鐵驅(qū)動(dòng)

電磁鐵是一種常用的電磁牽引裝置，把電磁能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的電磁元件，通過(guò)控制加在其線圈兩端電壓來(lái)間接控制被牽引物體的速度和最終位置，其構(gòu)造簡(jiǎn)單，使用方便。

電磁鐵的磁性有無(wú)可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強(qiáng)弱或線圈的匝數(shù)多少來(lái)控制；也可通過(guò)改變電阻控制電流大小來(lái)控制磁性大小；它的磁極可以由改變電流方向來(lái)控制，非常適合本項(xiàng)目對(duì)沖針的快速驅(qū)動(dòng)[2]。

2.2.2 高速氣缸驅(qū)動(dòng)

高速氣缸是通過(guò)改變氣缸密封圈結(jié)構(gòu)，采用間隙密封方式，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)極小的滑動(dòng)摩擦阻力，在0.005 MPa的低壓力下也可驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)速度可以達(dá)到3 m/s；長(zhǎng)壽命，可運(yùn)行10 000 km或往返1億次。選用兩位五通電磁閥控制氣缸動(dòng)作，電磁閥反應(yīng)時(shí)間小于2 ms。

高速氣缸驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是：（1）氣壓驅(qū)動(dòng)，力量大；（2）由于選用了標(biāo)準(zhǔn)外購(gòu)件，價(jià)格便宜，成本約為改進(jìn)前沖孔單元自制氣缸成本的一半。

3 改進(jìn)效果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)效果，項(xiàng)目組在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上對(duì)原沖孔單元和改進(jìn)后的高速?zèng)_孔單元做了如下對(duì)比（通過(guò)驗(yàn)證，改進(jìn)后的兩種驅(qū)動(dòng)方式驅(qū)動(dòng)速度相當(dāng)，所以不再對(duì)比其之間區(qū)別）。

3.1 沖孔速度對(duì)比

將兩種沖孔單元裝于DKJ-08S生瓷帶打孔機(jī)上進(jìn)行打孔速度試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 沖孔速度對(duì)比

3.2 使用成本對(duì)比

對(duì)兩種沖孔單元所用沖針、凹模的價(jià)格及壽命進(jìn)行對(duì)比（以dupont951為試驗(yàn)生瓷片），結(jié)果見(jiàn)表2。

3.3 沖針、凹模更換時(shí)間對(duì)比

同一個(gè)操作工更換兩種沖孔單元的沖針、凹模，由于原沖孔單元須在顯微鏡下仔細(xì)對(duì)位，所用時(shí)間明顯較長(zhǎng)，更換時(shí)間對(duì)比見(jiàn)表3。

表2 使用成本對(duì)比

表3 沖針、凹模更換時(shí)間對(duì)比

表4 沖孔噪音對(duì)比

3.4 沖孔噪音對(duì)比

另外，改進(jìn)后的沖孔單元在客戶現(xiàn)場(chǎng)已使用約15個(gè)月，運(yùn)行正常，穩(wěn)定性與改進(jìn)前沖孔單元相比有了顯著提高。

4 結(jié)論

通過(guò)以上對(duì)比數(shù)據(jù)可認(rèn)為：改進(jìn)后的沖孔單

Design of the High Speed Punching Unit

ZHANG Zhiyao，YANG Wei，WANG Haizhen

(The 2th Research Insitute of CETC，Taiyuan 030024，China)

Punching is one of the key processes in the producing of the LTCC Multi-layer Ceramic Substrate.In the paper，the implementation method of the high speed punching unit is described basing on the analysis of how to improve the punching speed of punching machine.By comparing with the test data of common punching units，which think that all indexes of high speed punching unit are superior to that of common punching unit，so the high speed punching unit meets the design requirements，and the development of the high speed punching unit significantly improves the performance of green tape punching machine.

LTCC（Low Temperature Co-Fired Ceramics）；Punching；Punching machine；High speed punching unit

TN605

B

1004-4507(2015)05-0046-04

2015-03-28