楊 志，武 杰

( 中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所， 北京 100176)

柔性基板卷到卷（R2R）制造技術(shù)是柔性電子器件制造的一種工藝方法，是一種連續(xù)制造工藝。與傳統(tǒng)的非連續(xù)制造工藝（片式制造工藝）相比，R2R 制造過程中減少了人為的操作和管理因素影響，是一種更加高效、更加可靠的工藝，更適合柔性電子制造大規(guī)模生產(chǎn)。其基本流程為：柔性基板從放卷單元的料卷卷出后連續(xù)經(jīng)過多個工藝模塊，在柔性基板上進(jìn)行連續(xù)加工（薄膜沉積、圖案化、封裝等），最后基板再卷成圓筒狀料卷。R2R 連續(xù)生產(chǎn)方式屬于串行過程，包括卷出、加工、收卷3 個基本環(huán)節(jié)，每個工序的輸出是下一個工序的輸入，已經(jīng)成為射頻器件（RFID）、薄膜太陽能電池、有機(jī)物發(fā)光二極管（OLED）、印刷電子等領(lǐng)域理想的制造技術(shù)。

片式多層陶瓷電容器（Multi-layer Ceramic Capacitors，MLCC）是電子信息產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心的元器件之一，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子、汽車電子、航天航空、船舶、醫(yī)療設(shè)備、軌道交通等領(lǐng)域，是目前應(yīng)用最普遍的陶瓷電容產(chǎn)品。疊壓機(jī)是MLCC 生產(chǎn)制造工藝過程中的關(guān)鍵設(shè)備之一，其將印刷好的陶瓷介質(zhì)膜片一張張按一定錯位整齊疊放壓合在一起形成厚度一致的巴塊（Bar）。柔性基板傳輸系統(tǒng)是制造MLCC 疊壓機(jī)的核心技術(shù)之一，需要疊壓的陶瓷介質(zhì)印制在成卷的柔性基板上，通過傳輸系統(tǒng)連續(xù)不斷卷出、傳送到剝離工位進(jìn)行介質(zhì)層剝離、收卷，該工藝流程正是R2R 制造技術(shù)的應(yīng)用。

1 MLCC 疊壓機(jī)R2R 系統(tǒng)的組成

R2R 系統(tǒng)的主要組成單元相似，但依據(jù)不同的制造工藝，R2R 集成系統(tǒng)有所不同。MLCC 疊壓機(jī)的R2R 系統(tǒng)組成包括放卷單元、糾偏單元（邊緣位置控制）、擺輥張力控制單元A、進(jìn)給單元（真空吸附輥）、工作單元（剝離臺）、擺輥張力控制單元B、收料進(jìn)給單元，如圖1 所示，其關(guān)鍵技術(shù)主要是放/收卷技術(shù)、基板牽引技術(shù)，張力控制技術(shù)和糾偏技術(shù)。

1.1 放卷/收卷單元

放卷/ 收卷系統(tǒng)在電機(jī)驅(qū)動下將成卷柔性基板展平，為R2R 系統(tǒng)輸送卷材。在R2R 系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行中，使用的柔性基板無法無限繞卷在一根芯軸上，需要根據(jù)基板尺寸和系統(tǒng)更換料卷。為降低對系統(tǒng)的干擾，常需要在設(shè)備中配置單獨(dú)的接料平臺或換卷機(jī)構(gòu)。放卷系統(tǒng)需要考慮更料軸卷筒的方便性，通常采用氣脹軸或滑差軸與料卷軸連接，完成新、舊料卷更換。氣脹軸內(nèi)部設(shè)有橡膠氣囊，在充入壓縮空氣后，橡膠氣囊膨脹，將氣脹軸部分表面頂起滑出，壓緊料軸卷筒內(nèi)壁，使氣脹軸與料卷可靠連接。放氣后，脹起部件自動縮回，使氣脹軸與料軸卷筒分離。氣脹軸根據(jù)滑出部件的形式可分為鍵式氣脹軸、板式氣脹軸、圓點(diǎn)氣脹軸、鋁合金氣脹軸與氣釘軸等。

在張力要求不高的場合可以采用滑差軸作為放/收卷料軸，并提供一定精度的張力控制?；钶S由多個滑差環(huán)組成，利用滑差軸上各個滑差環(huán)打滑的原理，始終保持恒定張力收放卷。工作時(shí)，滑差環(huán)以一定的滑轉(zhuǎn)力矩值（扭矩）打滑，滑動量正好補(bǔ)償產(chǎn)生的速度差，從而準(zhǔn)確地控制卷料張力以恒張力卷取，保證了卷取質(zhì)量[1]。

收卷系統(tǒng)是將加工完成的產(chǎn)品重新卷繞成卷，其結(jié)構(gòu)與開卷系統(tǒng)相似，但收卷系統(tǒng)必須采用電機(jī)主動收料，收卷張力控制更為嚴(yán)格。如果收卷張力過大，則外圈基板會對內(nèi)圈基板產(chǎn)生擠壓，造成內(nèi)圈基板內(nèi)張力減少而產(chǎn)生松動。如果收卷張力過小，則料卷容易產(chǎn)生滑形，形成塔形。

1.2 進(jìn)給單元

進(jìn)給單元為工作區(qū)精確輸送柔性基板，進(jìn)給裝置分為對輥夾持式、夾持式和真空吸附輥等。對輥夾持式通過共同驅(qū)動多套對輥保證柔性基板穩(wěn)定、高效進(jìn)給，這種進(jìn)給方式可有效削弱大跨距中基板彈性變形對進(jìn)給精度的影響；夾持式進(jìn)給機(jī)構(gòu)壓緊基板，利用電機(jī)帶動基板往返運(yùn)動，可有效免避對輥進(jìn)給的跑偏問題，實(shí)現(xiàn)高進(jìn)給精度；真空吸附輥適用于表面不能受壓的柔性基板傳輸。

1.3 張力控制單元

柔性基板在傳輸過程中如果受到的張力值過小，基板定位性和同步性會降低；如果張力值過大，基板可能過度變形甚至斷裂。張力控制單元用于保持基板張力在設(shè)定范圍，并減小張力波動，避免傳輸過程中基板出現(xiàn)波浪或褶皺。張力控制系統(tǒng)按選擇的張力控制器類型一般可分為手動、半自動、和全自動三類。

手動張力控制通常設(shè)置在收卷和放卷模塊，隨著卷徑變化而分階段手動調(diào)整料軸阻尼進(jìn)行基板張力調(diào)整。手動調(diào)整的對象為帶摩擦阻尼的滑差軸、料軸上的磁粉制動器或離合器的勵磁電流。半自動張力控制是在收卷和放卷過程中自動檢測卷筒外徑，利用卷徑變化的輸出信號控制收卷轉(zhuǎn)矩或放卷制動轉(zhuǎn)矩，調(diào)整基板中張力。在張力恒定時(shí)，根據(jù)卷筒徑與卷軸扭矩的比例關(guān)系進(jìn)行控制，即控制基板張力（F）與施加轉(zhuǎn)軸扭矩（T）和卷徑（D）之間的關(guān)系為F=2T/D[2]。

全自動張力控制是由張力傳感器直接測定輸送基板的實(shí)際張力值，通過張力數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成張力信號反饋回張力控制器，并與控制器預(yù)先設(shè)定的張力值對比，計(jì)算控制信號輸入到自動控制執(zhí)行單元，達(dá)到張力穩(wěn)定。

1.4 糾偏控制單元

基板發(fā)生橫向偏移對卷繞設(shè)備的影響貫穿于整個工藝過程中，會造成加工區(qū)定位精度降低，誤差增大，收料卷參差不齊等，影響產(chǎn)品質(zhì)量。R2R系統(tǒng)要求穩(wěn)定進(jìn)給的同時(shí)需要保證橫向定位精度，特別是在套印印刷等定位要求較高的設(shè)備中。糾偏裝置通過專用紅外或超聲傳感器對基板縱向的偏移進(jìn)行實(shí)時(shí)測定，并對偏移基板進(jìn)行糾正。

2 MLCC 疊壓機(jī)柔性基板傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 放/收卷單元的設(shè)計(jì)

放卷單元通過展開平鋪卷材使其實(shí)現(xiàn)柔性基板的進(jìn)料，設(shè)計(jì)了一種采用氣脹軸作為放料芯軸的放/收卷單元結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。該單元主要包括放卷驅(qū)動電機(jī)、減速機(jī)、齒型同步帶、同步帶輪、軸承座、氣脹軸等。其中，放卷驅(qū)動電機(jī)選用伺服電機(jī)，以實(shí)現(xiàn)放卷速度的快速響應(yīng)和張力的精確調(diào)節(jié)，從而使放卷更加平穩(wěn)；電機(jī)連接減速器得到旋轉(zhuǎn)扭矩，通過齒形同步帶/ 帶輪結(jié)構(gòu)力矩傳遞到氣脹軸（放料芯軸）；氣脹軸通過兩個軸承座安裝定位，前端軸承座軸承采用雙向固定支撐，保證軸向位置精度，后端軸承座軸承采用游動支撐方式，確保氣脹軸順暢運(yùn)行。氣脹軸表面設(shè)置有5 個橡膠脹鍵，如圖3 所示，通過壓縮空氣驅(qū)動脹鍵凸起實(shí)現(xiàn)放料芯軸與料卷間的固定。

圖2 放卷單元結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 氣脹軸示意圖

2.2 進(jìn)給單元的設(shè)計(jì)

MLCC 疊壓機(jī)的料卷通常使用聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET ) 作為柔性基板材料，其上為印有電極電路的陶瓷介質(zhì)膜片。料卷受驅(qū)動進(jìn)給時(shí)需避免表面受壓力或滑動摩擦，以免介質(zhì)膜層被刮花影響最終產(chǎn)品特性。

設(shè)計(jì)使用真空吸附輥?zhàn)鳛檫M(jìn)給裝置。其結(jié)構(gòu)如圖4 所示，真空吸附輥包括芯軸和輥筒，輥筒兩端過軸承與芯軸同軸連接；芯軸內(nèi)具有抽氣通道，抽氣通道的一端設(shè)置真空吸口與抽真空設(shè)備相連接；芯軸外表面上開有多個沿芯軸軸向排列的抽氣孔；輥筒圓柱面上開有多排沿輥筒軸向排列的吸附孔組，每排吸附孔組由多個沿輥筒圓周向排列的吸附孔組成；芯軸上設(shè)置有密封板，密封板與輥筒體內(nèi)壁相貼合，密封板、芯軸外壁、輥筒內(nèi)壁間組合形成吸附腔；輥筒與芯軸相對轉(zhuǎn)動，輥筒上與吸附腔相對應(yīng)處的吸附孔與吸附腔和抽氣孔連通，形成吸附卷材所需的負(fù)壓；兩個軸向密封板間的輥筒區(qū)域即為真空吸附輥的吸附區(qū)。輥筒一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)相連，通過伺服電機(jī)控制卷材的進(jìn)給量，柔性基板與真空輥面間無相對運(yùn)動，保證每次卷材進(jìn)給量準(zhǔn)確。

圖4 真空吸附輥示意圖

2.3 張力控制單元設(shè)計(jì)

2.3.1 張力控制方法

引起張力變化的主要因素有多種，包括：放/收料卷的卷徑、轉(zhuǎn)動慣量不斷變化、各輥軸間的平行度、輥筒表面的摩擦力變化等。設(shè)計(jì)傳輸系統(tǒng)時(shí)，各擺動軸輥與固定換向軸的輥筒選用鋁合金材質(zhì)，減小輥筒的轉(zhuǎn)動慣量，從而減輕啟停慣量波動；各固定換向輥軸采用簡支梁方式安裝，避免懸臂梁安裝方式，確保輥軸間軸向平行度精度；表面采用鍍覆耐磨性金屬層處理，并經(jīng)磨削加工，保證輥筒面形狀公差精度，減少輥筒面對基板施加應(yīng)力變化。

按照柔性基板傳輸功能區(qū)域劃分，R2R 系統(tǒng)中的張力可以分為放卷張力、收卷張力、中間區(qū)域張力，通常各區(qū)域的張力需要單獨(dú)控制。在較長R2R 系統(tǒng)中，中間區(qū)域分為多段控制，每段柔性基板的線速度相等。MLCC 疊壓機(jī)系統(tǒng)中，中間區(qū)域?yàn)閯冸x臺工作區(qū)域，該區(qū)域張力調(diào)節(jié)通過剝離臺水平軸運(yùn)動實(shí)現(xiàn)。MLCC 疊壓機(jī)的張力控制單元設(shè)計(jì)主要涉及放卷張力和收卷張力控制。

開環(huán)張力控制如圖5(a)所示，通過設(shè)定料卷速和其力矩乘積為常數(shù)，求出電機(jī)速度控制曲線，按此速度曲線來控制電機(jī)動作，適合于張力精度要求不高、無法測量張力信號的情況。這種控制方式通過控制輥輪速度來間接達(dá)到張力控制的效果，缺點(diǎn)是張力穩(wěn)定性較差，無法對柔性基板的實(shí)際張力進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋和對多區(qū)段張力進(jìn)行控制。閉環(huán)張力控制如圖5(b)所示，引入張力反饋信號與給定張力值相比較，然后利用其差值經(jīng)調(diào)節(jié)器作用到被控對象上，使偏差盡可能的小，維持基板張力的穩(wěn)定。需要確定所采用的反饋器件和浮輥／張力傳感器輥。此種張力控制方式在輸送環(huán)節(jié)加入張力傳感器，通過張力傳感器的反饋來調(diào)節(jié)放卷輥的速度，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，優(yōu)點(diǎn)在于除了原先具有的速度控制系統(tǒng)外，還包含了張力傳感器反饋張力控制系統(tǒng)，速度和張力控制系統(tǒng)可以確?；逶趥鬏斶^程中保持恒定張力和速度穩(wěn)定，同時(shí)可以通過控制送料輥、轉(zhuǎn)速得到所需張力值，具有控制精度高、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)[3]。

圖5 開環(huán)、閉環(huán)張力控制方式

2.3.2 張力控制單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

MLCC 疊壓機(jī)的放卷、收卷張力控制采用閉環(huán)張力控制，如圖6 所示。該結(jié)構(gòu)主要由張力電機(jī)、聯(lián)軸器、角度測量儀（非接觸式光學(xué)電位器）、軸承、上下擺桿、固定軸輥、擺桿軸輥等組成。其中，張力控制電機(jī)選用力矩電機(jī)或伺服電機(jī)（選用力矩模式），通過聯(lián)軸器及軸承連接兩根上下擺桿機(jī)構(gòu)，而由于擺桿采用杠桿的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為保證作用于擺桿軸輥上的足夠張力，一般選用較大功率的張力電機(jī)，且不采用減速機(jī)，以減小張力穩(wěn)定時(shí)的波動值。

圖6 張力控制單元結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 糾偏控制單元的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

2.4.1 基板偏移的產(chǎn)生原因

造成基板橫向偏移影響因素主要有4 個：

（1）設(shè)備因素

包括設(shè)計(jì)缺陷（跨距過大、包覆角過?。┖图庸ぱb配誤差，基板在大跨距的輥筒上更易發(fā)生橫向偏移，而包覆角過小會導(dǎo)致基板和輥筒之間的摩擦力不足而發(fā)生滑移，輥筒加工精度存在誤差，而裝配過程中又難以保證眾多輥筒之間的平行度，必然導(dǎo)致基板的橫向偏移；

（2）材料幾何缺陷

如料卷不齊、邊緣松弛、中間皺褶等，使基板在初始位置即存在橫向偏差；

（3）工藝因素

不同材料基板（如材料楊氏模量、基板寬度、厚度等）需要不同的工藝參數(shù)（基板張力和進(jìn)給速度），否則會對基板橫向偏移產(chǎn)生較大影響；

（4）人為因素

人工操作完成料卷的裝載、布料和換料時(shí)前后兩段基板拼接都會導(dǎo)致存在初始橫向偏差[4]。

2.4.2 糾偏控制原理

糾偏控制單元是一個標(biāo)準(zhǔn)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，按照其功能可分為3 個單元模塊，分別是完成偏差量采集的檢測傳感器單元、控制整個系統(tǒng)正常運(yùn)行的控制器單元、以及執(zhí)行控制器指令的驅(qū)動器單元。

糾偏檢測傳感器通過固定支架安裝在設(shè)備上，卷材在通過傳感器時(shí)，傳感器檢測卷材的邊緣，將檢測到的邊緣位置信號處理成控制器能識別的電信號后，控制器將接收到的電信號轉(zhuǎn)換成位置信號并與設(shè)定的基準(zhǔn)位置值進(jìn)行比較，判斷偏移量和移動方向是否一致，再根據(jù)偏移量與偏移方向產(chǎn)生相應(yīng)的控制指令，驅(qū)動器控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)推動卷材回到基準(zhǔn)位置。

糾偏控制的3 種常見檢測方式包括：EPC（Edge Position Control）指對卷材邊緣上圖案的深淺分界線等進(jìn)行檢測跟蹤的檢測方式；LPC（Line Position Control）指對印刷在卷料邊緣上的標(biāo)記線進(jìn)行檢測的控制方式；CPC（Center Position Control）通過對卷材的兩側(cè)邊緣（齊或不齊）的檢測，實(shí)現(xiàn)對卷材中心跟蹤檢測的方式。

2.4.3 糾偏控制單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

MLCC 疊壓機(jī)在放卷工藝環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)了糾偏控制單元，采用EPC 邊緣位置控制技術(shù)。放料糾偏單元結(jié)構(gòu)如圖7 所示。

圖7 放卷糾偏控制結(jié)構(gòu)示意圖

控制器通過支架與導(dǎo)軌連接，卷材通過放卷機(jī)構(gòu)也與支架相連，驅(qū)動器可帶動支架沿導(dǎo)軌運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)卷材橫向位置調(diào)整。實(shí)際使用中，選用日本三橋的糾偏系統(tǒng)，包括PW-1000 型控制器、PD-610 型驅(qū)動器和PS-400 型檢測器。其中，PW-1000 型控制器采用微機(jī)控制技術(shù)，可同時(shí)接收1 個或2 個三橋傳感器（不同型號可混合使用）的信號，也可進(jìn)行EPC、LPC、CPC 控制。PD-610型驅(qū)動器所驅(qū)動的無刷直流伺服電機(jī)具有無需更換電刷、壽命長、免保養(yǎng)、電機(jī)速度大、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。PS-400 型檢測器是超聲波傳感器。

3 結(jié)束語

柔性基板傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)保證了柔性料片在設(shè)定恒張力下的精確傳輸，實(shí)現(xiàn)了柔性電子長時(shí)間連續(xù)生產(chǎn)，確保了制造的高效性與可靠性。同時(shí)，其緊湊的結(jié)構(gòu)與各功能單元的合理布局也更適合電子設(shè)備的應(yīng)用需求。各項(xiàng)單元技術(shù)不僅在MLCC 疊壓機(jī)中應(yīng)用良好，也可應(yīng)用于MLCC 制程的疊壓前道工序設(shè)備MLCC 印刷機(jī)的制造。