片式多層陶瓷電容器生產(chǎn)用薄膜流延設(shè)備的研究與開發(fā)

陳裕錦，湯立云，梁平

(廣東風(fēng)華高科新寶華電子設(shè)備分公司，廣東肇慶 526060)

隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品對片式電子元件的需求越來越大、要求也越來越高。片式多層陶瓷電容器具有高比容、高可靠性、頻率特性好等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電子信息、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化控制及通訊等領(lǐng)域。

如何在 0805、0603、0402、0201 等小尺寸基礎(chǔ)上制造更高電容值的MLCC，一直是MLCC業(yè)界的重要課題之一。近幾年隨著材料、工藝和設(shè)備水平的不斷改進(jìn)提高，日本有關(guān)公司已在2 μm的薄膜介質(zhì)上實(shí)現(xiàn)了疊1000層介質(zhì)的工藝，生產(chǎn)出單層介質(zhì)厚度為1 μm的100 μF MLCC，它具有比片式鉭電容器更低的ESR值，工作溫度更寬(-55℃～125℃)。

在國內(nèi)，相應(yīng)的研究開發(fā)工作起步較晚，而且在技術(shù)的掌握和突破能力上明顯落后于發(fā)達(dá)國家，MLCC工藝裝備的研制及開發(fā)還處于空白狀態(tài),基本上依賴進(jìn)口。因此，通過引進(jìn)先進(jìn)生產(chǎn)線并對其設(shè)備國產(chǎn)化，研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的電子專用設(shè)備已經(jīng)成為一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

1 MLCC產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及制作流程

MLCC是由陶瓷介質(zhì)和金屬電極交互疊層構(gòu)成的多層陶瓷電容器（見圖1）。其中交替又不相連的內(nèi)電極分別與兩端的外電極相連形成多個(gè)電容器的并聯(lián)結(jié)構(gòu)。早期金屬電極由貴金屬銀、鉑和鈀等構(gòu)成，在20世紀(jì)末全世界開始采用賤金屬鎳、銅取代銀、鈀，大大降低了MLCC的成本。

從MLCC構(gòu)造來看，似乎MLCC的制造很簡單，但是實(shí)際制造過程很復(fù)雜，制造步驟很長、難度很大。

MLCC產(chǎn)品制作主要包括陶瓷介質(zhì)薄膜成型、內(nèi)電極制作、電容芯片制作、燒結(jié)成瓷、外電極制作、性能測試、包裝發(fā)貨等工序。工藝制作流程如圖2所示。

2 常見的薄膜流延技術(shù)

刮刀涂布（Blade coating）是電子陶瓷薄膜流延的基本方法，其基本原理是利用流延漿料的表面張力、運(yùn)動(dòng)條件下縫隙的定量擠壓流動(dòng)和凹痕定量等一種或幾種原理的組合。它們在厚膜（如厚度≥20 μm）的流延過程中，流延的機(jī)械運(yùn)動(dòng)精度是不大的，但是，當(dāng)流延膜厚度降到5～10 μm時(shí)，將對流延頭結(jié)構(gòu)的機(jī)械幾何精度提出更高的要求。

圖1 MLCC結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 MLCC制造工藝流程

由此可見，流延系統(tǒng)是流延設(shè)備的核心部分，它的性能決定著流延設(shè)備的先進(jìn)性。下面簡單介紹兩種現(xiàn)有的流延技術(shù)。

2.1 漿料盒平面間隙技術(shù)

該技術(shù)將塑料載膜置于水平的工作臺上，在載膜上安放一塊流延料盒，漿料從上面進(jìn)入流延漿料盒內(nèi)，通過流延漿料盒與載膜之間的間隙流出，在載膜上形成一層薄膜。

該技術(shù)的缺點(diǎn)：由于流延漿料盒和塑料載膜之間所形成的間隙是相對固定的，因而要流延出不同厚度的介質(zhì)薄膜，需要加工不同間隙的流延漿料盒才能滿足要求；同時(shí)，由于流延漿料盒是靠自身質(zhì)量施壓在塑料載膜上，因此，塑料載膜與漿料盒之間的摩擦、塑料載膜本身的變形均會(huì)影響流延出來的介質(zhì)膜的質(zhì)量。

2.2 輥?zhàn)愉搸Я餮蛹夹g(shù)

流延輥?zhàn)铀椒胖?，鋼帶通過導(dǎo)向輥?zhàn)永@過流延輥?zhàn)铀较蚯斑\(yùn)動(dòng)。流延頭安裝在流延輥?zhàn)拥纳戏剑餮宇^與流延輥?zhàn)有纬梢欢ǖ拈g隙。在流延過程中，流延輥?zhàn)与S著鋼帶運(yùn)動(dòng)，漿料通過流延頭與流延輥?zhàn)又g的間隙在鋼帶上形成一層薄膜。

該技術(shù)的缺點(diǎn)：這種鋼帶流延技術(shù)只適合10 μm以上的介質(zhì)薄膜流延；而且不適合薄膜放卷到/收卷式（roller to roller）的新工藝。

3 薄膜流延設(shè)備的工作原理

設(shè)備的目的是把制備好的瓷漿，利用卷到卷（ROLL TO ROLL）的流延方式制成具有一定厚度、強(qiáng)度、致密均勻的電子陶瓷介質(zhì)膜片。

工作原理：設(shè)備將PET薄膜載膜以設(shè)定的恒定張力展開，電子陶瓷漿料輸送系統(tǒng)將電子陶瓷漿料抽入到流延系統(tǒng)，通過唇式接觸、通過流延刀與流延輥?zhàn)又g已設(shè)定的間隙，把電子陶瓷漿料均勻涂布在PET薄膜載膜的表面；然后經(jīng)過熱風(fēng)烘干和途中的除靜電裝置以及張力控制和自動(dòng)糾偏系統(tǒng)，并將薄膜卷成輥，完成整個(gè)流延工作循環(huán)。

4 主要技術(shù)參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)

本文所述的設(shè)備是集光、機(jī)、電于一體的精密專用設(shè)備，其主要技術(shù)參數(shù)為：

PET薄膜載膜最大寬度：400 mm；

PET薄膜載膜速度：0.02～0.3 m/s；

電子陶瓷介質(zhì)膜最大寬度：360 mm；

電子陶瓷介質(zhì)膜最小厚度及精度：3 μm±5%；烘箱最高溫度：150℃；

本文所述設(shè)備的開發(fā)涉及多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.1 電子陶瓷介質(zhì)膜流延系統(tǒng)設(shè)計(jì)

流延系統(tǒng)是設(shè)備的核心技術(shù)，利用流延工藝，在PET薄膜載膜上將電子陶瓷漿料按工藝要求生成超薄型電子陶瓷介質(zhì)膜。它流延出來的介質(zhì)膜的厚度、均勻性、致密性等直接影響到MLCC的最終性能。

4.2 薄膜張力及糾偏控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該技術(shù)可保證PET薄膜在放卷、漿料流延、烘干、PET薄膜收卷過程中，薄膜有恒定的張力和固定的位置，從而保證高進(jìn)度的流延質(zhì)量。

4.3 懸浮式熱風(fēng)烘干系統(tǒng)設(shè)計(jì)

其功能是對流延后的電子陶瓷介質(zhì)膜進(jìn)行烘干，并使其受熱均勻，保證陶瓷介質(zhì)膜不因受熱不均而產(chǎn)生裂痕。烘干溫度的控制精度直接影響到電子陶瓷薄膜的烘干質(zhì)量。

4.4 整機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整機(jī)控制系統(tǒng)應(yīng)包括：PET薄膜收放卷、薄膜移動(dòng)速度、薄膜張力控制、電子陶瓷漿料流延速度、精密伺服傳動(dòng)、薄膜載膜糾偏控制、電子陶瓷介質(zhì)膜烘干溫度控制、氣動(dòng)系統(tǒng)等控制以及相互之間的協(xié)同。該控制系統(tǒng)可滿足各功能控制的實(shí)時(shí)性和精確性的要求。

5 設(shè)備的總體方案

在設(shè)備研制過程中，總體方案設(shè)計(jì)和技術(shù)途徑的確定是設(shè)備研制成功的關(guān)鍵，在本薄膜流延設(shè)備的研制中，通過廣泛的技術(shù)和市場調(diào)研，通過與用戶單位的充分交流，對流延工藝的發(fā)展趨勢進(jìn)行預(yù)測；在試驗(yàn)驗(yàn)證的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多種技術(shù)方案的比較，以保證設(shè)備每項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用的可靠性、準(zhǔn)確性。

根據(jù)MLCC的生產(chǎn)工藝要求和設(shè)備的工作原理，綜合考慮設(shè)備的易操作性、結(jié)構(gòu)工藝性、精度保持特性等因素，提出如圖3所示的薄膜流延設(shè)備總體設(shè)計(jì)布局。該布局充分利用設(shè)備空間，使整機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊。

圖3 薄膜流延設(shè)備總體設(shè)計(jì)布局

6.1 PET薄膜載膜展開張力及糾偏控制系統(tǒng)

該機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)考慮到工作過程中裝載薄膜方便，采用懸臂的多輥軸結(jié)構(gòu)，所有的零件和輥軸都安裝在立板上，以便于在裝配過程中調(diào)整各軸軸線。由于輥軸與薄膜直接接觸，因此各滾軸表面都經(jīng)過光整處理和特殊化學(xué)處理，以保證輥軸的使用壽命，保護(hù)薄膜不受損傷。

圖4為PET薄膜載膜傳輸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，包括：薄膜載膜放卷及其驅(qū)動(dòng)裝置、拖動(dòng)載膜平移的拉膜驅(qū)動(dòng)輥及其伺服驅(qū)動(dòng)裝置、載膜邊緣檢測裝置（EPC）及電液伺服糾偏機(jī)構(gòu)、離子消除靜電裝置、張力輥及其驅(qū)動(dòng)裝置、導(dǎo)向輥、載膜收卷及其驅(qū)動(dòng)裝置等。

6.2 唇式電子陶瓷薄膜流延系統(tǒng)

圖4 PET薄膜載帶傳輸運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

對現(xiàn)有流延技術(shù)進(jìn)行研究，提出并運(yùn)用了一種先進(jìn)的、實(shí)用型的輥?zhàn)铀苣ち餮樱ù绞搅餮樱┘夹g(shù)：流延輥?zhàn)铀椒胖?，載膜通過導(dǎo)向輥?zhàn)永@過流延輥?zhàn)铀较蚯斑\(yùn)動(dòng)，流延頭（流延刀與漿料盒）安裝在流延輥?zhàn)拥南路?，流延頭與流延輥?zhàn)有纬梢欢ǖ拈g隙，漿料通過流延頭與流延輥?zhàn)又g的間隙在載膜上形成一層介質(zhì)膜，如圖5所示。其優(yōu)點(diǎn)是：為了控制流延出來的電子陶瓷薄膜的厚度，可以事先對流延頭刀口與流延輥?zhàn)又g的間隙做出調(diào)整，適用于各種不同厚度的介質(zhì)膜流延；由于漿料自下而上，可以有效的解決漿料的沉積對膜厚的影響。

該流延系統(tǒng)的關(guān)鍵在于：因?yàn)榱餮宇^安裝在流延輥?zhàn)酉路?，在流延過程中流延輥?zhàn)邮请S著載膜而運(yùn)動(dòng)的，當(dāng)靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，為了控制流延出來的介質(zhì)薄膜的厚度，必須事先對流延頭刀口與流延輥?zhàn)又g的間隙進(jìn)行調(diào)整。但由于流延輥?zhàn)蛹庸r(shí)可能產(chǎn)生的圓度誤差以及流延輥?zhàn)优c軸承之間存在的裝配公差，都將影響流延出來的介質(zhì)薄膜的質(zhì)量。

圖5 介質(zhì)薄膜層流延示意圖

我們的措施：在加工流延輥?zhàn)印⒋叫瘟餮拥逗托ㄐ瘟餮忧粫r(shí)，我們采用五軸聯(lián)動(dòng)加工中心等先進(jìn)的加工設(shè)備，確保加工質(zhì)量；同時(shí)，采用數(shù)控三坐標(biāo)測量儀等先進(jìn)的檢驗(yàn)設(shè)備，保證零件達(dá)到高精度要求。在裝配方面，制訂嚴(yán)格可行的安裝工藝并采用先進(jìn)的檢測儀器，確保裝配質(zhì)量。這樣，可以確保漿料流延過程接近理想狀態(tài)，進(jìn)而保證了流延出來的介質(zhì)薄膜層的均勻性和致密性。

6.3 熱風(fēng)懸浮式烘干機(jī)構(gòu)

目前，流延膜的干燥方式主要有紅外線干燥、紫外線固化、熱輥或板烘干和熱風(fēng)干燥等。實(shí)際應(yīng)用中熱風(fēng)懸浮式烘干是最先進(jìn)的干燥方式。熱風(fēng)干燥方法具有干燥效率高，不產(chǎn)生針孔和氣泡，干燥過程與流延膜不發(fā)生接觸的優(yōu)點(diǎn)。

考慮到介質(zhì)膜要經(jīng)過四個(gè)干燥階段，即揮發(fā)階段、恒溫干燥階段、降溫階段和平衡階段，因此加熱箱的設(shè)計(jì)按照圖6所示的加熱曲線分區(qū)設(shè)計(jì)。烘干系統(tǒng)分為三個(gè)溫區(qū)，第一溫區(qū)為滾軸式，第二、三溫區(qū)為懸浮式。為了適應(yīng)各種干燥工藝環(huán)境的要求，采用了分區(qū)加熱方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，可同時(shí)滿足干燥過程強(qiáng)制性揮發(fā)、指數(shù)規(guī)律加熱、恒溫和指數(shù)規(guī)律降溫的要求。設(shè)計(jì)時(shí)，烘箱內(nèi)采用拋光不銹鋼作為輻射的發(fā)射表面來均衡溫度場；兩側(cè)的調(diào)節(jié)閥的開口量作為控制強(qiáng)制性揮發(fā)升溫區(qū)和出口強(qiáng)制性降溫區(qū)的溫度分布的調(diào)節(jié)量。

圖6 溫度分區(qū)曲線

6.4 電子陶瓷漿料自動(dòng)恒壓輸送系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括漿料變速攪拌、真空脫除空氣以及外加氣壓強(qiáng)迫輸送與調(diào)節(jié)系統(tǒng)。圖7所示的漿料輸送系統(tǒng)中，外加壓縮空氣被輸入到一個(gè)密閉的容器內(nèi)，利用氣壓強(qiáng)迫漿料順著輸送管注入到流延頭的流延腔內(nèi)，保證流延漿料壓力的穩(wěn)定。

圖7 電子陶瓷漿料自動(dòng)恒壓輸送系統(tǒng)

6.5 氣動(dòng)及電液控制系統(tǒng)

6.5.1 氣動(dòng)控制系統(tǒng)

氣動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)放收卷膜機(jī)構(gòu)的氣脹輥?zhàn)虞S鍵的伸縮、流延刀運(yùn)動(dòng)、拉膜輥?zhàn)訖C(jī)構(gòu)從動(dòng)輥定位等。

根據(jù)整機(jī)各部分機(jī)構(gòu)的動(dòng)作頻繁程度，計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)和各動(dòng)作組的耗氣量，合理分組，使氣動(dòng)系統(tǒng)各組動(dòng)作基本均衡，減少了系統(tǒng)的耗氣量，降低了系統(tǒng)的容量要求。通過精心選取相關(guān)元件，保證系統(tǒng)的可靠性。

6.5.2 電液伺服控制系統(tǒng)

電液伺服糾偏系統(tǒng)是由液壓站、電液伺服閥、位移傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)（油缸）巧妙結(jié)合成的獨(dú)立的電液伺服自動(dòng)控制系統(tǒng)。它能自動(dòng)完成檢測、反饋、放大和糾偏等一系列動(dòng)作。

6.6 整機(jī)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

自動(dòng)化控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)整機(jī)所有功能的控制，包括PET薄膜放、收卷控制，伺服驅(qū)動(dòng)控制，流延系統(tǒng)控制，張力控制，糾偏控制，烘干溫度控制，氣動(dòng)系統(tǒng)控制，電液伺服系統(tǒng)控制等功能。控制系統(tǒng)原理框圖如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)原理框圖

7 結(jié)束語

本文所述的生產(chǎn)MLCC的薄膜流延設(shè)備，在風(fēng)華高科冠華片式陶瓷電容器分公司的實(shí)際生產(chǎn)中得到驗(yàn)證，在潔凈度10000級以上的凈化環(huán)境下，其電子陶瓷介質(zhì)膜最小厚度可達(dá)3 μm，精度達(dá)0.25 μm，流延速度最高可達(dá)0.3 m/s，大大提高了生產(chǎn)質(zhì)量和效率，使0402，0201甚至更小規(guī)格的片式多層陶瓷電容器的批量生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)。

本文所述的MLCC的薄膜流延設(shè)備的研制成功，將大大提高我國新型元器件的生產(chǎn)技術(shù)水平，滿足國內(nèi)設(shè)備需求，替代進(jìn)口，帶動(dòng)電子專用設(shè)備產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平，推動(dòng)我國電子信息產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，對實(shí)現(xiàn)我國電子裝備的現(xiàn)代化將發(fā)揮重大作用，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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