高速沖孔單元設計

張志耀，楊 衛，王海珍

(中國電子科技集團公司第二研究所，太原030024)

高速沖孔單元設計

張志耀，楊 衛，王海珍

(中國電子科技集團公司第二研究所，太原030024)

在分析如何提高生瓷帶打孔機打孔速度的基礎上，論述了高速沖孔單元的實現途徑；并通過與普通沖孔單元的試驗數據對比，得出了高速沖孔單元各項指標均優于普通沖孔單元，達到了設計要求，高速沖孔單元的研制顯著地提高了生瓷帶打孔機的性能。

低溫共燒陶瓷；沖孔；生瓷帶打孔機；高速沖孔單元

隨著微電子技術的迅速發展，電子整機正在日益向微型化、集成化和高頻化的方向發展，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，它具有布線層數高、布線導體方阻小、介電常數低、燒結溫度低，熱膨脹系數小等優點，所以成為了一種理想的多芯片組件（MCM）用基板[1]，有廣泛的應用前景。

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

1 生瓷帶打孔機簡述

生瓷帶打孔機作為LTCC多層基板制造中的關鍵工藝設備之一，一方面體現在孔的精度對于基板內電極印刷和預疊層的質量影響甚大，另一方面體現在沖孔速度對基板生產周期的影響。

通常，在LTCC生產線上打孔是工作量最大的一道工序。一條生產線根據產品的不同（一片生瓷帶一般有3 000～10 000或更多個孔，完成一片生瓷帶的加工需5～20 min）需配4～6臺或更多打孔機。隨著LTCC多層基板層數的不斷增多、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已經超過30 000個，完成一片生瓷帶的加工將超過 1 h[2]。沖孔速度已成為制約LTCC多層基板生產效率提升的瓶頸，所以提高生瓷帶打孔機工作效率迫在眉睫。

生瓷帶打孔機的核心部件是x、y運動平臺和沖孔單元，生瓷帶在x、y運動平臺的帶動下實現快速、精確移動定位，沖孔單元完成沖孔動作。因此，沖孔速度的提升，一方面要提高x、y運動平臺的移動速度，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 高速沖孔單元

沖孔單元主要由驅動部件和執行機構兩部分組成，驅動部件帶動執行機構完成沖孔動作，其結構如圖1所示。如果把沖孔單元比作一架“馬車”的話，那么驅動部件就是“馬”，而執行機構則是“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”兩方面來論述高速沖孔單元的實現途徑。

2.1 執行機構

普通的沖孔單元其執行機構的核心部分如圖2（a）所示，沖針安裝在導向柱上，驅動部件驅動導向軸沿直線襯套方向運動，沖針與凹模做相對運動完成沖孔動作。

按照運動學原理，要想減小單個孔的沖孔時間，須從如下幾方面入手：

圖1 沖孔單元實物圖

圖2 執行機構核心部分

（1）縮短沖孔行程。普通沖孔單元沖孔行程為8 mm，高速沖孔單元根據工作條件，采用了兩級運動方式，即第一級動作6 mm，第二級動作2 mm。沖孔時，加工整片生瓷帶上相同孔徑的通孔第一級動作只需進行一次，因此可不考慮第一級動作的行程，認為高速沖孔單元的沖孔行程僅為2 mm。

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

（3）減少運動部分質量。普通沖孔單元運動部分的質量約為45 g，而高速沖孔單元運動部分質量僅約20 g。

通過上述幾方面的改進，高速沖孔單元結構如圖1（b）所示，實現了“行程短”、“摩擦小”、“質量輕”的改進目標。

另外，設計時為了保證沖孔單元的穩定性，對高速沖孔單元主體支架做了力學模擬仿真，結果如圖3所示，模擬結果顯示，結構滿足設計要求。

圖3 仿真位移圖

2.2 驅動部件

驅動部件設計了兩種實現方案，即電磁鐵驅動方式和高速氣缸驅動方式。

2.2.1 電磁鐵驅動

電磁鐵是一種常用的電磁牽引裝置，把電磁能轉換為機械能的電磁元件，通過控制加在其線圈兩端電壓來間接控制被牽引物體的速度和最終位置，其構造簡單，使用方便。

電磁鐵的磁性有無可以用通、斷電流控制；磁性的大小可以用電流的強弱或線圈的匝數多少來控制；也可通過改變電阻控制電流大小來控制磁性大小；它的磁極可以由改變電流方向來控制，非常適合本項目對沖針的快速驅動[2]。

2.2.2 高速氣缸驅動

高速氣缸是通過改變氣缸密封圈結構，采用間隙密封方式，以此來實現極小的滑動摩擦阻力，在0.005 MPa的低壓力下也可驅動，驅動速度可以達到3 m/s；長壽命，可運行10 000 km或往返1億次。選用兩位五通電磁閥控制氣缸動作，電磁閥反應時間小于2 ms。

高速氣缸驅動的特點是：（1）氣壓驅動，力量大；（2）由于選用了標準外購件，價格便宜，成本約為改進前沖孔單元自制氣缸成本的一半。

3 改進效果驗證

為了驗證改進效果，項目組在實驗基礎上對原沖孔單元和改進后的高速沖孔單元做了如下對比（通過驗證，改進后的兩種驅動方式驅動速度相當，所以不再對比其之間區別）。

3.1 沖孔速度對比

將兩種沖孔單元裝于DKJ-08S生瓷帶打孔機上進行打孔速度試驗，結果見表1。

表1 沖孔速度對比

3.2 使用成本對比

對兩種沖孔單元所用沖針、凹模的價格及壽命進行對比（以dupont951為試驗生瓷片），結果見表2。

3.3 沖針、凹模更換時間對比

同一個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對位，所用時間明顯較長，更換時間對比見表3。

表2 使用成本對比

表3 沖針、凹模更換時間對比

表4 沖孔噪音對比

3.4 沖孔噪音對比

另外，改進后的沖孔單元在客戶現場已使用約15個月，運行正常，穩定性與改進前沖孔單元相比有了顯著提高。

4 結論

通過以上對比數據可認為：改進后的沖孔單

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