混煉功率曲線法控制洗模膠混煉工藝

白 明

(哈爾濱博實(shí)自動(dòng)化股份有限公司，哈爾濱 黑龍江 150078)

洗模膠片主要用于清理半導(dǎo)體器件模具表面的污垢，其主要成分是生膠，其重量百分比大約為50%～70%[1]。此洗模膠制作工序包括捏煉機(jī)混煉，物料中既有固體(粉料、粒料)如填充劑、脫模劑、分散劑等，也有液體如固化劑、軟化劑、清污劑等，膠料混煉的最終目的是使配合劑均勻分散和批料間質(zhì)量一致。本文采用一種新型控制法-瞬時(shí)功率控制法，通過(guò)直接控制混煉過(guò)程中膠料粘度、判斷加料量及捏煉機(jī)的填充因數(shù)，以便混煉過(guò)程保持在最佳狀態(tài)[2]，從而改善洗模膠的混煉工藝，以期提升產(chǎn)品性能、節(jié)約成本。

1 工藝原理

1.1 捏煉機(jī)流變理論

捏煉機(jī)流變理論經(jīng)博倫等人[3-5]把膠料假設(shè)成牛頓型流體，推導(dǎo)出了功率消耗與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

1.2 膠料的特征曲線及作用

每種膠料的各段混煉規(guī)程均與各自的功率曲線相對(duì)應(yīng)，國(guó)內(nèi)已經(jīng)有技術(shù)人員對(duì)母煉膠混煉功率曲線進(jìn)行了研究[6]。功率曲線可以用來(lái)查看捏煉機(jī)混煉功率、了解橡膠混煉過(guò)程，除可顯示混煉各階段的進(jìn)展情況，還能在一定程度上表征混煉膠料的分散效果。功率曲線排膠控制法對(duì)生產(chǎn)工藝有很好的指導(dǎo)作用[7]。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 設(shè)備與儀器

X(S)N-10×32型小型試驗(yàn)加壓捏煉機(jī)，大連華韓橡塑機(jī)械有限公司產(chǎn)品，轉(zhuǎn)子速度(前/后)為32～25 r/min，功率22 kW，上頂栓壓力為0.6 MPa；MDR2000 型無(wú)轉(zhuǎn)子硫化儀，上海德杰儀器設(shè)備有限公司(檢測(cè)膠料硫化特性，條件為175℃×5 min)。

2.2 試驗(yàn)?zāi)z料

試驗(yàn)?zāi)z料為半導(dǎo)體封裝成型模具洗模膠。

3 結(jié)果與討論

3.1 加料量及加料點(diǎn)的確定

3.1.1 橡膠加料量的確定

為滿足洗模膠的硬度及拉伸、抗撕裂性等硫化性能，橡膠原料由BR和DPR按照一定比例混合組成，由于膠料加入捏煉機(jī)時(shí)膠溫與捏煉機(jī)溫度相差較大，導(dǎo)致混煉起始階段物料會(huì)在捏煉機(jī)轉(zhuǎn)子和混煉室壁間短暫滑移，這時(shí)混煉過(guò)程實(shí)際上處于停頓狀態(tài)，幾乎不消耗能量，此時(shí)只能通過(guò)調(diào)整膠料加料量來(lái)填充混煉室，當(dāng)膠料的加料量足夠多時(shí)，由于上頂栓下壓、轉(zhuǎn)子在密閉腔里對(duì)膠料做功、膠料與混煉室壁摩擦生熱等原因，膠料溫度升高變軟，并逐漸被粉碎成塊，小劑量的分散劑開(kāi)始在橡膠中分散和浸潤(rùn)。

3.1.2 填料等粉劑的加料方式

填料在所有粉料中所占的比例極大，由于洗模膠產(chǎn)品的使用性能導(dǎo)致配方中需采用較小密度的填料進(jìn)行填充。混煉過(guò)程中加入粉劑時(shí)混煉室溫度較低，摩擦力仍較大；膠料呈塊的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)粉劑的作用形成小塊的粉團(tuán)，然后粉劑完全附著在橡膠塊的表面，并混入橡膠之中。通過(guò)膠塊相互間的觸壓，形成新的大塊，橡膠塊的體積逐漸變大，直至形成連續(xù)相。由于起潤(rùn)滑劑作用的粉劑和小劑量的固體分散劑逐漸消失，在這一過(guò)程中轉(zhuǎn)矩上升。由于該過(guò)程中物料體積發(fā)生較大的變化，如果一次性加入粉劑，在橡膠填充量已定的條件下，捏煉機(jī)易產(chǎn)生超額定功率而斷電的保護(hù)狀態(tài)，導(dǎo)致生產(chǎn)中斷，另外由于DPR屬于液體膠，在溫度不太高的時(shí)段一次性加入大量粉劑，粉劑易吃入膠中及時(shí)分散；但粉劑的大量加入，使整個(gè)體系產(chǎn)生較多的熱量，膠料升溫非常明顯，對(duì)后續(xù)其它溫度較敏感液體配合劑的加入及混煉會(huì)造成不良影響。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得知，填充劑分兩次加料時(shí)，捏煉機(jī)電流升高在合理范圍，整體膠料溫升較緩慢，膠料吃粉較易，混煉效果較好。

3.1.3 軟化劑等液體配合劑的加料方式

用捏煉機(jī)混煉時(shí)，開(kāi)始溫度低，膠料硬，摩擦力大，有利于配合劑在橡膠中的分散和浸潤(rùn)。但是隨著混煉時(shí)間的延長(zhǎng)，溫度增高，膠料變軟，摩擦力減小時(shí)，對(duì)配合劑在膠料中達(dá)到宏觀分散有好處，但對(duì)配合劑的微觀分散不利。加入粉劑后增大了摩擦力，再加入液體配合劑會(huì)較好的分散。液體軟化劑如開(kāi)始加入，會(huì)使膠料太軟，膠料摩擦力小，粉劑不易分散好,甚至出現(xiàn)粉粒子。在實(shí)際操作中發(fā)現(xiàn)，如果將液體配合劑等一次性加入混煉室內(nèi)，有時(shí)會(huì)發(fā)生上頂栓打滑現(xiàn)象，并且在混煉過(guò)程中有一小部分物料發(fā)生粘壁，主要集中在混煉室側(cè)壁、底部位置，為防止此現(xiàn)象的發(fā)生，且由于配方中粉劑含量較多而分兩次加入，可以把液體配合劑分兩份，與兩次填料分別混合一起加入捏煉機(jī)內(nèi)。固化劑由于加量很少，一次性加入即可。綜上述，設(shè)定的混煉工藝為：

經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)，對(duì)混煉的加料量、加料點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整后的混煉功率曲線如圖1所示。由圖1可知，混合塊狀膠料與少量的固體分散劑、脫模劑加完料混合時(shí)，功率曲線有一較平坦曲線出現(xiàn)，說(shuō)明由于摩擦、密閉等原因，固體的分散劑與脫模劑在未混入膠料時(shí)已與混煉室壁接觸并發(fā)生熔化，由于轉(zhuǎn)子做功，膠料被擠壓剪切成碎塊，固體的分散劑和脫模劑不斷的擴(kuò)散到膠料中。60 s過(guò)后加入1/2配合劑(填充劑、軟化劑、清污劑)與少量著色劑、固化劑等混合物，上頂栓下降，捏煉機(jī)功率由于粉劑等較大體積物料的加入迅速升高，并維持在一定階段，60 s過(guò)后再次升起上頂栓加入其余的物料，然后保持較高的功率做功。至此，到達(dá)預(yù)定時(shí)間，排料。

技術(shù)人員將按照此混煉工藝制成的洗模膠進(jìn)行上機(jī)實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)洗模過(guò)程中膠料的填充及洗模后膠料的抗撕扯效果均較好，克服了之前由于混煉工藝不完善導(dǎo)致部分物料未分散好而造成洗模膠沾粘模具。

圖1 加料量、加料點(diǎn)調(diào)整后的混煉功率曲線

3.2 混煉室填充因數(shù)的選擇

設(shè)定的混煉工藝為：

未改變?cè)O(shè)定的混煉工藝，但在此基礎(chǔ)上考察了整體物料的填充因數(shù)的影響。

初步選定混煉室填充因數(shù)為0.72、0.75、0.78進(jìn)行生產(chǎn)。當(dāng)填充因數(shù)為0.78時(shí)，功率消耗較大，接近額定功率，對(duì)生產(chǎn)中機(jī)器的使用造成一定的威脅性，所以此方式不符合要求。由實(shí)際生產(chǎn)數(shù)據(jù)可知，隨著填充因數(shù)的增加，混煉功率也相應(yīng)增大，經(jīng)技術(shù)人員將混煉室填充因數(shù)為0.75時(shí)混煉制成的模具清洗料上機(jī)實(shí)驗(yàn)，洗模效果未見(jiàn)異常。說(shuō)明在相同的作業(yè)時(shí)間內(nèi)，單車(chē)膠料質(zhì)量增大的同時(shí)可以保證膠料的物理與化學(xué)性能優(yōu)異。

不同填充因數(shù)膠料的硫化數(shù)據(jù)如表1所示。由表1可知，增大填充因數(shù)后膠料的硫化數(shù)據(jù)波動(dòng)較小。

表1 不同混煉填充因數(shù)膠料的硫化數(shù)據(jù)

3.3 排料時(shí)間改變

設(shè)定的混煉工藝為：

在對(duì)工藝設(shè)備功率校核時(shí)發(fā)現(xiàn)，排料段后期功率曲線上存在一個(gè)小平坦曲線，且混煉時(shí)間過(guò)長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致出膠時(shí)膠溫較高，膠料中加入的液體配合劑會(huì)有相應(yīng)的揮發(fā)損失，或者導(dǎo)致膠料受到的氧化破壞加劇，對(duì)膠料的性能不利。當(dāng)排料段時(shí)間縮短30、45、60、75 s時(shí)，瞬時(shí)功率曲線平坦曲線適當(dāng)縮短，混煉周期變短，有助于節(jié)約生產(chǎn)成本。

混煉時(shí)間縮短30、45、60 s的膠料的硫化儀數(shù)據(jù)如表2所示，由表2可知，混煉時(shí)間縮短30、45 s膠料的硫化數(shù)據(jù)波動(dòng)較小，60 s膠料的硫化檢測(cè)數(shù)據(jù)不平穩(wěn)，所以選擇工藝時(shí)間縮短30 s或45 s的膠料制成洗模膠片，上機(jī)實(shí)驗(yàn)洗模效果以混煉時(shí)間縮短30 s的洗模膠洗模效果較為理想。

表2 不同縮短混煉時(shí)間的膠料硫化儀數(shù)據(jù)

綜上述，較合理的混煉工藝為：

3.4 混煉加工質(zhì)量控制及功率控制的注意事項(xiàng)

功率曲線在加強(qiáng)全面質(zhì)量管理的作用顯而易見(jiàn)。但其控制也不是無(wú)條件有效的，在一些不正常條件下也會(huì)失效，同時(shí)它還受到設(shè)備和工藝條件的制約，如混煉室溫度，如果起始混煉時(shí)為110～120℃，那么其混煉過(guò)程中根本就達(dá)不到規(guī)定的功率值，膠料溫度就已超過(guò)130℃的排膠溫度，瞬時(shí)功率控制根本起不到作用。所以連續(xù)生產(chǎn)需要根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)的調(diào)整。

4 結(jié)論

混煉過(guò)程功率曲線的考察對(duì)洗模膠混煉工藝的改進(jìn)有著重大的意義。通過(guò)對(duì)功率曲線的考察，改進(jìn)洗模膠混煉工藝，在改善膠料性能的同時(shí)還可節(jié)約成本。由于產(chǎn)品的目的是洗模，所以同時(shí)需要參照制成品的使用效果再來(lái)選擇合適的混煉工藝。另外除填充劑、膠料和其余助劑加入時(shí)種類和重量錯(cuò)誤的情況外，還可以發(fā)現(xiàn)混煉工藝操作存在的問(wèn)題。