PTC 等靜壓機在層壓工藝中的故障判斷分析

張 輝

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊 050051）

0 引言

低溫共燒多層陶瓷基板簡稱LTCC，是一種將陶瓷流延生瓷片進行沖孔、印刷、層壓、燒結、電鍍等十幾種工藝制作而成的多層電路，它將無源元器件和各類無源組件封裝于多層布線基板中，與有源器件共同組成一套完整的電路系統。由于其自身的獨特優勢，在航空、航天、5G、計算機、軍事等多領域得到了越來越廣泛的應用，是一門日趨成熟的集成封裝技術。

1 層壓工藝和PTC 等靜壓機工作原理

層壓工藝是將疊片后的陶瓷生瓷片利用高壓、高溫使之粘結牢靠的一個過程。利用帕斯卡原理，采用液態水作為增壓和傳熱介質，陶瓷生瓷片在密閉的工作腔內受到各個方向傳遞來的均等壓強，保證在工藝過程中，受壓生瓷片基板無翹曲變形、無起泡、無圓邊和旋轉扭曲的缺陷，從而形成一個完整的致密性多層基板胚體。確保基板在熱切和燒結工藝過程時能夠收縮一致，避免出現分層斷裂的現象。

PTC 等靜壓機是應用于半導體封裝工藝中常見的一種對產品進行加壓成型的自動化層壓設備，它以壓力媒體的水位管理、溫度、壓力、控制的自動化入手，通過時間、溫度、壓力等技術參數的設定，實現設備運行、停止的自動化控制。PTC 等靜壓機的設計可用于所有類型的多層陶瓷燒結前的層壓工藝，其工作原理是利用水能均勻傳遞壓力的特性，通過氣動增壓系統給密閉的工作腔室內的介質水增壓，從而形成一個高壓腔體，對存放在腔體內部的生瓷片全方位、均勻地施加壓力，使其結構變得致密、表面平整，滿足工藝設計的需求。該設備可以通過PLC 控制器實現單步增壓、雙步增壓及可編程增壓等多種增壓方式。運行時的增壓與時間的關系特征如圖1 所示。

圖1 壓力工藝示意曲線

2 PTC 等靜壓機組成結構

PTC 等靜壓機主要由PLC 控制系統、壓力系統、溫度控制系統、安全保護系統4 大部分組成（圖2）。

圖2 PTC 等靜壓機主要結構

2.1 PLC 控制系統

PLC 采用可編程的存儲器，利用內部的存儲程序執行運算、順序、時間、壓力等指令，通過數字或者模擬輸入/輸出，控制各類機械裝置做出實質性的生產運動。在層壓工藝生產過程中有溫度、壓力、位置、流量等大量的需要連續變化的數值以及機械裝置的運動動作，利用PLC 控制技術可以大大提升設備的自動化生產過程。

2.2 壓力系統

壓力系統主要由層壓工作腔、氣動增壓循環系統、泄壓系統等部件組成。

（1）層壓工作腔由工作腔體、活塞、上、下密封環、壓環、物料盒及壓力探測器等組件組成（圖3）。在工藝進行中，由于整套層壓工作腔要完全浸入儲水罐，工作腔體和罐體內部都需要承受巨大的水壓，所以對整體的密封性及安全可靠性提出了較高要求，故儲水罐和層壓工作腔均采用一次性加工成型技術。這樣可以大大提升空間的密封性和安全保證，延長設備的使用壽命，降低設備的故障率。

圖3 PTC 等靜壓機層壓工作腔

（2）氣動增壓循環系統是層壓機的核心關鍵系統，由過濾器、氣動增壓泵、壓力傳感器、自動放氣閥、手動放氣閥、壓力表以及相互間的連接管路等組成。儲水罐內的介質水經由過濾器進入到低壓管路中，利用壓縮空氣的驅動使增壓泵換向機構帶動柱塞進行反復的往返運動；低壓管路中的介質水經增壓泵的單向閥不斷地向密封的工作腔內注入，從而使整個工作腔形成一個封閉的高壓區。直至水壓上升到PLC 所設定的壓力數值，增壓泵停止向工作腔內加壓，工作腔由于密封環的作用從而形成一個密閉的高壓恒定狀態，氣動增壓泵的結構如圖4 所示。在PLC 控制下開始保壓倒計時，在保壓過程中工作腔內的壓力傳感器會將實時監測到的壓力數值轉變為標準的模擬信號傳送到壓力控制器的輸入端，再經輸出信號線傳入PLC 內，實現自動補償壓力的功能，使工作腔內的壓力數值始終保持在設定值的一個精準可控的區間。

圖4 氣動增壓泵結構

（3）泄壓系統包括自動泄壓系統和手動泄壓系統兩部分。當保壓計時結束后，PLC 控制器輸出泄壓信號，控制泄壓閥的氣動電磁閥啟動，打開自動泄壓閥。使工作腔內的介質水重新注入儲水罐中，工作腔室內的高壓也隨之釋放掉，恢復到正常的大氣壓力數值。如果自動泄壓閥損壞、失效或者PLC 輸出信號有問題不能正常輸出，氣動電磁閥沒有采集到信號無法及時打開自動泄壓閥時，設備操作人員應及時打開手動泄壓閥將工作腔室內的高壓卸掉，此功能的作用主要是減少產品不合格率以及對機器設備、人員安全等因素考慮。

2.3 溫度控制系統

溫度系統包括加熱棒、溫度傳感器、液位傳感器等輔助元器件，這些器件都安裝在水箱中，主要用來實時監測水箱中的水溫、水位的變化情況。如不能滿足工藝參數要求，PLC 會終止工藝流程并提示相應的報警信息。

2.4 安全保護系統

安全保護系統由安全門保護、工作腔位置保護、超欠溫保護、壓力保護、緊急制動開關等組成。

（1）取放產品的安全門處采用了磁性門鎖裝置，如果安全門未關閉或者關閉不嚴時，PLC 不會執行下一步設定的程序。

（2）工作腔位置保護傳感器分別安裝在兩側的升降氣缸上、下兩端，在工作腔進行上升或下降運動時，只有同時觸發兩側的傳感器，下一步的工藝程序才會自動運行，有效避免了因工作腔位置不對而產生的故障。例如，在工作腔下降到指定位置后同時觸發氣缸底部的兩個位置傳感器，增壓系統的氣動增壓泵才會向工作腔內加壓。反之，PLC 則誤認為工作腔未在指定位置，氣動增壓泵不會進行增壓工作。

（3）超欠溫保護由溫度控制器和PT100 熱電偶組成，當儲水罐內的水溫出現超溫或者溫度低于設定值時，PLC 控制器會發出報警信息并自動關閉、打開加熱棒。

（4）壓力保護由多個壓力傳感器對機器內部的壓力進行實時監測。例如，工作腔內的壓力監測和高壓管路中的壓力監測，當腔內的壓力或者管路中的壓力超出可控范圍時，安全泄壓閥就會自動開啟，將多余的壓力釋放掉，避免了對工作腔及管路的損傷，消除了安全隱患。

（5）緊急制動的作用是當設備在運行過程中如果一些傳動部分出現機械故障諸如較大的異響或運動部分卡死等情況，或者發生人身安全等緊急情況需要立刻停止設備運行的時候，只需按下緊急制動按鈕即可。

3 PTC 等靜壓機的操作步驟及故障判斷解決辦法

3.1 PTC 等靜壓機的操作步驟

根據生產工藝的需求，PTC 等靜壓機設置了手動和自動兩種操作模式，手動模式時一般是作為設備調試及維修更換備件時使用。自動模式用于日常的工藝生產使用。自動層壓模式時，顯示屏會實時顯示當前的壓力、溫度等工藝參數，能夠及時掌握壓機和產品技術狀態。層壓操作步驟如圖5 所示。

圖5 層壓工藝流程

3.2 運行中遇到的問題及解決方案

PTC 等靜壓機在生產過程中經常會發生故障，常見故障現象和問題如圖6 所示。

圖6 常見故障現象分析

（1）按下“運行”鍵后，工作腔不下降：①檢查安全門是否關好，如果未關閉或者關閉不嚴，請關閉好安全門；②檢查安全門的磁性互鎖裝置是否有松動或接觸不良的現象，相互間未接觸的話請調整安全鎖的位置；③檢查壓縮空氣壓力表的數值是否正常，如壓力過小請調節壓縮空氣減壓閥使數值保持在正常范圍內；④連接工作腔的兩個氣缸上限位傳感器信號燈是否點亮、工作是否正常、氣缸是否在上限位的正確位置，可以通過微調整傳感器的上下位置將正確的輸出信號傳送到PLC。若控制氣缸上升的電磁閥故障，可通過電磁閥上的手動強制按鍵來判斷檢查電磁閥能否正常換向，用多用表測量電磁閥線圈是否有直流24 V 輸入。必要時可更換電磁閥后再進行試機運行。

（2）工作腔在下限位置，但增壓泵不工作無法加壓：①檢查設置的運行程序是否有錯誤，如果程序錯誤可更改相應的參數設置；②氣缸上的下限位傳感器沒有接觸好，信號沒有傳入到PLC 控制器內，無法進行下一步程序，此時應判斷下限位的傳感器是否能正常工作，判斷的方法可以參考上限位傳感器正常工作的步驟；③控制氣動增壓泵的電磁閥是否能正常開啟，PLC 的輸出信號是否正常傳輸，同樣可通過電磁閥上的強制按鍵手動啟動壓縮空氣，如增壓泵還是不工作說明氣動增壓泵損壞或內部運動部分卡死，此時應更換新泵或將增壓泵拆除進行維修。

（3）氣動增壓泵工作正常但壓力數值為“0”或者數值偏小達不到設定的參數值：①檢查儲水罐和工作腔內的水位是否在正常位置、PLC 有無水位過低的報警信息等，如果有水位過低的報警信息，需將水位加注到正常的位置后手動消除報警信息；②工作腔體能否正常保壓；③檢查腔體上的上、下密封環有無磨損或變形，必要時更換腔體的密封環；④泄壓系統內的各類自動泄壓閥及手動泄壓閥是否在正確的關閉狀態下，檢查閥體及閥芯內部是否有損傷，有時水里的雜質可能會把閥體內部的單向閥運動組件卡住，造成泄壓閥內部封閉不嚴，需將泄壓閥拆除分解進行清理，必要時要進行新閥的更換；⑤檢查低壓管路中的過濾器是否有異物堵塞，濾芯需要根據設備的運行時間定期進行更換或放入超聲清洗機內進行超聲清洗；⑥壓力數值偏小或壓力數值波動不穩定時要考慮氣動增壓泵內的進、出雙向的單向閥機構密封性能下降，如果氣動泵工作時封不住低壓水或高壓水，應拆卸增壓泵，更換內部單向閥機構的密封圈。

（4）氣動增壓泵聲音異常或不工作：①氣動增壓泵不工作時首先要考慮壓縮空氣的壓力是否正常，檢查壓力表數值并調整到規定的范圍之內；②若在拆卸增壓泵后將泵的進、出兩個方向安裝錯誤，或誤將低壓區接入到高壓區，此時應對增壓泵進行重新安裝；③氣動增壓泵內的柱塞是否卡住或柱塞桿斷裂，此時只能將增壓泵拆下來進行拆解，將損壞的部件更換掉；④氣動增壓泵內的運動及密封件在長期使用后干澀卡死，需要把泵進行分解后在密封圈和運動部件處涂抹潤滑脂進行潤滑保養，使各個運動機構活動靈活、順暢無卡頓現象；⑤觀察氣動增壓泵泵體上的附帶消音桶是否有滴水的現象，如果有則說明泵底部柱塞處的密封圈磨損，密封效果不好，需要進行密封圈的更換；⑥泵體內部控制柱塞的換向機構卡死或支撐彈簧斷裂，導致泵腔內壁被刮傷，如修復后仍不能恢復正常就只能更換新增壓泵。

（5）在保壓過程中增壓泵頻繁工作，工作腔內壓力無法保持：①檢查泄壓系統的各個閥門是否處在關閉狀態，泄壓閥的微漏是無法保持壓力的主要原因之一，此時要鎖緊閥門或更換閥內各密封件；②高壓部分的壓力探頭監測過于敏感，安全泄壓閥一直在開、閉狀態下運行，解決的辦法是在PLC 內調整壓力的誤差范圍；③工作腔上、下兩端的密封環磨損，使壓力腔內的壓力泄漏，此時需要將壓力腔拆卸下來更換密封環。

4 結束語

在使用工藝設備的同時應了解相應的維護保養流程及方法，定期對設備進行維護保養，可以大大提升設備的使用壽命，保持良好的工藝性能：①每日開機使用前應檢查水位是否正常，每周檢查各傳感器及緊固件、接頭是否牢固，每月進行一次壓力核實計量，對于各活動部件要進行一次清潔擦拭并涂抹潤滑脂，每季度進行一次水箱的清洗并清理水箱里的雜質及水垢；②在設備長時間停機時應排空水箱內的增壓介質，在各運動部件部位涂抹潤滑脂防止干澀、銹蝕；③對于氣路上的維護要時刻觀察油霧器內的油量，并及時更換補充高級輕質潤滑油，保證氣路內電磁閥芯運動自如。