LTCC印刷机卷纸机构设计

吕琴红，张志耀

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

LTCC印刷机卷纸机构设计

吕琴红，张志耀

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西 太原 030024)

卷纸机构是LTCC印刷机的重要组成部分。从其结构性能、走纸精度、纸带张力控制以及正反转功能实现等方面考虑，对卷纸机构进行了设计。经试验验证，卷纸机构运行良好，其走纸误差控制在允许范围之内，其余各项功能均满足使用要求。

LTCC印刷机；卷纸机构；走纸精度

随着微电子技术的迅速发展，电子整机正在日益向微型化、集成化和高频化的方向发展，这使得电子元器件也必须向小型化、高频化、高可靠性和高集成度的方向发展。低温共烧陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramics，LTCC)基板因具有布线层数高、布线导体电阻小、介电常数低、烧结温度低、热膨胀系数小等优点，所以成为了一种理想的多芯片组件(MCM)用基板，有广泛的应用前景[1]。

印刷是LTCC多层基板制造中的关键工序之一，主要包括生产过程中生瓷片上的通孔填充浆料的印刷、导体浆料的印刷、电阻浆料的印刷等。可以说整个基板中所有的功能线路都是通过印刷设备加工完成的，因此，印刷工序对最终产品质量的影响至关重要。与传统的PCB板印刷相比，LTCC行业印刷的线条更为精细，精度要求更高；同时，作为承印物的生瓷片，通常厚度只有50 μm～200 μm，材质又较软，在印刷时必须采用高平面度的微孔陶瓷吸盘将其吸附平整。而在印刷过程为了避免浆料污染台面，需要在生瓷片与微孔陶瓷台面之间垫一层透气纸，既保证浆料不污染台面，又能够将生瓷片吸附平整，在实际应用中，印刷台上需配置卷纸机构，每印刷一片，纸带向前一个步距。

卷纸机构是LTCC印刷设备上不可或缺的组成部分，纸卷作为承印生瓷片的直接承载体，其运行状态对最终的印刷效果也会产生不可忽略的影响。根据工艺条件要求，卷纸机构应具备如下特点：

1) 结构简洁、紧凑；

2) 走纸长度误差小；

3) 纸卷平整，张紧力适当、稳定；

4) 实现纸卷正反转运动，动作平稳。

1 卷纸机构结构设计

卷纸机构如图1所示，由两个伺服电机、两个卷纸轴、微孔陶瓷吸盘及支撑架等组成。

图1 卷纸机构

纸卷固定在一根六棱轴上，六棱轴的一端与固定在伺服电机上的自制联轴器相连接，自制联轴器上的内六角孔与六棱轴相配合，实现电机对纸卷的驱动。六棱轴的另一端与六棱柱支撑座结构相连接，六棱柱支撑座内配置有弹簧可伸缩结构，使得机构运行过程中六棱柱不会发生轴向串动，并可方便地拆装，从而实现纸卷的轻松更换。

两纸卷安装位置低于微孔陶瓷的上表面，使得纸带可以始终贴在微孔陶瓷表面。

支撑架起固定两套电机、纸卷及微孔陶瓷吸盘的作用。

该卷纸机构与传统结构相比，改变了走纸距离控制方式，省去了传统结构上的随动轴以及为了控制走纸距离而设置的编码器等结构，整体结构紧凑、简洁。

2 卷纸机构控制方式

图2为卷纸机构工作原理示意图。走纸时，主动轴电机为位置模式运动，被动轴电机为力矩模式(力矩大小可根据需要设定)，两轴施力方向相反，由于主动轴方向设置的拉力较大，主动轴通过纸带拖被动轴转动，使得被动轴转动方向与电机输出力矩方向相反，从而使纸带呈张紧状态向前运动；当停止走纸时，主动轴电机在保持力的作用下停止转动，而被动轴电机则始终为力矩模式，使得纸带不论是否运动始终呈张紧状态。

图2 卷纸机构工作原理示意图

2.1 走纸长度控制

传统的走纸结构控制走纸长度通常采用两种方法：一是加装摩擦随动轮，并在轮端安装编码器来检测走纸长度，该方法可实现走纸长度的控制，但结构较复杂；二是整个走纸过程主动电机转动角度为恒定值[2]，从图2所示结构可知，随着卷纸机构的运行，主动轴半径R会不断变大，该方法忽略了主动轴直径的变化，其结果是精度太差，不能满足的使用要求。

计算方法建立在两个恒等式基础之上：

1) 主动轴卷入的纸带长度等于被动轴放出的纸带长度，即：

(1)

2) 主、被动轴纸卷横截面积之和保持不变，即：

(2)

其中，c为常数，该数值由所使用卷纸规格及卷纸缠绕管直径确定，如设备使用同型号卷纸，则c为恒定值。

由公式(1)，(2)可解得：

(3)

(4)

其中，L为设定的走纸长度。

2.2 纸带张紧力控制

由于机构在运行过程中被动轴直径逐渐变小，要实现纸带的恒张力控制，被动轴电机的输出力矩必须做出相应调整。忽略纸张的加减速过程，认为机构运转时纸张所收张力等于被动轴电机输出扭矩产生的拉力，即：

(5)

将公式(5)做变换：

(6)

依据公式(6)，被动轴电机控制程序只需在每次走纸时将输出力矩修改，则可实现纸带张紧力的近似恒定控制。

2.3 纸卷正反转运动

该卷纸机构主、从动两侧的硬件结构为完全的对称结构，所以，要实现纸卷的反转，只需要将主、从动电机的控制方式调换即可。

3 实验验证

为了验证结构的运行效果，进行了走纸长度误差实验。

纸卷初始直径55mm，卷纸管直径16mm，设定走纸距离200mm，每次走纸使用钢板尺测量实际走纸长度，计算出每次走纸长度误差，其结果如图3所示。

图3 走纸长度误差图

从图3可看出，刚开始时走纸长度误差最大，随着机构的运行该误差逐渐缩小。从理论上分析，刚开始时主动轴上还未缠绕纸带，其直径较小，则纸带走相同距离的情况下，缠绕圈数较大，即前后两次走纸主动轴直径变化较大，所以产生的误差也较大。但整个过程来看，走纸误差都能控制在5mm之内，完全满足使用要求。

机构运行过程中，纸带运行平稳，张力可控，纸张始终保持平整状态，试验效果良好。

4 结论

本文论述的卷纸机构，在设计之初就充分分析了机构的使用要求，在此基础上对机构的走纸精度及结构性能做了合理取舍，使得该机构既结构简洁、紧凑，同时走纸精度控制在允许范围之内；另外，实现了卷纸恒定张紧力的控制和正反转运动功能。该卷纸结构的成功开发不仅解决了LTCC印刷机走纸问题，同时机构的原理、算法也可应用于其它设备类似场合。

[1] 薛耀平，王颖麟.LED的LTCC封装基板研究[J].电子工艺技术，2012，33(4)：229-233.

[2] 郭晓妮，赵莹，聂志宇.叠片机中放带长度计算的研究[J].电子工业专用设备，2014，43(7)：24-26.

Paper Reeling Mechanism Design of LTCC Printer

Lv Qinhong, Zhang Zhiyao

(NO.2ResearchInstitute,CETC,TaiyuanShanxi030024,China)

Paper reeling mechanism is an important part for the LTCC printer. In this article, a paper reeling mechanism is designed considering on its mechanical property, operating accuracy, paper tension control, rotating and reversal function etc. The test shows that the newly designed paper reeling mechanism can operate well and the error of paper transportation can be controlled in an accepted range. The other performances meet the operating requirement as well.

LTCC printer; paper reeling mechanism; operating accuracy

2016-03-20

吕琴红(1976- )，女，高级工程师，主要从事微组装和LTCC工艺设备的研发。

1674- 4578(2017)02- 0049- 03

TN605

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