柔性电子制造技术在叠压机设计中的应用研究

2024-02-29杨志，武杰

电子工业专用设备 2024年1期

杨志，武杰

( 中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京 100176)

柔性基板卷到卷（R2R）制造技术是柔性电子器件制造的一种工艺方法，是一种连续制造工艺。与传统的非连续制造工艺（片式制造工艺）相比，R2R 制造过程中减少了人为的操作和管理因素影响，是一种更加高效、更加可靠的工艺，更适合柔性电子制造大规模生产。其基本流程为：柔性基板从放卷单元的料卷卷出后连续经过多个工艺模块，在柔性基板上进行连续加工（薄膜沉积、图案化、封装等），最后基板再卷成圆筒状料卷。R2R 连续生产方式属于串行过程，包括卷出、加工、收卷3 个基本环节，每个工序的输出是下一个工序的输入，已经成为射频器件（RFID）、薄膜太阳能电池、有机物发光二极管（OLED）、印刷电子等领域理想的制造技术。

片式多层陶瓷电容器（Multi-layer Ceramic Capacitors，MLCC）是电子信息产业关键核心的元器件之一，广泛应用于消费电子、汽车电子、航天航空、船舶、医疗设备、轨道交通等领域，是目前应用最普遍的陶瓷电容产品。叠压机是MLCC 生产制造工艺过程中的关键设备之一，其将印刷好的陶瓷介质膜片一张张按一定错位整齐叠放压合在一起形成厚度一致的巴块（Bar）。柔性基板传输系统是制造MLCC 叠压机的核心技术之一，需要叠压的陶瓷介质印制在成卷的柔性基板上，通过传输系统连续不断卷出、传送到剥离工位进行介质层剥离、收卷，该工艺流程正是R2R 制造技术的应用。

1 MLCC 叠压机R2R 系统的组成

R2R 系统的主要组成单元相似，但依据不同的制造工艺，R2R 集成系统有所不同。MLCC 叠压机的R2R 系统组成包括放卷单元、纠偏单元（边缘位置控制）、摆辊张力控制单元A、进给单元（真空吸附辊）、工作单元（剥离台）、摆辊张力控制单元B、收料进给单元，如图1 所示，其关键技术主要是放/收卷技术、基板牵引技术，张力控制技术和纠偏技术。

1.1 放卷/收卷单元

放卷/ 收卷系统在电机驱动下将成卷柔性基板展平，为R2R 系统输送卷材。在R2R 系统连续运行中，使用的柔性基板无法无限绕卷在一根芯轴上，需要根据基板尺寸和系统更换料卷。为降低对系统的干扰，常需要在设备中配置单独的接料平台或换卷机构。放卷系统需要考虑更料轴卷筒的方便性，通常采用气胀轴或滑差轴与料卷轴连接，完成新、旧料卷更换。气胀轴内部设有橡胶气囊，在充入压缩空气后，橡胶气囊膨胀，将气胀轴部分表面顶起滑出，压紧料轴卷筒内壁，使气胀轴与料卷可靠连接。放气后，胀起部件自动缩回，使气胀轴与料轴卷筒分离。气胀轴根据滑出部件的形式可分为键式气胀轴、板式气胀轴、圆点气胀轴、铝合金气胀轴与气钉轴等。

在张力要求不高的场合可以采用滑差轴作为放/收卷料轴，并提供一定精度的张力控制。滑差轴由多个滑差环组成，利用滑差轴上各个滑差环打滑的原理，始终保持恒定张力收放卷。工作时，滑差环以一定的滑转力矩值（扭矩）打滑，滑动量正好补偿产生的速度差，从而准确地控制卷料张力以恒张力卷取，保证了卷取质量[1]。

收卷系统是将加工完成的产品重新卷绕成卷，其结构与开卷系统相似，但收卷系统必须采用电机主动收料，收卷张力控制更为严格。如果收卷张力过大，则外圈基板会对内圈基板产生挤压，造成内圈基板内张力减少而产生松动。如果收卷张力过小，则料卷容易产生滑形，形成塔形。

1.2 进给单元

进给单元为工作区精确输送柔性基板，进给装置分为对辊夹持式、夹持式和真空吸附辊等。对辊夹持式通过共同驱动多套对辊保证柔性基板稳定、高效进给，这种进给方式可有效削弱大跨距中基板弹性变形对进给精度的影响；夹持式进给机构压紧基板，利用电机带动基板往返运动，可有效免避对辊进给的跑偏问题，实现高进给精度；真空吸附辊适用于表面不能受压的柔性基板传输。

1.3 张力控制单元

柔性基板在传输过程中如果受到的张力值过小，基板定位性和同步性会降低；如果张力值过大，基板可能过度变形甚至断裂。张力控制单元用于保持基板张力在设定范围，并减小张力波动，避免传输过程中基板出现波浪或褶皱。张力控制系统按选择的张力控制器类型一般可分为手动、半自动、和全自动三类。

手动张力控制通常设置在收卷和放卷模块，随着卷径变化而分阶段手动调整料轴阻尼进行基板张力调整。手动调整的对象为带摩擦阻尼的滑差轴、料轴上的磁粉制动器或离合器的励磁电流。半自动张力控制是在收卷和放卷过程中自动检测卷筒外径，利用卷径变化的输出信号控制收卷转矩或放卷制动转矩，调整基板中张力。在张力恒定时，根据卷筒径与卷轴扭矩的比例关系进行控制，即控制基板张力（F）与施加转轴扭矩（T）和卷径（D）之间的关系为F=2T/D[2]。

全自动张力控制是由张力传感器直接测定输送基板的实际张力值，通过张力数据转换成张力信号反馈回张力控制器，并与控制器预先设定的张力值对比，计算控制信号输入到自动控制执行单元，达到张力稳定。

1.4 纠偏控制单元

基板发生横向偏移对卷绕设备的影响贯穿于整个工艺过程中，会造成加工区定位精度降低，误差增大，收料卷参差不齐等，影响产品质量。R2R系统要求稳定进给的同时需要保证横向定位精度，特别是在套印印刷等定位要求较高的设备中。纠偏装置通过专用红外或超声传感器对基板纵向的偏移进行实时测定，并对偏移基板进行纠正。

2 MLCC 叠压机柔性基板传输系统的设计

2.1 放/收卷单元的设计

放卷单元通过展开平铺卷材使其实现柔性基板的进料，设计了一种采用气胀轴作为放料芯轴的放/收卷单元结构，如图2 所示。该单元主要包括放卷驱动电机、减速机、齿型同步带、同步带轮、轴承座、气胀轴等。其中，放卷驱动电机选用伺服电机，以实现放卷速度的快速响应和张力的精确调节，从而使放卷更加平稳；电机连接减速器得到旋转扭矩，通过齿形同步带/ 带轮结构力矩传递到气胀轴（放料芯轴）；气胀轴通过两个轴承座安装定位，前端轴承座轴承采用双向固定支撑，保证轴向位置精度，后端轴承座轴承采用游动支撑方式，确保气胀轴顺畅运行。气胀轴表面设置有5 个橡胶胀键，如图3 所示，通过压缩空气驱动胀键凸起实现放料芯轴与料卷间的固定。

图2 放卷单元结构示意图

图3 气胀轴示意图

2.2 进给单元的设计

MLCC 叠压机的料卷通常使用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET ) 作为柔性基板材料，其上为印有电极电路的陶瓷介质膜片。料卷受驱动进给时需避免表面受压力或滑动摩擦，以免介质膜层被刮花影响最终产品特性。

设计使用真空吸附辊作为进给装置。其结构如图4 所示，真空吸附辊包括芯轴和辊筒，辊筒两端过轴承与芯轴同轴连接；芯轴内具有抽气通道，抽气通道的一端设置真空吸口与抽真空设备相连接；芯轴外表面上开有多个沿芯轴轴向排列的抽气孔；辊筒圆柱面上开有多排沿辊筒轴向排列的吸附孔组，每排吸附孔组由多个沿辊筒圆周向排列的吸附孔组成；芯轴上设置有密封板，密封板与辊筒体内壁相贴合，密封板、芯轴外壁、辊筒内壁间组合形成吸附腔；辊筒与芯轴相对转动，辊筒上与吸附腔相对应处的吸附孔与吸附腔和抽气孔连通，形成吸附卷材所需的负压；两个轴向密封板间的辊筒区域即为真空吸附辊的吸附区。辊筒一端通过联轴器与电机相连，通过伺服电机控制卷材的进给量，柔性基板与真空辊面间无相对运动，保证每次卷材进给量准确。

图4 真空吸附辊示意图

2.3 张力控制单元设计

2.3.1 张力控制方法

引起张力变化的主要因素有多种，包括：放/收料卷的卷径、转动惯量不断变化、各辊轴间的平行度、辊筒表面的摩擦力变化等。设计传输系统时，各摆动轴辊与固定换向轴的辊筒选用铝合金材质，减小辊筒的转动惯量，从而减轻启停惯量波动；各固定换向辊轴采用简支梁方式安装，避免悬臂梁安装方式，确保辊轴间轴向平行度精度；表面采用镀覆耐磨性金属层处理，并经磨削加工，保证辊筒面形状公差精度，减少辊筒面对基板施加应力变化。

按照柔性基板传输功能区域划分，R2R 系统中的张力可以分为放卷张力、收卷张力、中间区域张力，通常各区域的张力需要单独控制。在较长R2R 系统中，中间区域分为多段控制，每段柔性基板的线速度相等。MLCC 叠压机系统中，中间区域为剥离台工作区域，该区域张力调节通过剥离台水平轴运动实现。MLCC 叠压机的张力控制单元设计主要涉及放卷张力和收卷张力控制。

开环张力控制如图5(a)所示，通过设定料卷速和其力矩乘积为常数，求出电机速度控制曲线，按此速度曲线来控制电机动作，适合于张力精度要求不高、无法测量张力信号的情况。这种控制方式通过控制辊轮速度来间接达到张力控制的效果，缺点是张力稳定性较差，无法对柔性基板的实际张力进行实时反馈和对多区段张力进行控制。闭环张力控制如图5(b)所示，引入张力反馈信号与给定张力值相比较，然后利用其差值经调节器作用到被控对象上，使偏差尽可能的小，维持基板张力的稳定。需要确定所采用的反馈器件和浮辊／张力传感器辊。此种张力控制方式在输送环节加入张力传感器，通过张力传感器的反馈来调节放卷辊的速度，形成闭环控制系统，优点在于除了原先具有的速度控制系统外，还包含了张力传感器反馈张力控制系统，速度和张力控制系统可以确保基板在传输过程中保持恒定张力和速度稳定，同时可以通过控制送料辊、转速得到所需张力值，具有控制精度高、抗干扰能力强的特点[3]。

图5 开环、闭环张力控制方式

2.3.2 张力控制单元的结构设计

MLCC 叠压机的放卷、收卷张力控制采用闭环张力控制，如图6 所示。该结构主要由张力电机、联轴器、角度测量仪（非接触式光学电位器）、轴承、上下摆杆、固定轴辊、摆杆轴辊等组成。其中，张力控制电机选用力矩电机或伺服电机（选用力矩模式），通过联轴器及轴承连接两根上下摆杆机构，而由于摆杆采用杠杆的机械结构设计，为保证作用于摆杆轴辊上的足够张力，一般选用较大功率的张力电机，且不采用减速机，以减小张力稳定时的波动值。

图6 张力控制单元结构示意图

2.4 纠偏控制单元的设计与应用

2.4.1 基板偏移的产生原因

造成基板横向偏移影响因素主要有4 个：

（1）设备因素

包括设计缺陷（跨距过大、包覆角过小）和加工装配误差，基板在大跨距的辊筒上更易发生横向偏移，而包覆角过小会导致基板和辊筒之间的摩擦力不足而发生滑移，辊筒加工精度存在误差，而装配过程中又难以保证众多辊筒之间的平行度，必然导致基板的横向偏移；

（2）材料几何缺陷

如料卷不齐、边缘松弛、中间皱褶等，使基板在初始位置即存在横向偏差；

（3）工艺因素

不同材料基板（如材料杨氏模量、基板宽度、厚度等）需要不同的工艺参数（基板张力和进给速度），否则会对基板横向偏移产生较大影响；

（4）人为因素

人工操作完成料卷的装载、布料和换料时前后两段基板拼接都会导致存在初始横向偏差[4]。

2.4.2 纠偏控制原理

纠偏控制单元是一个标准的闭环控制系统，按照其功能可分为3 个单元模块，分别是完成偏差量采集的检测传感器单元、控制整个系统正常运行的控制器单元、以及执行控制器指令的驱动器单元。

纠偏检测传感器通过固定支架安装在设备上，卷材在通过传感器时，传感器检测卷材的边缘，将检测到的边缘位置信号处理成控制器能识别的电信号后，控制器将接收到的电信号转换成位置信号并与设定的基准位置值进行比较，判断偏移量和移动方向是否一致，再根据偏移量与偏移方向产生相应的控制指令，驱动器控制执行机构推动卷材回到基准位置。

纠偏控制的3 种常见检测方式包括：EPC（Edge Position Control）指对卷材边缘上图案的深浅分界线等进行检测跟踪的检测方式；LPC（Line Position Control）指对印刷在卷料边缘上的标记线进行检测的控制方式；CPC（Center Position Control）通过对卷材的两侧边缘（齐或不齐）的检测，实现对卷材中心跟踪检测的方式。

2.4.3 纠偏控制单元的结构设计与应用

MLCC 叠压机在放卷工艺环节设计了纠偏控制单元，采用EPC 边缘位置控制技术。放料纠偏单元结构如图7 所示。

图7 放卷纠偏控制结构示意图

控制器通过支架与导轨连接，卷材通过放卷机构也与支架相连，驱动器可带动支架沿导轨运动，实现卷材横向位置调整。实际使用中，选用日本三桥的纠偏系统，包括PW-1000 型控制器、PD-610 型驱动器和PS-400 型检测器。其中，PW-1000 型控制器采用微机控制技术，可同时接收1 个或2 个三桥传感器（不同型号可混合使用）的信号，也可进行EPC、LPC、CPC 控制。PD-610型驱动器所驱动的无刷直流伺服电机具有无需更换电刷、寿命长、免保养、电机速度大、响应速度快等优点。PS-400 型检测器是超声波传感器。