生瓷坯體熱切工藝研究

閆文娥，高 峰

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

在陶瓷封裝工藝中，熱切工藝是一個關鍵的工藝環節，等靜壓后的生瓷坯體切割成陣列產品，在生產過程中已證實該環節會出現嚴重影響組裝工藝可靠性結果的問題，如：陶瓷封裝制造釬焊工藝中的失效，存在于底棱邊的熱切缺陷主導的斷裂會引起強度值的顯著下降，下降達50～60 MPa[1]，會對后續的釬焊組裝工藝可靠性產生不利影響。

熱切工藝是一種單一的外形加工工藝，依靠刀片在垂直方向力的作用下實現X向和Y向切割，無法實現復雜的多邊形形狀切割。從宏觀角度觀察，整個切割過程是運動軸和視覺的動作互聯過程；從微觀角度觀察，切割過程是刀片與生瓷坯體的切入分離過程。宏觀過程采用高精度的運動構件來滿足定位精度，如采用直線電機實現工作臺的直線運動，采用直驅電機實現工作臺的旋轉運動等。微觀過程是設計與工藝緊密結合的過程，更是決定熱切工序質量的關鍵，在產品生產中，衡量熱切質量主要指標有2個，一個是熱切后產品外形尺寸精度，是指熱切后產品的外形尺寸一致性精度，即將生瓷坯體采用標記線對位，切割成產品，單個產品分別在X向和Y向外形尺寸的一致性精度；另一個是熱切后產品形貌特征，這兩方面是衡量熱切質量的關鍵指標。

本文通過工藝試驗數據與熱切原理相結合得出影響熱切質量的根本原因，并基于熱切原理的基礎，對不同的熱切方法進行分析對比。

1 工藝實驗

傳統切割通常只用于生瓷坯體全切透式切割[2]。

(1)實驗樣品

層壓后的生瓷坯體，厚度為4 mm，工作臺和切刀的溫度為70℃，切刀下降速度為200 mm/s，生瓷坯體底面貼黏性膜，坯體上陣列16個產品。切割深度設定為坯體切斷、黏性膜不切斷的方式。

(2)實驗過程

將放在工作臺上的工件負壓吸附定位，工作臺和刀片加熱到恒定溫度后，沿標記線位置將生瓷坯體陣列分離成16個單個元件，單個元件理論尺寸x為45.5 mm，y為45.5 mm。

(3)實驗結果

獲取單個元件的外形尺寸精度和形貌特征，如圖1所示。

圖1 產品陣列圖

1.1 外形尺寸

切割完成后，采用圖像測量儀檢測12個元件的外形尺寸，測量結果如表1所示。

表1 單個元件外形尺寸表

外形尺寸檢測結果顯示，產品的外形尺寸精度X方向精度為±40μm，Y方向精度為±40μm。

1.2 形貌特征

形貌特征是指熱切后產品底面形貌特征和側面形貌特征兩個方面，在顯微鏡下觀察到的側面形貌特征為平行的層壓界面痕跡和不規則分布的黑色污染痕跡，底面形貌特征為局部崩裂形狀，如圖2、圖3所示。

圖2 側面形貌圖

圖3 底面形貌圖

底面形貌特征表現為局部崩裂形狀，燒結后觀察，該崩裂狀依然存在，且形態尺寸燒結前后相比具有高度的相似性，熱切過程中產生的底面形貌缺陷不能在燒結過程中修補，具有缺陷的延續性，會導致燒結后產品強度降低，翹曲度增大。因此熱切產生的底面形貌屬于熱切缺陷。

在新的文化環境下，現代工筆畫藝術存在不同的探索與表現形式。一方面，以展現工筆繪畫的色彩空間與圖式語言來擴大傳統工筆藝術的感染力與表現力，當代工筆繪畫藝術家對工筆畫藝術及其生存環境進行了積極的探索與開拓，將工筆繪畫置于廣大的時空之中，給觀者以豐富的聯想與參照，并賦予其審美情趣和視覺方式的某種現代特征；另一方面，許多抽象的、裝飾性的作品通過高度的提煉、概括以及適當地夸張、變形，恰當地傳達了現代人的審美趣味，具有獨特之性，發展了傳統工筆繪畫藝術的裝飾美。細觀羅春輝的作品，我們會明顯感知，他是綜合上述兩種表現形式并形成有自己風格的藝術家。

側面形貌特征表現之一是平行的層壓界面痕跡，這是形成生瓷坯體后的本體特征，在層壓面之間未出現分層現象的前提下，該形貌特征為正常的形貌，在燒結后會消失；側面形貌特征表現之二是不規則分布的黑色污染痕跡，黑色是印刷導體漿料的顏色，出現的不規則分布現象產生的原因是刀片在切割過程中，生瓷坯體的漿料顆粒附著在刀片表面上造成的，可在切割過程中進行一定頻率的刀片清潔，經過生產過程試驗和實踐，該方法可解決該問題。因此熱切產生的側面形貌不屬于熱切缺陷。

1.3 缺陷形成原因

熱切過程中，切刀在高速沖擊力作用下，切入生瓷坯體，刀片高速下降過程中，刀刃與側面之間的摩擦會使陶瓷坯體顆粒產生剝離，形成熱切側面。刀片的運動是往復的加減速運動過程，刀片加速下降，以恒定速度切割，到達最低位置刀片速度為零，再加速上升，高速往復進行切割動作。刀片在到達底面時，已經進入減速階段，速度的下降導致了沖擊力下降，生瓷坯體在切割過程中逐漸被剝離并且向下延展，使得刀刃到達底面之前，底面坯體顆粒已提前剝離，底面棱邊不是被刀刃切斷，而是坯體顆粒提前剝離形成。由于底面的坯體顆粒微觀分布密度和分布狀態不同，導致底面上形成局部崩裂狀的形貌特征。

從工藝試驗過程和熱切微觀過程可以看出，熱切后和燒結后熱切缺陷的高度相似性揭示了熱切缺陷的形成原因，即：刀片在到達底面時的速度下降導致了沖擊力下降，造成底面坯體顆粒的提前剝離所致。因此熱切缺陷的形成是熱切微觀過程存在的特性，也是熱切原理的固有特性。

基于實驗與分析，可以得出刀片深度的切入分離是造成熱切缺陷的根本原因，只有降低刀片切入分離的深度，才能減弱造成的崩裂，才能解決熱切后的尺寸精度問題和熱切缺陷問題。因此，根據熱切的微觀過程，從改變熱切方法的角度來尋求解決該問題的方法。

2 熱切方法

目前根據陶瓷組裝工藝不同將熱切工藝分為2種，即全切工藝和半切工藝。全切工藝是將等靜壓完成的生瓷坯體，根據陣列圖形尺寸切斷成相應尺寸的產品；半切工藝是將等靜壓完成的生瓷坯體，根據陣列圖形尺寸切成連片的規則板狀，仍是微連接的板狀坯體。產品狀態如圖4、圖5所示。

圖4 全切產品狀態示意圖

圖5 半切產品狀態示意圖

2.1 全切工藝

2.1.1 全切工作過程

生瓷坯體放置于工作臺上，生瓷坯體和刀片加熱到一定溫度后，控制系統自動檢測料片的厚度，設定切割深度，采用MARK線或者MARK孔自動對位，刀片升降實現X方向切割，工作臺水平方向旋轉90°，刀片升降實現Y方向切割。切割過程如圖6所示。主體結構如圖7所示。

圖6 全切過程示意圖

圖7 全切主體結構圖

2.1.2 全切外形尺寸精度控制方法

2.1.3 全切微觀原理分析

全切工藝適合于厚度較薄的生瓷坯體，在切割過程中刀片切入深度較小，減弱了坯體顆粒的提前剝離程度，外形尺寸精度較高，崩裂程度較小。反之，該切割方式不適合厚度較厚的生瓷坯體，形成的崩裂程度較大。因此全切工藝的缺陷為底面局部崩裂缺陷。

2.2 半切工藝

2.2.1 半切工作過程

主體結構由兩個工位組成。料片放置于第一工位的工作臺上，加熱到一定溫度后，控制系統自動檢測料片的厚度，自動計算出切割深度，CCD自動對位，刀體運動開始切割，工作臺水平方向旋轉90°，刀體運動自動對位切割，正面熱切完成；工作臺沿Y向運動至后方，翻轉平臺吸附坯體，沿平行于Y軸的旋轉軸旋轉180°，X方向模組的吸附臺從翻轉臺上吸附坯體，模組將坯體從第一工位運至第二工位，第二工位工作臺沿Y軸至后方，坯體被放置于第二工位的工作臺上，CCD自動對位，刀體運動開始切割，工作臺水平方向旋轉90°，刀體運動自動對位切割，反面熱切完成。切割過程如圖8所示，主體結構如圖9所示。

圖8 半切過程示意圖

圖9 半切主體結構圖

2.2.2 半切外形尺寸精度的控制方法

半切運動過程精度控制和工藝過程控制兩個方面，運動過程精度控制：單工位運動主體機構與全切主體運動機構相似。工藝過程控制：與全切工藝控制相似，另外需要對反面切割標記線位置補償，正面切割過程中生瓷坯體被擠壓，上下表面的標記線產生偏移所致。

2.2.3 半切微觀原理分析

半切工藝底面局部崩裂狀缺陷未出現，側面不平整缺陷成為主要熱切缺陷。由于切割深度的減小，在切割過程中刀刃對坯體的擠壓程度減小，崩裂缺陷減弱；由于上表面在切割過程中，標記線隨坯體被刀片擠壓，標記線位置與理論位置產生微觀偏移，隨著上表面切割刀數的增加，偏移量逐漸增大，在切割下表面時，上下表面的標記線不在同一位置，導致上下表面兩次切割形成的平面會出現兩個切面，從而存在側面不平整缺陷。

兩種熱切工藝對比發現，熱切后產品外形尺寸精度，半切工藝比全切工藝精度高；熱切形貌缺陷，半切工藝熱切缺陷為側面不平整，全切工藝為底面局部崩裂狀缺陷。兩種熱切工藝都存在熱切后的質量問題，為解決熱切質量問題，提出了一種新的雙面同步半切工藝。

2.3 雙面同步半切工藝

2.3.1 同步半切工作過程

將生瓷坯體貼至金屬框上，將其放置于工作臺上，加熱到一定溫度后，吸盤將金屬框運至切割工位，控制系統自動檢測料片的厚度，自動計算出切割深度，CCD自動對位，上刀和下刀運動開始切割，0°方向切割完成后，吸盤吸附金屬框將其傳輸到旋轉工位，旋轉臺將金屬框水平方向旋轉90°，上刀和下刀運動自動對位完成90°方向切割，切割完成后吸盤將金屬框傳輸到工作臺上。切割過程如圖10所示。其主體結構如圖11所示。

圖10 雙面同步半切過程示意圖

圖11 雙面同步半切主體圖

2.3.2 同步半切外形尺寸精度控制方法

外形尺寸精度控制包括運動過程精度控制和工藝過程控制兩個方面。同步半切機構的主體結構運動包括吸盤的θ向旋轉運動和Y向運動、旋轉臺的旋轉運動、上刀的Z向運動、下刀的Z向運動和CCD的X向運動和視覺系統。吸盤的Y向運動、上刀的Z向運動、下刀的Z向運動和CCD的X向運動采用旋轉型伺服電機驅動滾珠絲杠，直線導軌作為導向的機構，保證直線運動的位置精度，吸盤的θ向旋轉運動采用直驅型伺服電機驅動，保證旋轉的位置精度；視覺系統采集圖像、識別計算并返回數據，運動控制系統接收到位移數據后驅動吸盤完成定位。

2.3.3 同步半切工藝過程控制

除刀片和工作臺面加熱外，生瓷坯體需要貼附在金屬框上完成切割過程。

從雙面同步半切工藝原理分析發現，由于上下刀片同時切割，標記線采用上表面標記線對位，解決了雙面分步半切正反切割面重合度出現偏差的問題，避免了雙面分步半切存在側面不平整缺陷的出現；由于切割深度的減小，減弱了坯體顆粒的提前剝離程度，崩裂程度減弱，避免了全切工藝存在的底面局部崩裂狀缺陷的出現；采用上表面標記線一次對位切割，更加有效提高了熱切后的外形尺寸精度。

3 結 論

(1)熱切后產品的外形尺寸精度指標，雙面分步半切工藝優于全切工藝，雙面同步半切工藝優于雙面分步半切工藝。

(2)熱切后產品的形貌缺陷指標，全切工藝出現底面局部崩裂狀缺陷，雙面分步半切工藝出現側面不平整缺陷，雙面同步半切工藝不會這兩種缺陷。

陶瓷封裝的熱切工序在試生產和批量生產中，主要應用全切工藝和雙面分步半切工藝，雙面同步半切工藝在國內尚未得到應用，其工藝數據還需要不斷在實踐中摸索。