陶瓷滤波器自动化生产技术分析--中国期刊网

字体：大中小

首页> 原创作品> 正文

陶瓷滤波器自动化生产技术分析

发表时间：2021/8/9 来源：《探索科学》2021年7月13期作者：苏振威

[导读] 滤波器是射频单元的重要元件，作用是使信号中的特定频率成分通过，尽量消除杂波的干扰。文章以陶瓷滤波器为核心，从特点和应用现状入手，介绍了自动化生产技术，阐述了激光技术在生产中的应用，以供参考。

广东国华新材料科技股份有限公司   苏振威

摘要：滤波器是射频单元的重要元件，作用是使信号中的特定频率成分通过，尽量消除杂波的干扰。文章以陶瓷滤波器为核心，从特点和应用现状入手，介绍了自动化生产技术，阐述了激光技术在生产中的应用，以供参考。
关键词：陶瓷滤波器；特点；自动化生产；激光技术
        随着信息技术的发展，移动通信设备向集成化、小型化的方向发展，与此同时对内部元器件的尺寸和质量提出新要求，滤波器就是其中之一。在移动通信网络中，滤波器的作用是精准调频，最大程度上除去无用信号，陶瓷滤波器主要是由钛酸镁、氢氧化镁与稀土金属氧化物等材料制成，不仅性能稳定，而且抗干扰能力强，在通信领域和电子产品中应用广泛。以下结合实践，探讨了陶瓷滤波器自动化生产技术。
        1.陶瓷滤波器的特点和应用现状
        1.1 特点
        陶瓷滤波器按照幅频特性的不同，可分为带阻滤波器、带通滤波器两大类，主要用在选频网络、中频调频、滤波电路中，目的是将不同频率的电流分隔来。总结陶瓷滤波器的特点有：①体积小、重量轻，可减小设备尺寸；②信噪比高，对杂波的过滤能力强；③电感Q值高，幅频、相频特性好；④成本低廉，损耗小。
        1.2应用现状
        以基站滤波器为例，3G、4G时代以金属同轴腔体滤波器为主，电磁波在墙体内振荡，达到谐振频率的电磁波可以保留，其余的就耗散掉。它的最大尺寸在300mm以内，温度稳定性差、损耗大、成本低。后来陶瓷介质谐振滤波器出现，电磁波在谐振器中振荡，最大尺寸在100mm以内，温度稳定性好、损耗中等、成本中等。在5G时代，陶瓷介质滤波器将成为主流，电磁波谐振发生在材料内部，由于没有金属腔体，最大尺寸在50mm以内，温度稳定性好、损耗小，精度高，实现量产后成本较低[1]。从整个发展历程看，陶瓷滤波器的尺寸不断缩小，损耗不断降低，但温度稳定性一直在提升，从而适应新时代的技术要求。
        2.陶瓷滤波器自动化生产技术
        陶瓷滤波器生产时，采用高温烧结工艺，生产流程如下图1。依据射频结构的设计图纸，选择优质的微波介质陶瓷粉末，首先喷雾造粒，其次干压成型，然后高温烧结，最后经磨削、金属化、制电极、SMT与调试，就能得到成品。和金属材料相比，使用陶瓷材料生产滤波器，整个技术难度明显提升。自动化生产过程中，陶瓷粉体配方、干压成型、烧结、金属化处理、焊接组装和自动调试是技术要点，以下对这六个环节进行详细阐述。

        图1：陶瓷滤波器生产工艺流程
        2.1陶瓷粉体配方
        陶瓷粉体，是生产陶瓷滤波器的最主要原材料，这个材料在自然界中并没有，是使用多种化学原料配制合成的，而且配方参数的不同，直接影响滤波器的性能，例如损耗、介电常数等。制造企业也认识到了这一点，为了提高滤波器的使用性能，就必须选用科学的材料配方，继而生产出Q值较高的介质陶瓷。另外，材料加工也比较复杂，酸碱控制不当、杂质含量高，也会影响粉体的质量。
实际生产中，陶瓷粉体和助剂按一定比例配置，先在球磨内混合均匀，烘干后过筛；再进入烧结炉中，高温预烧可以出去粉体杂质；最后加入单体、交联剂、溶剂等，经磨砂机处理就能得到陶瓷浆料。
        2.2干压成型
        多个介质谐振器耦合，就能形成陶瓷介质滤波器，微波介质粉末是原料，包括钛酸钡、钛酸镁等。这些材料的共同特点是：介电常数高、频率温度系数低、损耗低[2]。这些材料在生产中，需混合后高温烧结，不论是预烧环节、还是正式烧结时，均要精准控制温度,这两个因素影响陶瓷晶粒的大小和密度，继而影响强度和工艺性。
实际生产中，将粉料置于模具内，向压头施加压力，模具内的粉料颗粒经重新排列，压实后成为陶瓷生坯，此时具有一定强度和形状。此生产环节，影响陶瓷生坯性能的因素包括：粘结剂、水分、润滑剂、模具、压力、加压方式、压力保持时间等。陶瓷生坯的致密性，直接影响滤波器的Q值，生产中必须控制好压力及保持时间，经过此那个环节即可进行烧结。
现在也有很多制造商开始采用注塑工艺代替干压工艺，都处于研发阶段，目前的结果来看，从成本、效率、环保、材料特性上干压工艺都更有优势，即使注塑实现自动化的方式更加简单，但注塑工艺难以取代干压工艺，。
        2.3烧结
        烧结需使用高温烧结炉，温度在1000℃以上，将陶瓷素坯变为多晶烧结体，去除杂质、减少气孔，提高机械强度。烧结环节，技术难点是坯体尺寸会收缩，如果收缩率过大，就会影响产品形状与尺寸[3]。对此，必须精准控制坯体的密度，密度一致才能在烧结时减小变形量，减少质量缺陷，为后续工艺处理打下基础。
        2.4金属化处理
        陶瓷只是滤波器的基体，需要导电、传输信号，就必须进行金属化处理，那么银浆质量和工艺，就会影响滤波器的关键性能。从目前的技术来看，对滤波器进行金属化处理，常用工艺有电镀、喷银、真空镀膜、丝网印刷等，经这些工艺处理后，陶瓷介质表面就会形成设计所需要厚度的银层，经烧结炉高温加热，就能变成可导电银层。
        2.5焊接组装（SMT）
        金属化后，SMT主要是把PCB板、介质陶瓷和其他配件焊接组装起来。陶瓷滤波器对信号输出与输入端口的连接要求高，因此焊接组装过程中需要精度要求较高的工装夹具来保证组装件各项要求。现阶段很多制造商根据各自设计的工装夹具配合成熟的SMT行业设备自主开发出全自动的陶瓷滤波器焊接组装产线。
        2.6 自动调试
        滤波器组装后，调试内容主要是通带带宽、插入损耗与回损。基于陶瓷滤波器的特点，调试过程比较复杂，需人工去除表面银层或者磨掉频率孔的陶瓷，使用网络分析仪监测性能参数变化，最后经磨削达到预期性能。在此环节，打磨是不可逆的过程，提高调试效率才能提高产能，满足大批量调试的目标。自动化调试技术，是将滤波器固定在平台上，使用网络分析仪获取各项参数；然后用调试算法软件，对采集到的数据进行分析，根据分析结果确定银层或陶瓷的去除量。如此一来，去除装置、上下料装置、伺服驱动装置和机器人，构成自动化调试系统，在提高调试效率的同时，可显著降低人力成本。
        3．陶瓷滤波器生产中激光技术的应用
        3.1 外观检测
        激光技术在通信领域应用广泛。滤波器金属化处理后，使用激光与视觉技术可以检测外观质量，看镀银层有无缺陷。实际应用中，机械装置和程序的配合，可准确区分良品和不良品，并将不良品抓取出来。一项调查显示，相比于人工检测，激光检测的效率从单个15秒缩短至3秒，能检出15种表面缺陷，误检率和漏检率仅为5%和0.5%[4]。
        3.2 激光制电极
        激光制电极，是根据陶瓷滤波器的运转特点，将运动机构、视觉系统相配合，从而实现半自动化加工。实践表明，激光制电极的优点如下：①单位产能高，且整个加工环节不需要人工干预；②使用运动平移机构，一次可以放置多盘；③利用视觉系统定位，可分辨产品的方向，避免出现误打、漏打等情况；④适用性强，可以兼容多种产品，只要改变夹具即可，操作起来很方便。
        4．结语
        综上所述，陶瓷滤波器具有诸多技术优点，5G时代将成为基站滤波器的主流产品。文章从陶瓷粉体配方、干压成型、烧结、金属化处理、自动调试5个方面，介绍了陶瓷滤波器自动化生产的技术要点。此外，激光技术也具有较高的应用价值，在未来的生产中应用更加广泛。
参考文献：
[1]刘艳红.陶瓷滤波器自动化生产关键技术研究[J].电子质量,2020(8):1-5.
[2]泉州佰桀智能制鞋设备研究院有限公司.一种自动化5G基站陶瓷滤波器生产线:CN201910223011.9[P].2019-06-18.
[3]梁飞,蒙顺良,吕文中.高带外抑制特性微波陶瓷波导滤波器的设计[J].通信学报,2021,42(4):194-201.
[4]卢慧.陶瓷介质L波段滤波器设计[J].电声技术,2021,45(2):54-56.