精密絲網印刷機結構設計

張志耀，張 燕，白 璐

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西太原030024)

隨著微電子信息技術的迅猛發(fā)展，電子整機在小型化、便攜式、多功能、數字化及高可靠性、高性能方面的需求，進一步推動了電子元件日益向微型化、集成化和高頻化的方向發(fā)展，這就要求基板能滿足高傳播速度、高布線密度和大芯片封裝等要求． 為了迎合電子信息產業(yè)的發(fā)展需求，出現了許多新型的組件整合技術，如多芯片組件技術 （multi-chip modules，MCM）、低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceram ic，LTCC)技術和芯片尺寸封裝(chip size package，CSP)技術等。其中LTCC技術以其集成密度高和高頻特性好等優(yōu)異的電學、機械、熱學及工藝特性，成為目前電子元件集成化的主流方式，廣泛應用于電子、通訊、航空航天、汽車、計算機和醫(yī)療等領域[1]。

印刷是LTCC生產工藝流程中的重要環(huán)節(jié)之一，ZSY-250精密絲網印刷機是主要用于LTCC生產線的高精度絲網印刷，完成生瓷基片上的金屬化圖形印刷、孔填充導體漿料印刷。

1 設備結構及工作原理

ZSY-250精密絲網印刷機結構如圖1所示：主要由印刷系統(tǒng)，CCD系統(tǒng)，精密工作臺，機架組成。工作時，首先將待印刷的生瓷片放置于精密工作臺上，CCD系統(tǒng)識別生瓷片上的兩個MARK孔來判斷其當前位置；然后，精密工作臺通過x、y、θ三個方向的運動，精確調整生瓷片到適當位置；完成對位后，工作臺帶動生瓷片整體右移，到達網框下方，由印刷系統(tǒng)對生瓷片進行印刷；最后，工作臺再帶動印刷好的生瓷片返回到CCD下方，完成本次印刷。

圖1 精密絲網印刷機結構圖

1.1 印刷系統(tǒng)

該設備的印刷質量主要體現在印刷圖形在工件上的位置精度和印刷膜厚精度兩方面。其中位置精度主要由CCD系統(tǒng)、精密工作臺決定，印刷膜厚精度、印刷線路質量主要受印刷系統(tǒng)的影響。印刷系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 印刷系統(tǒng)

刮刀水平方向的運動由電機驅動，電機通過同步帶、絲杠帶動刮刀安裝座左右水平運動，依靠行程開關來判斷其運行位置。刮刀安裝座上裝有升降氣缸，氣缸帶動刮刀組件可整體上下運動。

刮刀組件主要由刮刀、回墨刀、可調節(jié)行程氣缸等組成。該部件是本設備的主要工作部件，在刮刀安裝座上的氣缸作用下，刮刀降至大致合適的印刷高度，然后通過可調節(jié)行程的升降氣缸進行微調，以保證漿料膜厚適度，為了使印制于工件表面的漿料膜厚和鋪于網面的漿料膜厚均勻，在刮刀和回墨刀前后各裝有微分頭進行精確調節(jié)，達到刀與網面平行。由于安裝有角度調節(jié)裝置，刮刀、回墨刀的傾角都可在一定范圍內調節(jié)，以保障印刷質量。

網框安裝架主要由升降調節(jié)螺桿、網框壓緊氣缸和百分表等組成，將網框放置網框架上，用4個氣缸壓緊固定，調節(jié)升降調節(jié)螺桿可使網框處于不同高度位置，以適應不同厚度產品的印刷。為了保證調節(jié)螺桿時網框兩側高度一致，在網框架兩側安裝有百分表，以準確調節(jié)網框高度。

1.2 CCD系統(tǒng)

CCD視覺系統(tǒng)主要用來實現生瓷片和網框之間的精確對位。其主體結構如圖3所示，每個CCD相機在x、y、z三個方向上都具有粗調、微調兩級調整結構，通過CCD單元在導軌、導柱上的滑動，以及調整z方向相機的夾持高度實現CCD的粗調；通過z向滑臺以及xy滑臺實現CCD相機的微調對焦。兩級調整結構不僅保證了CCD相機可覆蓋工作臺上的整個載料區(qū)域，而且通過微調還可使CCD達到良好的成像效果，保障了印刷的對位精度。

圖3 CCD視覺系統(tǒng)

1.3 精密工作臺

工作臺的主要作用在于調整生瓷片與網框上印刷圖形的相應位置，工作臺的性能很大程度上決定了印刷的位置精度，在印刷過程中對工作臺的要求包括以下幾點[2]：

(1)工作臺具有x、y、θ向精確微調機構；

(2)工作臺在調整到位后，必須具有鎖緊結構；

(3)工作臺具有z向抬升功能，即工作臺運動至網框下方時能將生瓷片抬升至接近網框位置，以進行印刷，且升降的重復精度必須滿足要求。

本設備工作臺為三層疊放式結構，由下向上依次為x軸、y軸、θ軸。x、y軸的運動均由“伺服電機＋精密絲杠”方式實現，行程范圍為±5 mm，其定位精度可控制在1μm以內。θ軸是通過一定機械結構將絲杠螺母的直線運動轉化為旋轉運動，其轉動范圍為±1.5°。當 x、y、θ、軸定位完成后，采用如圖4所示結構將工作臺鎖緊。

圖4 精密工作臺

鎖緊板通過“直線軸承＋導向柱”結構與工作臺基座相連接，在頂起氣缸作用下可上下運動，鎖緊板上開有負壓腔，當腔體與負壓管路接通時，鎖緊板與載料板被緊緊地壓在一起，以此方式限制了載料板x、y、θ向的自由度，實現鎖緊功能。頂起氣缸的控制氣路如圖5所示，可以用兩種大小不同的氣壓來頂起4個氣缸，即氣缸被頂起時可有兩種不同大小的推力。調節(jié)減壓閥使氣缸推力能將鎖緊板頂起但還不足以將載料板一起頂起。這樣，當需鎖緊工作臺時，壓縮空氣經過減壓閥后作用于頂起氣缸，使鎖緊板與載料板緊密貼合便于負壓腔內形成真空。當需頂起載物板進行印刷時，切換電磁閥，氣路跳過減壓閥直接作用于頂起氣缸，氣缸將載料板一起頂起，實現z向運動，將生瓷片抬升至接近網框位置，以進行印刷。

圖5 頂起氣缸控制氣路圖

1.4 傳動部分

傳動部分位于精密工作臺下方，當工作臺將生瓷片調整對位完成后，傳動部分將載有生瓷片的工作臺拖至網框下方準備印刷。傳動部分結構如圖6所示，電機經過減速器、聯軸器帶動同步帶轉動，同步帶與精密工作臺相連接，從而使電機帶動工作臺運動。

圖6 傳動部分結構圖

2 關鍵技術及創(chuàng)新點

2.1 視覺定位系統(tǒng)

視覺定位的功能主要是完成印刷網框與生瓷片的對位，以保證印刷后的圖形精度。硬件上采用兩個相機分別獲取兩個MARK的位置，利用視覺處理模塊計算偏差，獲得X、Y、θ方向的偏移量，電機動作相應的位移，完成對位。

視覺系統(tǒng)的具體定位過程為：先將工作臺運動至機械原點位置，然后在工作臺上放置一張空白生瓷片，移動工作臺至網框下方，在生瓷片上印刷上MARK孔的圖形，工作臺再移回到原點位置處，兩個CCD對印刷后的MARK圖形進行圖像采集，視覺處理模塊記錄兩MARK的相關信息，得出模板與工作臺的相對位置信息，并將兩MARK作為模板存入系統(tǒng)中，然后就可以進行生瓷片印刷。印刷時，視覺對位系統(tǒng)分別對生瓷片上的兩個MARK標志位進行圖像采集、分析處理圖像，與系統(tǒng)中預先登錄的圖像模板(包括MARK尺寸、位置等信息)進行比對，得出當前生瓷片上MARK位置的偏差值(包括X、Y、θ三個方向的偏差)，通過通訊模塊將偏差數據傳送給PLC，PLC發(fā)出運動指令，X、Y、θ三個電機進行相應運動，完成定位。

2.2 工作臺往復運動的控制

通過CCD圖像采集、視覺處理以及工作臺的精密微調后，即完成了生瓷片的對位，下一步工作臺將帶動生瓷片移動到網框下方，該運動要求運動速度快，且到位后須使工作臺精確定位于一固定位置，因此這個運動采用伺服電機來完成?？刂品绞绞褂梦恢?轉矩控制模式，其結構原理如圖7所示。工作臺在運動過程中，伺服電機采用位置控制模式，到位后轉換為轉矩控制模式，即電機通過一恒定轉矩使工作臺與限位塊始終緊密接觸，以此達到了精確定位工作臺的目的。

圖7 往復機構原理圖

3 市場前景展望

該印刷機的研究成果適用范圍很廣，既可完成LTCC行業(yè)的印刷工藝，也可應用于玻璃板、薄膜、芯片、HIC、MCM、LCD、PPC、膜片、半導體、多層芯片、CSP、SMT的精密印刷。國內現在對此類設備的需求量很大，所以預計此設備的市場前景廣闊。

[1]王睿，悅輝，周濟，杜波.低溫共燒陶瓷技術及其應用[J].硅酸鹽學報，2007，35(S1):125-130.

[2]董彥梅，宋俊耀.BWY－300半自動絲網印刷機的研制[J].科技情報開發(fā)與經濟，2009，19(34):202-204.

[3]熊鋼.低溫共燒陶瓷技術及其應用[J]，硅酸鹽學報，2007，27（3）：34-36.