面陣列凸點(diǎn)按需噴射打印平臺(tái)控制

高勝東，劉榮輝，姚英學(xué)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱）

面陣列凸點(diǎn)按需噴射打印平臺(tái)控制

高勝東，劉榮輝，姚英學(xué)

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，150001哈爾濱）

為實(shí)現(xiàn)面陣列電子封裝互聯(lián)釬料凸點(diǎn)的按需式噴射打印，建立一套釬料金屬微熔滴按需噴射打印沉積三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，并在PC＋運(yùn)動(dòng)控制卡的基礎(chǔ)上，利用LabVIEW開發(fā)了一套微滴噴射打印平臺(tái)多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).控制系統(tǒng)可根據(jù)互聯(lián)凸點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)信息，利用蟻群算法對釬料凸點(diǎn)噴射打印過程中平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行優(yōu)化，能有效地提高噴射打印效率，實(shí)現(xiàn)了凸點(diǎn)打印平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制.用激光干涉儀對平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中的定位精度及重復(fù)定位精度的測量結(jié)果表明，平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)滿足球柵陣列（BGA）封裝凸點(diǎn)打印的精度要求.

封裝；釬料凸點(diǎn)；按需噴射；多軸運(yùn)動(dòng)控制；路徑規(guī)劃；蟻群算法

球柵陣列（BGA）封裝、芯片尺寸封裝（CSP）等面陣列形式的集成電路微電子封裝的I／O引腳以圓形或柱狀焊點(diǎn)按陣列形式分布在封裝下面，大量應(yīng)用在信息家電、無線網(wǎng)絡(luò)、手機(jī)芯片等新型產(chǎn)品中［1-2］.已開發(fā)的釬料凸點(diǎn)制作技術(shù)主要有金屬模蒸發(fā)沉積技術(shù)、模板印刷方法和釬料球植球-重熔法等，目前商用的基于BGA芯片的精密激光植球設(shè)備的定位精度為±30 μm［3］.

均勻微熔滴沉積制造是一種新型的快速成型技術(shù)［4-5］，其主要原理是用振動(dòng)迫使熔融材料以微滴的形式由噴嘴噴出后，通過精確控制沉積平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，與微滴的噴射過程互相配合來控制微滴沉積位置、微滴飛行距離等參數(shù)，沉積形成所需圖案及結(jié)構(gòu)，此技術(shù)可應(yīng)用于面陣列微電子封裝互聯(lián)凸點(diǎn)印刷以及噴射打印電路等領(lǐng)域.

針對微電子封裝的技術(shù)要求，國內(nèi)外研究者開發(fā)了不同的互聯(lián)凸點(diǎn)制作裝置，華中科技大學(xué)利用噴墨打印機(jī)控制技術(shù)建立了一套壓電式噴射三維打印系統(tǒng)［6-7］；吉林大學(xué)利用運(yùn)動(dòng)控制卡和直線電機(jī)建立了壓電驅(qū)動(dòng)噴射點(diǎn)膠的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)［8］，具有較高的運(yùn)動(dòng)精度；上海交通大學(xué)采用運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償技術(shù)，建立了基于Visual C＋＋平臺(tái)的BGA激光植球系統(tǒng)［3］.但目前尚沒有針對面陣列封裝釬料凸點(diǎn)分布信息而進(jìn)行靈活打印的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng).

本文在已建立的基于LabVIEW的按需式噴射打印信號(hào)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及噴射過程圖像采集及處理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了一個(gè)多軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)及其控制系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)打印平臺(tái)運(yùn)動(dòng)的精確控制，并且根據(jù)互聯(lián)凸點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)對運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行規(guī)劃，滿足在單噴嘴的條件下進(jìn)行靈活噴射與快速精確沉積打印的需求.由于已開發(fā)的微滴噴射波形驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與圖像處理系統(tǒng)都是基于LabVIEW進(jìn)行設(shè)計(jì)，本文中沉積平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)采用LabVIEW開發(fā)工具配合運(yùn)動(dòng)控制卡進(jìn)行平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì).

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

微滴噴射打印系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由3部分組成：驅(qū)動(dòng)波形發(fā)生系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、圖像采集及處理系統(tǒng).在噴射打印之前需對液滴噴射參數(shù)進(jìn)行確定，實(shí)現(xiàn)按需噴射；在噴射的過程中，實(shí)時(shí)地獲取噴射出來的液滴的圖像進(jìn)行處理，獲得液滴噴射的速度、液滴的圓度等重要參數(shù)，將分析結(jié)果反饋到驅(qū)動(dòng)波形控制程序中，以便驅(qū)動(dòng)程序?qū)︱?qū)動(dòng)波形參數(shù)進(jìn)行調(diào)整.根據(jù)噴射打印沉積的數(shù)據(jù)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)需要與微滴噴射驅(qū)動(dòng)信號(hào)配合，當(dāng)運(yùn)動(dòng)到凸點(diǎn)沉積位置時(shí)，噴射驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)波形信號(hào)驅(qū)動(dòng)按需式微熔滴發(fā)生器噴射出一個(gè)微熔滴，沉積后實(shí)現(xiàn)噴射打印過程.

圖1 微滴噴射沉積加工系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)行程為200 mm× 200 mm×200 mm，用絲杠螺母作為傳動(dòng)裝置，選用歐姆龍的EE-SX674型光電傳感器作為限位開關(guān).X軸方向的直線導(dǎo)軌的導(dǎo)程為10 mm，重復(fù)定位精度為±0.003 mm，定位精度為0.025 mm.Y、Z方向的直線導(dǎo)軌導(dǎo)程為5 mm，重復(fù)定位精度為±0.003 mm，定位精度為0.020 mm.

整個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)硬件平臺(tái)如圖2所示.

圖2 打印沉積運(yùn)動(dòng)平臺(tái)

系統(tǒng)采用PC和運(yùn)動(dòng)控制卡方式，運(yùn)動(dòng)控制卡選用NI公司的PCI-7354，可以同時(shí)進(jìn)行4路電機(jī)控制信號(hào)的輸出，內(nèi)置8路16位模擬輸入，便于編碼器反饋.運(yùn)動(dòng)平臺(tái)選用安川電機(jī)SGMJV系列伺服電機(jī)，選擇位置控制模式進(jìn)行控制.

2 基于LabVIEW的多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為打印數(shù)據(jù)的讀取與處理和運(yùn)動(dòng)程序的編制.主要設(shè)計(jì)流程如下：程序開始后，先將坐標(biāo)文件中的所有數(shù)據(jù)讀取到程序中，進(jìn)行路徑規(guī)劃處理形成新的坐標(biāo)文件，然后依次讀取新的坐標(biāo)文件中的數(shù)據(jù)點(diǎn)坐標(biāo)并驅(qū)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，判斷是否達(dá)到終點(diǎn)，到達(dá)終點(diǎn)后結(jié)束運(yùn)動(dòng)程序，否則就根據(jù)坐標(biāo)的差值進(jìn)行運(yùn)動(dòng).運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)組成框圖如圖3所示.

電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制程序主要分為以下兩個(gè)部分：初始化和運(yùn)動(dòng)軌跡控制.本系統(tǒng)利用各個(gè)坐標(biāo)軸上的限位開關(guān)進(jìn)行零點(diǎn)的定位.NI Motion中提供了一個(gè)尋找參考點(diǎn)的VI，利用One?Axis Home＆Index子VI實(shí)現(xiàn)初始化［9］.

在控制系統(tǒng)中可以選擇控制方式、對應(yīng)的軸、運(yùn)動(dòng)的距離對運(yùn)動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行微調(diào).由于要進(jìn)行精確控制，故在配置伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)，設(shè)置其電子齒輪減速比為1／10.運(yùn)動(dòng)控制卡驅(qū)動(dòng)方式選擇P?Command驅(qū)動(dòng)器方式，可實(shí)現(xiàn)位置誤差檢查.控制系統(tǒng)的主控制程序?yàn)槿S運(yùn)動(dòng)控制，不僅可以控制各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)位置，還可以控制運(yùn)動(dòng)速度和加速度，并且可以分別設(shè)定啟動(dòng)的加速度和停止的加速度，同時(shí)還可以實(shí)時(shí)讀取各軸的位置并返回，另外提供了緊急停止程序的按鈕，以防發(fā)生意外情況.

圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖

實(shí)現(xiàn)上面的各個(gè)模塊后，通過一個(gè)主程序?qū)ι厦娓髂K進(jìn)行集成，同時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)脈沖計(jì)算，以滿足對系統(tǒng)的整體要求.系統(tǒng)前控制面板可以直觀地設(shè)置控制參數(shù)和顯示程序結(jié)果.在前面板中可以對運(yùn)動(dòng)控制卡ID和坐標(biāo)文件路徑進(jìn)行選擇，并且可以對坐標(biāo)文件的坐標(biāo)間距和絲杠螺距進(jìn)行設(shè)定.同時(shí)還可以對電機(jī)的運(yùn)動(dòng)速度和加速度進(jìn)行設(shè)定，并可以通過返回的坐標(biāo)值來判斷程序運(yùn)行的正確性．

3 路徑規(guī)劃算法及其實(shí)現(xiàn)

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中設(shè)定打印數(shù)據(jù)以坐標(biāo)形式給出，根據(jù)坐標(biāo)值便可以計(jì)算出相應(yīng)的電機(jī)的位移，從而規(guī)范了數(shù)據(jù)格式.默認(rèn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)文件存放在由Excel創(chuàng)建的.xls文件中.這樣便于對數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯，也方便將數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫文件中導(dǎo)出.通過對LabVIEW中ActiveX數(shù)據(jù)接口的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)文件的讀?。?0］.

由于面陣列集成電路互聯(lián)凸點(diǎn)在電路板上的布置以陣列形式存在，當(dāng)給定需要打印的凸點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)沿規(guī)定坐標(biāo)順序運(yùn)動(dòng)，打印前需要對運(yùn)動(dòng)路徑進(jìn)行處理，找到一條便于運(yùn)動(dòng)的路線.將工作平臺(tái)抽象成一張二維的網(wǎng)格圖，將用戶給定的數(shù)據(jù)作為坐標(biāo)，需要找到一條訪問每個(gè)待打印的點(diǎn)至少一次，且能夠保證總的路程較短、規(guī)劃較為合理的路徑.這類問題被歸結(jié)為旅行商類問題（TSP），屬于組合優(yōu)化范疇［11］.該類問題利用窮舉法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃算法、遺傳算法等傳統(tǒng)啟發(fā)式算法進(jìn)行求解效率過低［12］，本系統(tǒng)采用蟻群算法進(jìn)行TSP類問題的求解［13-15］.針對打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的要求，對蟻群算法進(jìn)行改進(jìn)，加入反饋機(jī)制，使計(jì)算結(jié)果更加趨近于絕對最優(yōu)解.

在本系統(tǒng)中，假設(shè)t時(shí)刻位于點(diǎn)i的螞蟻數(shù)目為ai（i），在t時(shí)刻路徑（i，j）的信息量為τij（t），i點(diǎn)到j(luò)點(diǎn)的距離用dij表示．由于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)X-Y軸各自獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，故兩點(diǎn)之間的距離定義為兩點(diǎn)的橫坐標(biāo)之差的絕對值與縱坐標(biāo)之差的絕對值之和．設(shè)所有用戶數(shù)據(jù)集合為N，數(shù)據(jù)規(guī)模（即用戶數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量）為n，則可得到系統(tǒng)中搜索螞蟻的總數(shù)量為．設(shè)定蟻群中螞蟻的總數(shù)等于數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，即m＝n．設(shè)螞蟻s行走的點(diǎn)集合為L（s），初始時(shí)L（s）為空集，1≤s≤m．k表示整個(gè)算法循環(huán)次數(shù)，ηij表示由點(diǎn)i到點(diǎn)j的期望程度，稱之為啟發(fā)式函數(shù)：

算法執(zhí)行過程如下：

首先設(shè)置算法的停止規(guī)則為k＜500．

步驟1 判斷是否滿足算法的停止規(guī)則，如果滿足，則停止計(jì)算，輸出當(dāng)前計(jì)算的最短路徑以及最短距離；否則，則使螞蟻s從起點(diǎn)i0出發(fā)進(jìn)行訪問．

步驟2 將螞蟻按照1≤s≤m的順序分別進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)螞蟻在點(diǎn)i時(shí)，對L（s）進(jìn)行判斷，如果L（s）≠N，則根據(jù)式（1）對點(diǎn)j進(jìn)行訪問判斷［16］：

其中：Jk＝｛N-tk｝，表示螞蟻下一步允許選擇的點(diǎn)；tk稱為禁忌表，用來記錄螞蟻k所有已經(jīng)走過的點(diǎn)；α、β是給定的系統(tǒng)參數(shù)，分別代表信息素的強(qiáng)弱和兩點(diǎn)距離遠(yuǎn)近對螞蟻選擇下一坐標(biāo)的影響程度，其中α稱為信息啟發(fā)式因子，其值越大，螞蟻越容易選擇其他螞蟻?zhàn)哌^的路徑，在本系統(tǒng)中取值為1；β為期望啟發(fā)式因子，反映了螞蟻受距離因素對其下一點(diǎn)判斷的影響，這里取值為2；q是在［0，1］區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)數(shù)，q0（0≤q0≤1）為系統(tǒng)設(shè)定的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)則的限定值，其大小決定了利用之前結(jié)果與探索新路徑之間的相對重要性．為了使計(jì)算較為簡單，取q0＝0.9．當(dāng)q≤q0時(shí)，該螞蟻則根據(jù)之前的計(jì)算結(jié)果選擇路徑，否則，該螞蟻就根據(jù)式（2）進(jìn)行對新路徑的探索［17］：

若Jk≠Φ，則訪問后，L（s）＝L（s）∪｛j｝；若Jk＝Φ，則訪問后，L（s）＝L（s）∪｛i0｝．重復(fù)步驟2的計(jì)算．

如果L（s）＝N或Jk＝Φ，則完成對第s只螞蟻的計(jì)算，進(jìn)行步驟3的計(jì)算．

步驟3 對于1≤s≤m，如果L（s）＝N，則按照L（s）中點(diǎn)的順序計(jì)算路徑總長度，記為f（L（s））；若L（s）≠N，則將路徑長度置為無窮大．對m只螞蟻的路徑長度進(jìn)行比較，記其中走最短路徑的螞蟻為r，此次搜索之前已經(jīng)得到的最短路徑為W（f（W）初始化為無窮大），若f（L（t））＜f（W），則令W＝L（t）．

然后利用式（3）對W路徑上的信息素痕跡進(jìn)行加強(qiáng)，對其他路徑上的信息素進(jìn)行揮發(fā)［18］：

式中，揮發(fā)因子ρk對于一個(gè)固定的循環(huán)次數(shù)k≥1，滿足如下關(guān)系：

式（4）說明如果一條邊不是最優(yōu)路徑，在經(jīng)過k次揮發(fā)后，其信息素逐漸減少至消失［17］．根據(jù)式（3）、（4），可以得到新的τij（k），令k＝k＋1，重復(fù)步驟1．

算法中只有全局最優(yōu)的螞蟻才被允許釋放信息素，其目的是保證螞蟻的搜索主要集中在當(dāng)前循環(huán)為止所找出的最好路徑的領(lǐng)域內(nèi)，可以有效地避免螞蟻收斂到同一路徑，且減少了無效搜索的次數(shù)［17］.采用信息素?fù)]發(fā)的機(jī)制，目的是為了增大那些沒有被訪問到的邊的搜索概率，有助于搜索區(qū)域的擴(kuò)展，防止了系統(tǒng)過早陷入局部最小值，使系統(tǒng)具有了負(fù)反饋的功能［19］.而采用了信息素增強(qiáng)過程可以實(shí)現(xiàn)由單個(gè)螞蟻無法實(shí)現(xiàn)的集中行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)路徑上的信息素增強(qiáng)，使系統(tǒng)具有了正反饋的功能.這樣可以使整個(gè)規(guī)劃系統(tǒng)具有正負(fù)反饋功能，提高了系統(tǒng)的精度，也對系統(tǒng)的搜索進(jìn)行了優(yōu)化.算法最終結(jié)束時(shí)，蟻群記憶了到目前為止的最優(yōu)路徑及對應(yīng)的最短距離.

該蟻群算法無法在LabVIEW中直接實(shí)現(xiàn)，利用Matlab語言編寫M文件，利用Visual C＋＋將M文件編譯為dll文件，然后在LabVIEW中進(jìn)行調(diào)用，實(shí)現(xiàn)路徑的規(guī)劃.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

控制系統(tǒng)運(yùn)行后，首先進(jìn)行運(yùn)動(dòng)路徑的規(guī)劃.圖4為進(jìn)行路徑規(guī)劃前后運(yùn)動(dòng)路線的對比，圖4（a）表示根據(jù)凸點(diǎn)分布數(shù)據(jù)沒有進(jìn)行路徑規(guī)劃時(shí)的運(yùn)動(dòng)路徑，此時(shí)運(yùn)動(dòng)過程中運(yùn)動(dòng)的總路程為73個(gè)坐標(biāo)單位；圖4（b）表示進(jìn)行路徑規(guī)劃后的運(yùn)動(dòng)路徑，可計(jì)算運(yùn)動(dòng)的總路程為39個(gè)坐標(biāo)單位.路徑規(guī)劃之后的運(yùn)動(dòng)路程較未規(guī)劃時(shí)的路程減少了46%，有效提高了效率.

圖4 路徑規(guī)劃前后運(yùn)動(dòng)路線的對比

平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度利用API公司的XD6多維激光干涉儀進(jìn)行精度測量.凸點(diǎn)噴射打印由X-Y方向運(yùn)動(dòng)決定，故只進(jìn)行X、Y軸直線導(dǎo)軌進(jìn)行定位精度、重復(fù)定位精度的測量．本運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了路徑規(guī)劃工作，打印過程中會(huì)出現(xiàn)反復(fù)變向的運(yùn)動(dòng)，故在進(jìn)行定位精度測量時(shí)，不進(jìn)行反向間隙的消除工作．在得到X、Y軸的雙向測量數(shù)據(jù)后，利用殘差法對兩軸導(dǎo)軌的反向間隙進(jìn)行計(jì)算．采用消除反向間隙之后，正向逆向?qū)ν稽c(diǎn)進(jìn)行4次測量的方式進(jìn)行該運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的重復(fù)定位精度的測量．本實(shí)驗(yàn)以零點(diǎn)的重復(fù)定位精度為例．X、Y軸定位精度與原點(diǎn)處的重復(fù)定位精度測量結(jié)果見表1．

表1 X、Y軸定位精度與原點(diǎn)處重復(fù)定位精度測量結(jié)果／μm

兩軸的定位精度均達(dá)到目前BGA系統(tǒng)的定位精度要求.Y軸的定位精度比X軸的定位精度稍差，其原因是Y軸上負(fù)載較大，且負(fù)載并非均勻加載于Y軸上，造成了Y軸產(chǎn)生了撓曲變形，使其定位精度變差．但兩軸的原點(diǎn)處重復(fù)定位精度均較高，兩軸的重復(fù)定位精度均滿足系統(tǒng)的要求．

5 結(jié) 論

1）針對面陣列封裝凸點(diǎn)微熔滴噴射打印過程，搭建了三軸凸點(diǎn)打印運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，開發(fā)了基于LabVIEW的微滴噴射打印平臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)控制.

2）在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中利用蟻群算法進(jìn)行了面陣列互聯(lián)凸點(diǎn)打印平臺(tái)運(yùn)動(dòng)路徑的優(yōu)化，經(jīng)驗(yàn)證，控制系統(tǒng)可減少運(yùn)動(dòng)距離，有效提高打印效率.

3）對運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的定位精度及重復(fù)定位精度進(jìn)行了測量，可滿足面陣列BGA封裝凸點(diǎn)打印的精度要求.

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（編輯 楊 波）

Plane array package interconnect bump drop?on?demand printing platform control system

GAO Shengdong，LIU Ronghui，YAO Yingxue

（School of Mechanical Engineering，Harbin Institute of Technology，150001 Harbin，China）

A micro?droplet printing deposition 3?axis motion platform was established to achieve efficient plane array package interconnect solder bumps jet printing.The platform and the multi?axis motion control system were developed based on LabVIEW，with the structure of“PC＋motion control card”.According to the coordinate data of the solder bumps，the jet printing movement path optimization was realized with ant colony algorithm，and the efficiency of movement was also improved effectively.A laser interferometer was used to measure the repeatability and positioning accuracy of the motion platform，and the results showed that the motion platform could meet the accuracy requirement of the BGA packaging technology.

packaging；solder bump；drop?on?demand；multi?axis motion control；path planning；ant colony algorithm

TH16

：A

：0367-6234（2014）11-0037-05

2013-12-18.

國家自然科學(xué)基金（51075090）；中國博士后科學(xué)基金（2011M500655）；中國博士后科學(xué)基金特別資助（2012T50341）.

高勝東（1973—），男，副教授；

姚英學(xué)（1962—），男，教授，博士生導(dǎo)師.

高勝東，sdgao＠hit.edu.cn.