LTCC印刷機(jī)精度控制系統(tǒng)分析

呂琴紅++閆文娥

文章編號(hào)：2095-6835（2017）10-0017-02

摘 要：簡(jiǎn)要分析了與印刷機(jī)精度相關(guān)的4個(gè)系統(tǒng)的特征，著重研究了視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)和自動(dòng)對(duì)位過(guò)程，提出了提高平臺(tái)運(yùn)動(dòng)精度的方法。分析結(jié)果表明，視覺(jué)對(duì)位采用雙相機(jī)對(duì)位，平臺(tái)運(yùn)動(dòng)采用UVW平臺(tái)和伺服電機(jī)力矩模式定位，刮刀升降采用伺服電機(jī)和梯形絲杠定位，印刷壓力采用電氣比例閥控制，可以實(shí)現(xiàn)精確控制，使印刷重復(fù)定位精度達(dá)±0.01 mm。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)印刷機(jī)；視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)；平臺(tái)運(yùn)動(dòng)定位；印刷壓力

中圖分類(lèi)號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.017

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics）簡(jiǎn)稱(chēng)LTCC，是將陶瓷材料作為電路的介電層，將低容值電容、電阻、阻抗轉(zhuǎn)換器、濾波器、耦合器等被動(dòng)元件埋入陶瓷基板中，應(yīng)用金、銀、銅等金屬作為內(nèi)外層電極，以平行印刷模式涂布電路，在低于900 ℃的燒結(jié)爐中燒結(jié)成陶瓷元件或基板。

LTCC多層基板生產(chǎn)工藝流程是，流延、裁片、沖孔、填孔印刷、線路印刷、疊片、靜壓、切割和燒結(jié)。其中，印刷包括2個(gè)環(huán)節(jié)，即填孔印刷和線路印刷。填孔印刷是將過(guò)孔填充劑填入過(guò)孔中，將其作為層與層之間電路連接的垂直通路，以制備多層陶瓷基板內(nèi)部的過(guò)孔。線路印刷是將導(dǎo)電漿料或介質(zhì)材料印刷在陶瓷片上，用以制作電氣互聯(lián)的導(dǎo)線和印刷元器件，即電阻、電容、壓敏電阻等。

印刷作為關(guān)鍵工序之一，要保證其質(zhì)量。印刷質(zhì)量未達(dá)到要求，會(huì)直接導(dǎo)致電路短路或電路斷路。印刷質(zhì)量即印刷精度，它包含工藝精度和設(shè)計(jì)精度。工藝精度是印刷過(guò)程中工藝參數(shù)的匹配問(wèn)題，需要在實(shí)驗(yàn)中摸索才能得到一套較完善的工藝參數(shù)——印刷速度、印刷壓力、漿料配比、離網(wǎng)距離等；設(shè)計(jì)精度是印刷機(jī)定位精度，即印刷機(jī)本身能夠達(dá)到的重復(fù)定位精度。本文只分析印刷重復(fù)定位精度，而系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)將印刷重復(fù)定位精度確定為±0.01 mm。

1 印刷基本原理

利用絲網(wǎng)圖形部分網(wǎng)孔透漿料，非圖文部分網(wǎng)孔不透漿料的基本原理印刷。印刷時(shí)，在絲網(wǎng)一端倒入漿料，用刮刀在絲網(wǎng)的漿料部位施加一定壓力，同時(shí)，朝絲網(wǎng)另一端移動(dòng)。漿料在移動(dòng)中被刮刀從圖形部分的網(wǎng)孔中擠壓到基片上。由于漿料的黏性作用，使得印跡固著在一定范圍內(nèi)。在印刷過(guò)程中，刮刀始終與絲網(wǎng)印版和承印物呈線接觸，接觸線隨刮刀移動(dòng)而移動(dòng)。由于絲網(wǎng)與承印物之間保持一定的間隙，使得印刷時(shí)的絲網(wǎng)通過(guò)自身的張力而產(chǎn)生對(duì)刮刀的反作用力，這個(gè)反作用力被稱(chēng)為回彈力。由于回彈力的作用，使絲網(wǎng)與基片只呈移動(dòng)式線接觸，而絲網(wǎng)其他部分與承印物為脫離狀態(tài)，保證了印刷尺寸精度，也在一定程度上避免了承印物被污染。當(dāng)刮刀刮過(guò)整個(gè)印刷區(qū)域后升起，絲網(wǎng)也脫離基片，工作臺(tái)返回到初始位置，即為一個(gè)印刷過(guò)程結(jié)束。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及原理

印刷重復(fù)定位精度包含以下4個(gè)方面的內(nèi)容：①視覺(jué)對(duì)位精度；②工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)位置精度；③刮刀升降位置精度；④印刷壓力精度。

對(duì)此，印刷機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)了由視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、刮刀升降控制系統(tǒng)和印刷壓力控制系統(tǒng)組成的印刷機(jī)精度控制系統(tǒng)。

2.1 視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)

印刷機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)采用雙相機(jī)對(duì)位方式，而視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)硬件主要包括2個(gè)相機(jī)、2個(gè)環(huán)形光源、2個(gè)鏡頭、圖像采集處理模塊。2個(gè)相機(jī)位置固定，分別對(duì)2個(gè)Mark進(jìn)行圖像采集和識(shí)別，圖像采集處理模塊負(fù)責(zé)圖像的采集、處理。

2.1.1 視覺(jué)對(duì)位過(guò)程

工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)至機(jī)械原點(diǎn)位置，工作臺(tái)上放置1張空白生瓷片，工作臺(tái)移動(dòng)至網(wǎng)版下方，在生瓷片上印刷Mark孔的圖形，印刷后工作臺(tái)移回到原點(diǎn)位置處，2個(gè)相機(jī)對(duì)印刷后的Mark圖形進(jìn)行圖像采集，視覺(jué)處理模塊記錄2個(gè)Mark的相關(guān)信息，得出網(wǎng)版與工作臺(tái)的相對(duì)位置信息，并將2個(gè)Mark作為模板存入系統(tǒng)中，之后可進(jìn)行生瓷片印刷。印刷時(shí)，視覺(jué)對(duì)位系統(tǒng)分別對(duì)生瓷片上的2個(gè)Mark標(biāo)志位進(jìn)行圖像采集、分析處理，與系統(tǒng)中預(yù)先登錄的圖像模板包括Mark尺寸、位置等信息進(jìn)行比對(duì)，得出當(dāng)前生瓷片上Mark位置的偏差值，平臺(tái)根據(jù)偏差值執(zhí)行對(duì)位動(dòng)作。

2.1.2 自動(dòng)對(duì)位流程

自動(dòng)對(duì)位過(guò)程是將相機(jī)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為平臺(tái)坐標(biāo)系的過(guò)程。自動(dòng)對(duì)位處理流程如下：相機(jī)對(duì)Mark拍照，圖像處理模塊將采集到的圖像與標(biāo)準(zhǔn)Mark模板作對(duì)比，算出作為基準(zhǔn)位置的對(duì)象物——網(wǎng)版上的Mark位置與移動(dòng)物——生瓷片上的Mark位置之間的偏移量，并據(jù)此給出平臺(tái)X，Y，θ各個(gè)方向的對(duì)位偏移量，工作臺(tái)進(jìn)行3個(gè)方向的移動(dòng)對(duì)位。如果有一次沒(méi)有將Mark偏移量納入對(duì)位目標(biāo)值（判定二值化極限值），則重復(fù)操作，直到進(jìn)入目標(biāo)值為止，對(duì)位動(dòng)作完成。自動(dòng)對(duì)位工藝流程如圖1所示。圖2是對(duì)位前后的位置示意圖，圖中黑十字表示對(duì)位Mark。

2.2 平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)

平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)包括XYθ方向運(yùn)動(dòng)和平臺(tái)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。

印刷機(jī)采用UVW平臺(tái)，將三軸運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)在同一個(gè)平面上，是一種并聯(lián)機(jī)構(gòu)；設(shè)計(jì)優(yōu)化前采用XYθ平臺(tái)，下層為Y向或X向運(yùn)動(dòng)，最上層為θ旋轉(zhuǎn)，三層結(jié)構(gòu)層次疊加，是一種串聯(lián)機(jī)構(gòu)。UVW平臺(tái)的載荷均分，具有高的承載能力，并且三軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，避免了累積誤差的產(chǎn)生。另外，UVW平臺(tái)的重復(fù)定位精度為±1 μm，提高了印刷機(jī)精度控制的可靠性。UVW平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖3所示，XYθ平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

工作臺(tái)UVW的3個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)了3個(gè)方向的位移調(diào)整，實(shí)現(xiàn)生瓷片與模板的精確對(duì)位。生瓷片放置在工作臺(tái)的多孔石上，在進(jìn)行生瓷片與模板對(duì)位時(shí)，通過(guò)與視覺(jué)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，工作臺(tái)X，Y，θ3個(gè)方向按照指定位移量移動(dòng)，以帶動(dòng)生瓷片運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)位。由于這部分運(yùn)動(dòng)對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的要求相對(duì)比較低，結(jié)合空間安裝尺寸、成本等因素，工作臺(tái)的U，V，W均采用5相步進(jìn)電機(jī)實(shí)現(xiàn)。

平臺(tái)的往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)是將生瓷片運(yùn)送到網(wǎng)框下方，實(shí)現(xiàn)生瓷片在上料工位與印刷工位之間的傳送。這個(gè)運(yùn)動(dòng)要求運(yùn)動(dòng)速度快，且到位后需有一定的力矩將工作臺(tái)精確定位于一個(gè)固定位置，因此，采用伺服電機(jī)來(lái)控制，控制方式使用位置與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換的控制模式。設(shè)備運(yùn)動(dòng)時(shí)，采用位置控制方式，到位后使用力矩方式控制。

2.3 刮刀升降控制系統(tǒng)

刮刀升降運(yùn)動(dòng)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)梯形絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而絲杠螺母升降運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)印刷機(jī)構(gòu)升降。升降電機(jī)選用伺服電機(jī)帶抱閘控制，由于傳動(dòng)系統(tǒng)中采用同步帶驅(qū)動(dòng)，屬于柔性傳動(dòng)，無(wú)法保證在印刷壓力的作用下網(wǎng)框位置固定，所以，采用梯形絲杠的自鎖功能，實(shí)現(xiàn)雙向升降鎖定。

2.4 印刷壓力控制系統(tǒng)

印刷壓力，即刮刀印刷時(shí)的壓力。刮刀的作用是，將漿料以一定的速度和角度將壓入絲網(wǎng)的漏孔中。在印刷時(shí)，刮刀對(duì)絲網(wǎng)保持一定的壓力，壓力過(guò)大容易使絲網(wǎng)變形，印刷后的圖形與絲網(wǎng)的圖形不一致，從而加劇刮刀和絲網(wǎng)的磨損；刮板壓力過(guò)小，印刷后的絲網(wǎng)上會(huì)存在殘留漿料。

刮刀一般為聚胺脂橡膠或氟化橡膠材料，硬度范圍為邵氏A60°～A90°，刮板條的硬度越低，印刷圖形的厚度越大。刮刀材料必須耐磨，刃口有很好的直線性，保持與絲網(wǎng)的全接觸。

印刷機(jī)壓力的控制采用電氣比例閥和精密減壓閥實(shí)現(xiàn)，通過(guò)精確調(diào)節(jié)電氣比例閥和精密減壓閥控制刮刀和回墨刀下降后的印刷壓力和背壓，從而使刮刀和回墨刀以一個(gè)恒定的作用力作用在絲網(wǎng)上，獲得最佳的印刷效果。同時(shí)，通過(guò)控制多個(gè)電磁閥的通、斷時(shí)序?qū)崿F(xiàn)刮刀、回墨刀的快速上升和殘壓釋放。印刷壓力控制氣路如圖5所示。

氣路設(shè)計(jì)中考慮了負(fù)壓吸附能力、負(fù)壓和正壓調(diào)節(jié)的方便性、排出氣體的噪聲控制、潔凈度控制等。使用過(guò)濾閥對(duì)壓縮空氣進(jìn)行過(guò)濾處理，保證設(shè)備潔凈度要求；在負(fù)壓發(fā)生器尾部安裝消音器，以減小抽氣時(shí)的噪聲；在氣缸本體安裝調(diào)速閥，控制氣缸動(dòng)作的速度；在管路中安裝調(diào)速閥調(diào)整正壓，進(jìn)而調(diào)整負(fù)壓。

3 結(jié)束語(yǔ)

印刷機(jī)精度控制系統(tǒng)包含了4大系統(tǒng)的控制，即視覺(jué)定位系統(tǒng)、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、刮刀升降控制系統(tǒng)和印刷壓力控制系統(tǒng)。單個(gè)系統(tǒng)的精度達(dá)到最好，并且能夠相互匹配運(yùn)行，才能有效提高印刷機(jī)自身的精度。如果要提高印刷質(zhì)量，在印刷過(guò)程中找到一套完善的工藝參數(shù)是至關(guān)重要的。因此，印刷機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)與工藝參數(shù)完美結(jié)合，才能達(dá)到最好的印刷效果，即表現(xiàn)為印刷線條與圖形的重合度，線條的均勻性、連續(xù)性等。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：呂琴紅（1976—），山西太原人，高級(jí)工程師，主要從事微組裝技術(shù)及工藝設(shè)備研究方面的工作。

〔編輯：白潔〕