基于機(jī)器視覺(jué)的SMT全自動(dòng)錫膏印刷技術(shù)深度研究

0 引言

表面組裝技術(shù)（SMT）于二十世紀(jì)60年代起步，80年代開(kāi)始快速增長(zhǎng)，于90年代穩(wěn)定發(fā)展，目前已逐步進(jìn)入成熟階段，是當(dāng)代電子產(chǎn)品組裝的主流技術(shù)。自從SMT技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，電子產(chǎn)品的集成度更高，產(chǎn)品的性能更加可靠，高頻特性好，而且便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，大大提高了生產(chǎn)效率，有效地節(jié)省了人力、時(shí)間和材料成本。成本的降低使得集成電路也從航天航空等一系列高技術(shù)產(chǎn)品逐步推廣到通訊、計(jì)算機(jī)等民用產(chǎn)品中，豐富了人們的日常生活[1]。但是因?yàn)镾MT產(chǎn)品加工工序較多，而且每道工序都會(huì)對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量造成影響。SMT組裝技術(shù)的三大關(guān)鍵工序依次是錫膏印刷、元器件貼裝和再流焊工藝，其中錫膏印刷目的就是把錫膏準(zhǔn)確無(wú)誤地分配到指定的SMB焊盤(pán)上，是SMT產(chǎn)品加工地第一道工序，也是至關(guān)重要的一個(gè)工序。通過(guò)分析大量數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示大約60%-70%的電子產(chǎn)品組裝缺陷都是在錫膏印刷環(huán)節(jié)造成的。如果第一道工序出現(xiàn)問(wèn)題，后面的一切工作都是徒勞無(wú)功的。

關(guān)鍵詞:機(jī)器視覺(jué)、錫膏印刷、印刷參數(shù)

隨著電子產(chǎn)品逐漸向短、小、輕、薄化方向發(fā)展，0201甚至01005等小尺寸封裝的片式元件，以及QFP、BGA、FC和CSP等細(xì)間距器件開(kāi)始逐漸大量應(yīng)用，同時(shí)隨著綠色環(huán)保要求，無(wú)鉛化工藝也開(kāi)始逐漸取代有鉛工藝，這些都對(duì)錫膏印刷設(shè)備及印刷工藝提出了更高的要求。要正確地使用錫膏，滿足細(xì)間距及無(wú)鉛化要求，做好印刷工藝管控，防止焊后缺陷的發(fā)生，才能有效地做好焊錫膏印刷品質(zhì)與控制。

1 方案設(shè)計(jì)

本論文在以往SMT表面組裝技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)SMB錫膏印刷過(guò)程中出現(xiàn)的印刷缺陷進(jìn)行分析，同時(shí)分析印刷生產(chǎn)流程中容易產(chǎn)生的問(wèn)題，重點(diǎn)是對(duì)細(xì)間距器件的印刷缺陷進(jìn)行分析研究，通過(guò)改進(jìn)印刷機(jī)鋼網(wǎng)調(diào)整結(jié)構(gòu)和視覺(jué)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)，提高印刷精度，減小印刷缺陷，提高印刷品質(zhì)，從而提升SMT組裝電路板品質(zhì)，提高產(chǎn)品直通率，并進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。方案設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

圖1 方案設(shè)計(jì)流程圖

2 軟硬件設(shè)計(jì)

對(duì)基于機(jī)器視覺(jué)的全自動(dòng)印刷技術(shù)進(jìn)行研究，首先是了解全自動(dòng)錫膏印刷機(jī)主要結(jié)構(gòu)及功能，主要是對(duì)鋼網(wǎng)、印刷機(jī)視覺(jué)模塊等軟硬件進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

2.1 全自動(dòng)錫膏印刷機(jī)主要結(jié)構(gòu)及功能

全自動(dòng)錫膏印刷機(jī)主要由以下幾部分組成：基板夾持機(jī)構(gòu)、刮刀系統(tǒng)、PCB定位系統(tǒng)、網(wǎng)板固定裝置等。焊膏印刷具有很多優(yōu)點(diǎn)，如印刷效率高、印刷位置準(zhǔn)確度高、印刷效果均勻等?；鍔A持機(jī)構(gòu)的作用主要是夾持固定基板，使PCB位于適合錫膏印刷的位置。刮刀系統(tǒng)主要功能是使刮刀與網(wǎng)板成一定角度推動(dòng)焊錫膏在網(wǎng)板上移動(dòng)，在刮刀的壓力下網(wǎng)板與PCB緊密接觸，使錫膏經(jīng)過(guò)網(wǎng)板的網(wǎng)孔時(shí)在開(kāi)口（即PCB的焊盤(pán)）處留下均勻的錫膏。PCB定位系統(tǒng)主要功能是通過(guò)調(diào)節(jié)X軸、Y軸和θ軸來(lái)實(shí)現(xiàn)PCB的精準(zhǔn)定位。網(wǎng)板固定裝置用于固定或取出網(wǎng)板，不同型號(hào)的印刷機(jī)都有自己適用的網(wǎng)板安裝尺寸范圍，包括網(wǎng)板的最小尺寸和最大尺寸。

2.2 基于機(jī)器視覺(jué)的PCB定位系統(tǒng)

PCB根據(jù)硬度不同，分為剛性版和撓性板，剛性版可以直接在印刷機(jī)上進(jìn)行加持印刷，但撓性板由于硬度不夠，印刷機(jī)在進(jìn)行加持時(shí)容易變形，需要在撓性板下加裝基板固定，生產(chǎn)時(shí)按照加裝基板后的尺寸進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，注意所有的PCB板固定的位置必須一致，一般采用孔定位的方式進(jìn)行定位。PCB定位系統(tǒng)的工作臺(tái)有X軸、Y軸和Z軸，都可以進(jìn)行微調(diào)，可以適應(yīng)各種類型PCB的精確定位。

為提高PCB的定位精度，提升印刷品質(zhì)，PCB進(jìn)出印刷機(jī)的方式通常有兩種，一種是抬起網(wǎng)板和刮刀系統(tǒng)的拉進(jìn)或取出PCB的方式，這種方式定位精度低，印刷質(zhì)量差；一種是網(wǎng)板和刮刀系統(tǒng)固定不動(dòng)，PCB平進(jìn)平出，當(dāng)PCB平行進(jìn)入進(jìn)入進(jìn)刷機(jī)時(shí)PCB隨Z形架垂直上升與網(wǎng)板緊密接觸，然后對(duì)準(zhǔn)印刷，印刷完畢，Z形架垂直下移，帶動(dòng)PCB與網(wǎng)板脫離，然后平行移出印刷機(jī)，完成印刷，這種方式定位精度高，錫膏印制形狀好，印刷品質(zhì)高。

但因?yàn)镻CB加工工藝導(dǎo)致的PCB尺寸不標(biāo)準(zhǔn)、變形、焊盤(pán)形狀不標(biāo)準(zhǔn)等問(wèn)題，單純的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)印刷位置偏差較大，精度較低，因此采用基于視覺(jué)系統(tǒng)的PCB基準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行定位，并在一定范圍內(nèi)進(jìn)行校正，可以大大減少裝調(diào)時(shí)間，提高印刷精度高和印刷速度，而且當(dāng)誤差過(guò)大，超出規(guī)定偏差標(biāo)準(zhǔn)時(shí)印刷機(jī)會(huì)發(fā)出警報(bào)。

基于機(jī)器視覺(jué)的PCB定位系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 基于機(jī)器視覺(jué)的PCB定位模塊

機(jī)器視覺(jué)模塊主要包括CCD相機(jī)、鏡頭、棱鏡以及光源，機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)獲取印刷電路板（PCB）和網(wǎng)板上各自兩個(gè)（或者兩個(gè)以上）基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)，分別叫印制板圖像識(shí)別標(biāo)志PCB Mark和網(wǎng)板Mark，一般選取對(duì)角線上不對(duì)稱的兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)作為Mark點(diǎn)，由糾偏定位算法求解出各運(yùn)動(dòng)單元的運(yùn)動(dòng)量，驅(qū)動(dòng)糾偏定位系統(tǒng)平移和旋轉(zhuǎn)[2]，使PCB Mark與網(wǎng)板Mark基準(zhǔn)點(diǎn)準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，如圖3所示。對(duì)準(zhǔn)后開(kāi)始印刷，刮刀推動(dòng)錫膏通過(guò)網(wǎng)孔漏印到PCB的焊盤(pán)上。

圖3 網(wǎng)板Mark與PCB Mark對(duì)準(zhǔn)

2.3 印刷機(jī)鋼網(wǎng)調(diào)整結(jié)構(gòu)模塊

在印刷過(guò)程中，全自動(dòng)錫膏印刷機(jī)通過(guò)軟件的參數(shù)設(shè)置控制設(shè)備運(yùn)行，通過(guò)在印刷機(jī)的操作菜單中對(duì)生產(chǎn)中需要設(shè)定的參數(shù)不斷修改調(diào)試，分析錫膏的投入量、圖形對(duì)準(zhǔn)、刮刀與鋼網(wǎng)的角度、刮刀壓力、印刷速度、印刷間隙、鋼網(wǎng)與PCB的分離速度、清洗模式和清洗頻率等參數(shù)設(shè)置等對(duì)印刷質(zhì)量的影響[3]，通過(guò)方案設(shè)計(jì)和不斷調(diào)試，直到達(dá)到需要的數(shù)值，提高印刷精度，有效改善錫膏印刷品質(zhì)。

在錫膏印刷機(jī)中通過(guò)軟件的操作控制設(shè)備運(yùn)行，包括刮刀行程、錫膏印刷速度、刮刀的壓力等。在印刷機(jī)的操作菜單中可以對(duì)生產(chǎn)中需要的參數(shù)進(jìn)行修改，達(dá)到需要的數(shù)值，同時(shí)也能調(diào)整到模擬生產(chǎn)形式，這樣可以更好地讓設(shè)備運(yùn)行在安全生狀態(tài)下，對(duì)印刷工藝得到更好地提高。

經(jīng)過(guò)反復(fù)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)印刷機(jī)工藝參數(shù)的設(shè)置與調(diào)節(jié)對(duì)印刷效果影響如下：

2.3.1 刮刀的壓力與夾角

刮刀在印刷機(jī)上推動(dòng)錫膏水平移動(dòng)，如果只有水平方向的推力而沒(méi)有垂直方向的壓力，則錫膏只是維持原來(lái)的狀態(tài)前移，而不會(huì)通過(guò)網(wǎng)板開(kāi)孔漏印到PCB焊盤(pán)上。因此刮刀系統(tǒng)需要對(duì)刮刀裝置施加一個(gè)垂直方向的正壓力，即印刷壓力。若印刷壓力過(guò)大，則會(huì)導(dǎo)致漏印到焊盤(pán)上的錫膏太薄，也可能導(dǎo)致錫膏滲漏到網(wǎng)板背面，易造成印刷圖形模糊；若印刷壓力不足，網(wǎng)板上的錫膏則會(huì)刮不干凈，通過(guò)網(wǎng)板開(kāi)口漏印到PCB焊盤(pán)上的錫膏量則會(huì)過(guò)少，導(dǎo)致PCB上的錫膏量不足，造成印刷缺陷。刮刀對(duì)焊膏垂直方向施加力的大小主要受刮刀壓力及刮刀夾角大小的影響，理想狀況下的刮刀壓力與角度剛好能夠把網(wǎng)板表面上的錫膏刮干凈，刮刀夾角越大，垂直方向的壓力就越小，反之夾角越小，垂直方向的壓力就越大，改變刮刀的角度可以改變印刷壓力。經(jīng)反復(fù)調(diào)試，根據(jù)SMT產(chǎn)品的不同，刮刀的壓力范圍通常設(shè)置在5-12N/25mm左右，刮刀的角度通常設(shè)置在45-60度之間為最佳。

2.3.2 刮刀的速度

刮刀的速度是影響生產(chǎn)效率的重要因素，刮刀速度越大，生產(chǎn)效率則越高；但刮刀速度并不是越快越好，如果刮刀速度過(guò)快，則刮刀通過(guò)網(wǎng)板開(kāi)孔的時(shí)間太短，將會(huì)導(dǎo)致錫膏不能充分漏印到PCB焊盤(pán)上，尤其是在通過(guò)細(xì)間距引腳IC時(shí)更加明顯，如刮刀通過(guò)QFP器件時(shí)，平行于刮刀的焊盤(pán)相比垂直于刮刀的焊盤(pán)來(lái)說(shuō)，錫膏圖形不夠飽滿，且印刷速度如果過(guò)快則會(huì)導(dǎo)致錫膏僅在網(wǎng)板上滑動(dòng)而不是滾動(dòng)，影響錫膏圖形，導(dǎo)致QFP器件的四面引腳的焊盤(pán)上錫膏量不均勻。因此在生產(chǎn)中，在保證印刷質(zhì)量的前提下，最大的刮刀速度通?？刂圃?0mm/s左右。

2.3.3 刮刀寬度

刮刀的寬度選擇要與加工的SMT產(chǎn)品基板寬度相匹配，不宜過(guò)寬或者過(guò)窄。當(dāng)刮刀寬度過(guò)窄時(shí)，會(huì)導(dǎo)致部分焊盤(pán)缺錫少錫，當(dāng)刮刀寬度過(guò)寬時(shí)，則會(huì)耗費(fèi)更多錫膏和更大的壓力，從而造成能源的浪費(fèi)。通常生產(chǎn)時(shí)選取的刮刀的寬度比PCB印刷方向上PCB的寬度寬50mm左右。

2.3.4 印刷間隙

印刷間隙是網(wǎng)板固定后與PCB之間的距離，這個(gè)距離的大小決定了印刷后留在PCB焊盤(pán)上錫膏的厚度，間隙越大，焊盤(pán)上留存的錫膏越厚。根據(jù)產(chǎn)品的不同，印刷間隙要有所區(qū)別，通常引腳間距較大的產(chǎn)品要求錫膏留存量大，因此設(shè)置的印刷間隙要??；而有窄間距器件的產(chǎn)品如果錫膏留存量過(guò)大，則在后續(xù)回流焊接過(guò)程則易產(chǎn)生橋連現(xiàn)象，造成產(chǎn)品缺陷，通常需要設(shè)置的印刷間隙對(duì)應(yīng)要小，有的甚至要設(shè)置為零距離或負(fù)距離，但距離不能太小，否則刮刀壓力易引起網(wǎng)板的損壞，最終以刮刀剛好刮走全部的焊膏，印刷完的PCB焊盤(pán)上錫膏圖形均勻、飽滿，同時(shí)刮刀不破壞網(wǎng)板為最佳。

2.3.5 分離速度

分離速度是指錫膏印刷完成后PCB離開(kāi)網(wǎng)板的瞬時(shí)速度，這是影響印刷質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)，也是反映一臺(tái)印刷機(jī)質(zhì)量好壞的重要參數(shù)，網(wǎng)板和PCB錫膏圖形分離時(shí)有一個(gè)短暫的停留過(guò)程，用以獲取最佳的印刷圖形。

2.3.6 離網(wǎng)距離

離網(wǎng)距離過(guò)大或者過(guò)小都會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成一定影響，如離網(wǎng)距離過(guò)大時(shí)，雖然不會(huì)對(duì)印刷性能產(chǎn)生不好的影響，但是會(huì)延長(zhǎng)印刷周期，降低生產(chǎn)效率。如果離網(wǎng)距離過(guò)短，在則可能引起錫膏填充量和填充形狀發(fā)生變化，導(dǎo)致少焊、缺焊等印刷缺陷。需要反復(fù)調(diào)試選擇最合適的離網(wǎng)距離，這些主要由網(wǎng)板的開(kāi)口尺寸和網(wǎng)板的張力等因素決定。

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3 具體實(shí)施

印刷前要先確定PCB的生產(chǎn)方向，準(zhǔn)備生產(chǎn)前首先接通電源、氣源，這時(shí)印刷進(jìn)入開(kāi)通狀態(tài)（初始化），如果是第一次生產(chǎn)的PCB，第一步要輸入PCB的長(zhǎng)、寬、厚度，根據(jù)SMT產(chǎn)品尺寸寬度調(diào)整運(yùn)輸軌道（傳送帶）寬度，沿著傳送帶把PCB載入全自動(dòng)印刷機(jī)，開(kāi)始設(shè)置PCB定位識(shí)別標(biāo)志（PCB Mark）的相關(guān)參數(shù)。Mark可以糾正PCB加工誤差，制作Mark圖像時(shí)，圖像清晰，邊緣光滑，對(duì)比度強(qiáng)，同時(shí)還應(yīng)輸入印刷機(jī)各工作參數(shù)：印刷行程、刮刀壓力、刮刀運(yùn)行速度、PCB高度、模板分離速度、模板清洗次數(shù)與方法等相關(guān)參數(shù)。印刷機(jī)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)PCB定位，視覺(jué)軸（鏡頭）慢慢移動(dòng)至第一個(gè)PCB Mark，視覺(jué)軸（鏡頭）尋找相應(yīng)的網(wǎng)板下面的基準(zhǔn)點(diǎn)網(wǎng)板Mark，然后視覺(jué)軸（鏡頭）再移動(dòng)至第二個(gè)PCB Mark，視覺(jué)軸（鏡頭）尋找相應(yīng)的網(wǎng)板下面的網(wǎng)板Mark，機(jī)器通過(guò)在X、Y軸方向移動(dòng)網(wǎng)板，以及在θ軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)網(wǎng)板來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)板與PCB的對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)后，Z形架帶動(dòng)PCB向上移動(dòng)，與網(wǎng)板的下表面接觸，然后刮刀按照設(shè)定好的與鋼網(wǎng)的角度、刮刀壓力以及印刷速度，推動(dòng)焊錫膏在網(wǎng)板的上表面滾動(dòng)，并通過(guò)網(wǎng)孔漏印在電路板的焊盤(pán)上。印刷完成后，Z形架下移，帶動(dòng)PCB電路板與網(wǎng)板按照設(shè)定好的分離速度分離，并通過(guò)傳送帶將PCB電路板送至下一工序[4]。

具體印刷過(guò)程流程圖如圖4所示。

圖4 印刷過(guò)程流程圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)改進(jìn)印刷機(jī)鋼網(wǎng)調(diào)整結(jié)構(gòu)和視覺(jué)模塊的軟硬件設(shè)計(jì)以及調(diào)試印刷參數(shù)，提高印刷精度，減小印刷缺陷，提高印刷品質(zhì)和生產(chǎn)效率，從而提升SMB產(chǎn)品品質(zhì)。通過(guò)測(cè)試，產(chǎn)品直通率提高至99.5%，降低了維修成本，并進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率，能夠?yàn)槠髽I(yè)創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，具有良好的市場(chǎng)前景。

審核編輯：黃飛

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