LTCC印刷機精度控制系統(tǒng)分析

呂琴紅++閆文娥

文章編號：2095-6835（2017）10-0017-02

摘 要：簡要分析了與印刷機精度相關(guān)的4個系統(tǒng)的特征，著重研究了視覺對位系統(tǒng)和自動對位過程，提出了提高平臺運動精度的方法。分析結(jié)果表明，視覺對位采用雙相機對位，平臺運動采用UVW平臺和伺服電機力矩模式定位，刮刀升降采用伺服電機和梯形絲杠定位，印刷壓力采用電氣比例閥控制，可以實現(xiàn)精確控制，使印刷重復(fù)定位精度達±0.01 mm。

關(guān)鍵詞：自動印刷機；視覺對位系統(tǒng)；平臺運動定位；印刷壓力

中圖分類號：TP273 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.10.017

低溫共燒陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramics）簡稱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個環(huán)節(jié)，即填孔印刷和線路印刷。填孔印刷是將過孔填充劑填入過孔中，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)量未達到要求，會直接導(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)計精度。工藝精度是印刷過程中工藝參數(shù)的匹配問題，需要在實驗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)計精度是印刷機定位精度，即印刷機本身能夠達到的重復(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，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，朝絲網(wǎng)另一端移動。漿料在移動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，接觸線隨刮刀移動而移動。由于絲網(wǎng)與承印物之間保持一定的間隙，使得印刷時的絲網(wǎng)通過自身的張力而產(chǎn)生對刮刀的反作用力，這個反作用力被稱為回彈力。由于回彈力的作用，使絲網(wǎng)與基片只呈移動式線接觸，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)刮刀刮過整個印刷區(qū)域后升起，絲網(wǎng)也脫離基片，工作臺返回到初始位置，即為一個印刷過程結(jié)束。

2 系統(tǒng)設(shè)計及原理

印刷重復(fù)定位精度包含以下4個方面的內(nèi)容：①視覺對位精度；②工作臺運動位置精度；③刮刀升降位置精度；④印刷壓力精度。

對此，印刷機優(yōu)化設(shè)計了由視覺對位系統(tǒng)、平臺運動系統(tǒng)、刮刀升降控制系統(tǒng)和印刷壓力控制系統(tǒng)組成的印刷機精度控制系統(tǒng)。

2.1 視覺對位系統(tǒng)

印刷機視覺系統(tǒng)采用雙相機對位方式，而視覺對位系統(tǒng)硬件主要包括2個相機、2個環(huán)形光源、2個鏡頭、圖像采集處理模塊。2個相機位置固定，分別對2個Mark進行圖像采集和識別，圖像采集處理模塊負責(zé)圖像的采集、處理。

2.1.1 視覺對位過程

工作臺運動至機械原點位置，工作臺上放置1張空白生瓷片，工作臺移動至網(wǎng)版下方，在生瓷片上印刷Mark孔的圖形，印刷后工作臺移回到原點位置處，2個相機對印刷后的Mark圖形進行圖像采集，視覺處理模塊記錄2個Mark的相關(guān)信息，得出網(wǎng)版與工作臺的相對位置信息，并將2個Mark作為模板存入系統(tǒng)中，之后可進行生瓷片印刷。印刷時，視覺對位系統(tǒng)分別對生瓷片上的2個Mark標(biāo)志位進行圖像采集、分析處理，與系統(tǒng)中預(yù)先登錄的圖像模板包括Mark尺寸、位置等信息進行比對，得出當(dāng)前生瓷片上Mark位置的偏差值，平臺根據(jù)偏差值執(zhí)行對位動作。

2.1.2 自動對位流程

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

2.2 平臺運動系統(tǒng)

平臺的運動包括XYθ方向運動和平臺往復(fù)直線運動。

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

工作臺UVW的3個電機的運動實現(xiàn)了3個方向的位移調(diào)整，實現(xiàn)生瓷片與模板的精確對位。生瓷片放置在工作臺的多孔石上，在進行生瓷片與模板對位時，通過與視覺系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換，工作臺X，Y，θ3個方向按照指定位移量移動，以帶動生瓷片運動，實現(xiàn)對位。由于這部分運動對運動速度的要求相對比較低，結(jié)合空間安裝尺寸、成本等因素，工作臺的U，V，W均采用5相步進電機實現(xiàn)。

平臺的往復(fù)直線運動是將生瓷片運送到網(wǎng)框下方，實現(xiàn)生瓷片在上料工位與印刷工位之間的傳送。這個運動要求運動速度快，且到位后需有一定的力矩將工作臺精確定位于一個固定位置，因此，采用伺服電機來控制，控制方式使用位置與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)換的控制模式。設(shè)備運動時，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)

刮刀升降運動由伺服電機驅(qū)動，帶動梯形絲杠轉(zhuǎn)動，從而絲杠螺母升降運動，驅(qū)動印刷機構(gòu)升降。升降電機選用伺服電機帶抱閘控制，由于傳動系統(tǒng)中采用同步帶驅(qū)動，屬于柔性傳動，無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，刮刀對絲網(wǎng)保持一定的壓力，壓力過大容易使絲網(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；刮板壓力過小，印刷后的絲網(wǎng)上會存在殘留漿料。

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。

印刷機壓力的控制采用電氣比例閥和精密減壓閥實現(xiàn)，通過精確調(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恒定的作用力作用在絲網(wǎng)上，獲得最佳的印刷效果。同時，通過控制多個電磁閥的通、斷時序?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)計中考慮了負壓吸附能力、負壓和正壓調(diào)節(jié)的方便性、排出氣體的噪聲控制、潔凈度控制等。使用過濾閥對壓縮空氣進行過濾處理，保證設(shè)備潔凈度要求；在負壓發(fā)生器尾部安裝消音器，以減小抽氣時的噪聲；在氣缸本體安裝調(diào)速閥，控制氣缸動作的速度；在管路中安裝調(diào)速閥調(diào)整正壓，進而調(diào)整負壓。

3 結(jié)束語

印刷機精度控制系統(tǒng)包含了4大系統(tǒng)的控制，即視覺定位系統(tǒng)、平臺運動系統(tǒng)、刮刀升降控制系統(tǒng)和印刷壓力控制系統(tǒng)。單個系統(tǒng)的精度達到最好，并且能夠相互匹配運行，才能有效提高印刷機自身的精度。如果要提高印刷質(zhì)量，在印刷過程中找到一套完善的工藝參數(shù)是至關(guān)重要的。因此，印刷機設(shè)計參數(shù)與工藝參數(shù)完美結(jié)合，才能達到最好的印刷效果，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

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作者簡介：呂琴紅（1976—），山西太原人，高級工程師，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〕