基于機器視覺的SMT全自動錫膏印刷技術深度研究

0 引言

表面組裝技術（SMT）于二十世紀60年代起步，80年代開始快速增長，于90年代穩定發展，目前已逐步進入成熟階段，是當代電子產品組裝的主流技術。自從SMT技術問世以來，電子產品的集成度更高，產品的性能更加可靠，高頻特性好，而且便于實現自動化，大大提高了生產效率，有效地節省了人力、時間和材料成本。成本的降低使得集成電路也從航天航空等一系列高技術產品逐步推廣到通訊、計算機等民用產品中，豐富了人們的日常生活[1]。但是因為SMT產品加工工序較多，而且每道工序都會對產品的質量造成影響。SMT組裝技術的三大關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確無誤地分配到指定的SMB焊盤上，是SMT產品加工地第一道工序，也是至關重要的一個工序。通過分析大量數據，結果顯示大約60%-70%的電子產品組裝缺陷都是在錫膏印刷環節造成的。如果第一道工序出現問題，后面的一切工作都是徒勞無功的。

關鍵詞:機器視覺、錫膏印刷、印刷參數

隨著電子產品逐漸向短、小、輕、薄化方向發展，0201甚至01005等小尺寸封裝的片式元件，以及QFP、BGA、FC和CSP等細間距器件開始逐漸大量應用，同時隨著綠色環保要求，無鉛化工藝也開始逐漸取代有鉛工藝，這些都對錫膏印刷設備及印刷工藝提出了更高的要求。要正確地使用錫膏，滿足細間距及無鉛化要求，做好印刷工藝管控，防止焊后缺陷的發生，才能有效地做好焊錫膏印刷品質與控制。

1 方案設計

本論文在以往SMT表面組裝技術研究的基礎上，通過對SMB錫膏印刷過程中出現的印刷缺陷進行分析，同時分析印刷生產流程中容易產生的問題，重點是對細間距器件的印刷缺陷進行分析研究，通過改進印刷機鋼網調整結構和視覺模塊的軟硬件設計，提高印刷精度，減小印刷缺陷，提高印刷品質，從而提升SMT組裝電路板品質，提高產品直通率，并進一步提高生產效率。方案設計流程圖如圖1所示。

圖1 方案設計流程圖

2 軟硬件設計

對基于機器視覺的全自動印刷技術進行研究，首先是了解全自動錫膏印刷機主要結構及功能，主要是對鋼網、印刷機視覺模塊等軟硬件進行系統設計。

2.1 全自動錫膏印刷機主要結構及功能

全自動錫膏印刷機主要由以下幾部分組成：基板夾持機構、刮刀系統、PCB定位系統、網板固定裝置等。焊膏印刷具有很多優點，如印刷效率高、印刷位置準確度高、印刷效果均勻等。基板夾持機構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。刮刀系統主要功能是使刮刀與網板成一定角度推動焊錫膏在網板上移動，在刮刀的壓力下網板與PCB緊密接觸，使錫膏經過網板的網孔時在開口（即PCB的焊盤）處留下均勻的錫膏。PCB定位系統主要功能是通過調節X軸、Y軸和θ軸來實現PCB的精準定位。網板固定裝置用于固定或取出網板，不同型號的印刷機都有自己適用的網板安裝尺寸范圍，包括網板的最小尺寸和最大尺寸。

2.2 基于機器視覺的PCB定位系統

PCB根據硬度不同，分為剛性版和撓性板，剛性版可以直接在印刷機上進行加持印刷，但撓性板由于硬度不夠，印刷機在進行加持時容易變形，需要在撓性板下加裝基板固定，生產時按照加裝基板后的尺寸進行參數設置，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行定位。PCB定位系統的工作臺有X軸、Y軸和Z軸，都可以進行微調，可以適應各種類型PCB的精確定位。

為提高PCB的定位精度，提升印刷品質，PCB進出印刷機的方式通常有兩種，一種是抬起網板和刮刀系統的拉進或取出PCB的方式，這種方式定位精度低，印刷質量差；一種是網板和刮刀系統固定不動，PCB平進平出，當PCB平行進入進入進刷機時PCB隨Z形架垂直上升與網板緊密接觸，然后對準印刷，印刷完畢，Z形架垂直下移，帶動PCB與網板脫離，然后平行移出印刷機，完成印刷，這種方式定位精度高，錫膏印制形狀好，印刷品質高。

但因為PCB加工工藝導致的PCB尺寸不標準、變形、焊盤形狀不標準等問題，單純的機械對準印刷位置偏差較大，精度較低，因此采用基于視覺系統的PCB基準標記進行定位，并在一定范圍內進行校正，可以大大減少裝調時間，提高印刷精度高和印刷速度，而且當誤差過大，超出規定偏差標準時印刷機會發出警報。

基于機器視覺的PCB定位系統如圖2所示。

圖2 基于機器視覺的PCB定位模塊

機器視覺模塊主要包括CCD相機、鏡頭、棱鏡以及光源，機器視覺系統獲取印刷電路板（PCB）和網板上各自兩個（或者兩個以上）基準點的坐標，分別叫印制板圖像識別標志PCB Mark和網板Mark，一般選取對角線上不對稱的兩個基準點作為Mark點，由糾偏定位算法求解出各運動單元的運動量，驅動糾偏定位系統平移和旋轉[2]，使PCB Mark與網板Mark基準點準確對準，如圖3所示。對準后開始印刷，刮刀推動錫膏通過網孔漏印到PCB的焊盤上。

圖3 網板Mark與PCB Mark對準

2.3 印刷機鋼網調整結構模塊

在印刷過程中，全自動錫膏印刷機通過軟件的參數設置控制設備運行，通過在印刷機的操作菜單中對生產中需要設定的參數不斷修改調試，分析錫膏的投入量、圖形對準、刮刀與鋼網的角度、刮刀壓力、印刷速度、印刷間隙、鋼網與PCB的分離速度、清洗模式和清洗頻率等參數設置等對印刷質量的影響[3]，通過方案設計和不斷調試，直到達到需要的數值，提高印刷精度，有效改善錫膏印刷品質。

在錫膏印刷機中通過軟件的操作控制設備運行，包括刮刀行程、錫膏印刷速度、刮刀的壓力等。在印刷機的操作菜單中可以對生產中需要的參數進行修改，達到需要的數值，同時也能調整到模擬生產形式，這樣可以更好地讓設備運行在安全生狀態下，對印刷工藝得到更好地提高。

經過反復調試，發現印刷機工藝參數的設置與調節對印刷效果影響如下：

2.3.1 刮刀的壓力與夾角

刮刀在印刷機上推動錫膏水平移動，如果只有水平方向的推力而沒有垂直方向的壓力，則錫膏只是維持原來的狀態前移，而不會通過網板開孔漏印到PCB焊盤上。因此刮刀系統需要對刮刀裝置施加一個垂直方向的正壓力，即印刷壓力。若印刷壓力過大，則會導致漏印到焊盤上的錫膏太薄，也可能導致錫膏滲漏到網板背面，易造成印刷圖形模糊；若印刷壓力不足，網板上的錫膏則會刮不干凈，通過網板開口漏印到PCB焊盤上的錫膏量則會過少，導致PCB上的錫膏量不足，造成印刷缺陷。刮刀對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。經反復調試，根據SMT產品的不同，刮刀的壓力范圍通常設置在5-12N/25mm左右，刮刀的角度通常設置在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效率的重要因素，刮刀速度越大，生產效率則越高；但刮刀速度并不是越快越好，如果刮刀速度過快，則刮刀通過網板開孔的時間太短，將會導致錫膏不能充分漏印到PCB焊盤上，尤其是在通過細間距引腳IC時更加明顯，如刮刀通過QFP器件時，平行于刮刀的焊盤相比垂直于刮刀的焊盤來說，錫膏圖形不夠飽滿，且印刷速度如果過快則會導致錫膏僅在網板上滑動而不是滾動，影響錫膏圖形，導致QFP器件的四面引腳的焊盤上錫膏量不均勻。因此在生產中，在保證印刷質量的前提下，最大的刮刀速度通常控制在30mm/s左右。

2.3.3 刮刀寬度

刮刀的寬度選擇要與加工的SMT產品基板寬度相匹配，不宜過寬或者過窄。當刮刀寬度過窄時，會導致部分焊盤缺錫少錫，當刮刀寬度過寬時，則會耗費更多錫膏和更大的壓力，從而造成能源的浪費。通常生產時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

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

2.3.5 分離速度

分離速度是指錫膏印刷完成后PCB離開網板的瞬時速度，這是影響印刷質量的一個重要參數，也是反映一臺印刷機質量好壞的重要參數，網板和PCB錫膏圖形分離時有一個短暫的停留過程，用以獲取最佳的印刷圖形。

2.3.6 離網距離

離網距離過大或者過小都會對生產造成一定影響，如離網距離過大時，雖然不會對印刷性能產生不好的影響，但是會延長印刷周期，降低生產效率。如果離網距離過短，在則可能引起錫膏填充量和填充形狀發生變化，導致少焊、缺焊等印刷缺陷。需要反復調試選擇最合適的離網距離，這些主要由網板的開口尺寸和網板的張力等因素決定。

3 具體實施

印刷前要先確定PCB的生產方向，準備生產前首先接通電源、氣源，這時印刷進入開通狀態（初始化），如果是第一次生產的PCB，第一步要輸入PCB的長、寬、厚度，根據SMT產品尺寸寬度調整運輸軌道（傳送帶）寬度，沿著傳送帶把PCB載入全自動印刷機，開始設置PCB定位識別標志（PCB Mark）的相關參數。Mark可以糾正PCB加工誤差，制作Mark圖像時，圖像清晰，邊緣光滑，對比度強，同時還應輸入印刷機各工作參數：印刷行程、刮刀壓力、刮刀運行速度、PCB高度、模板分離速度、模板清洗次數與方法等相關參數。印刷機自動實現PCB定位，視覺軸（鏡頭）慢慢移動至第一個PCB Mark，視覺軸（鏡頭）尋找相應的網板下面的基準點網板Mark，然后視覺軸（鏡頭）再移動至第二個PCB Mark，視覺軸（鏡頭）尋找相應的網板下面的網板Mark，機器通過在X、Y軸方向移動網板，以及在θ軸方向轉動網板來實現網板與PCB的對準。對準后，Z形架帶動PCB向上移動，與網板的下表面接觸，然后刮刀按照設定好的與鋼網的角度、刮刀壓力以及印刷速度，推動焊錫膏在網板的上表面滾動，并通過網孔漏印在電路板的焊盤上。印刷完成后，Z形架下移，帶動PCB電路板與網板按照設定好的分離速度分離，并通過傳送帶將PCB電路板送至下一工序[4]。

具體印刷過程流程圖如圖4所示。