張志耀，田 芳，狄希遠(yuǎn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

LTCC印刷機(jī)視覺對(duì)位技術(shù)研究

張志耀，田 芳，狄希遠(yuǎn)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，山西太原030024)

印刷是LTCC基板制造中關(guān)鍵工序之一，介紹了LTCC行業(yè)印刷機(jī)主要采用的兩種視覺對(duì)位方法，并分別論述了兩種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，通過分析比較，認(rèn)為所述的第一種方法更易于實(shí)現(xiàn)高精度印刷。

低溫共燒陶瓷；印刷；視覺對(duì)位

電子整機(jī)正在日益向微型化、集成化和高頻化的方向發(fā)展，這使得電子元器件也必須小型化、高頻化、高可靠性和高集成度的方向發(fā)展。低溫共燒陶瓷（，LTCC）基板因具有布線層數(shù)高、布線導(dǎo)體電阻小、介電常數(shù)低、燒結(jié)溫度低，熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，已成為理想的多芯片組件（MCM）用基板，有廣泛的應(yīng)用前景[1]。

LTCC多層基板制造的典型工藝流程，主要包括：打孔、印刷、疊片、層壓、燒結(jié)等工藝。印刷是LTCC多層基板制造中的關(guān)鍵工序之一，與傳統(tǒng)的PCB板印刷相比，LTCC行業(yè)印刷的線條更為精細(xì)，精度要求更高。LTCC生產(chǎn)線印刷工序主要包括生產(chǎn)過程中生瓷片上的通孔填充漿料的印刷、導(dǎo)體漿料的印刷、電阻漿料的印刷等?？梢哉f整個(gè)基板中所有的功能線路都是通過印刷設(shè)備加工完成的，因此，印刷工序?qū)ψ罱K產(chǎn)品質(zhì)量的影響至關(guān)重要。印刷精度是衡量印刷效果的最主要因素之一，印刷精度不達(dá)標(biāo)輕者會(huì)影響電路性能，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電路短路等問題。圖1是典型的由于印刷精度引起的質(zhì)量問題。

圖1 典型印刷質(zhì)量問題

印刷精度主要取決于視覺對(duì)位精度和機(jī)械定位精度，本文主要論述設(shè)備的視覺對(duì)位實(shí)現(xiàn)原理。LTCC行業(yè)印刷機(jī)的精確對(duì)位主要有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一是生瓷片與試印圖形之間的對(duì)位方式（如日本MICRO-TEC、NEWLONG等）；二是絲網(wǎng)與生瓷片的對(duì)位方式（如德國(guó)EKRA、DEK等）。

1 生瓷片與試印圖形之間的對(duì)位方式 （方式一）

圖2 方式一設(shè)備原理圖

設(shè)備對(duì)位系統(tǒng)原理如圖2所示，由視覺系統(tǒng)、對(duì)位平臺(tái)、印刷系統(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。結(jié)構(gòu)左側(cè)為對(duì)位工位，右側(cè)為印刷工位；待印刷生瓷片吸附在對(duì)位平臺(tái)上，相機(jī)系統(tǒng)采用雙CCD相機(jī)方式，完成生瓷片上Mark圖像的采集；圖像處理系統(tǒng)完成圖像特征的提取及相關(guān)運(yùn)算；對(duì)位平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下可完成x、y、θ三軸方向的運(yùn)動(dòng)，對(duì)位平臺(tái)整體可在對(duì)位工位與印刷工位之間移動(dòng)，移動(dòng)至印刷工位時(shí)，對(duì)位平臺(tái)上升，使生瓷片與網(wǎng)框接近進(jìn)行印刷[2]。

從安裝網(wǎng)框開始，設(shè)備印刷工作流程如圖3所示。

圖3 方式一工作流程圖

標(biāo)定時(shí)，首先需試印一次，相機(jī)采集試印所得的印刷Mark點(diǎn)，視覺系統(tǒng)通過Mark點(diǎn)搜索方式可以計(jì)算每臺(tái)相機(jī)與網(wǎng)框的相對(duì)位置，包括相機(jī)與平臺(tái)的角度、相機(jī)解析度（mm/像素）、平臺(tái)的旋轉(zhuǎn)中心點(diǎn)等參數(shù)。記錄Mark點(diǎn)中心位置，作為后續(xù)生瓷片的對(duì)位基準(zhǔn)。對(duì)位時(shí)，通過采集生瓷片上的孔Mark來獲取生瓷片當(dāng)前位置，以標(biāo)定時(shí)記錄的印刷Mark點(diǎn)中心位置作為目標(biāo)位置，利用標(biāo)定參數(shù)作演算，驅(qū)動(dòng)對(duì)位平臺(tái)執(zhí)行精密、快速對(duì)位。

平臺(tái)執(zhí)行完一次對(duì)位動(dòng)作后，相機(jī)再次采集生瓷片上孔Mark圖像，計(jì)算生瓷片位置與目標(biāo)位置的偏差值，判斷其是否小于用戶預(yù)先設(shè)定的誤差允許值，如不小于則繼續(xù)對(duì)位，如小于誤差允許值則認(rèn)為對(duì)位完成，平臺(tái)移動(dòng)至網(wǎng)框下方，印刷系統(tǒng)完成印刷動(dòng)作。

2 絲網(wǎng)與生瓷片的對(duì)位方式（方式二）

該方式設(shè)備結(jié)構(gòu)原理如圖4所示：由視覺系統(tǒng)、載片臺(tái)、網(wǎng)框?qū)ξ幌到y(tǒng)、圖像處理系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。

圖4 方式二設(shè)備原理圖

視覺系統(tǒng)為由兩個(gè)CCD、一個(gè)棱鏡以及光源等組成，該結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)框Mark與生瓷片上孔Mark圖像的同時(shí)采集，通過圖像處理系統(tǒng)計(jì)算出兩種Mark孔之間的相對(duì)位置，由運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)框運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行x、y、θ三軸方向的調(diào)整對(duì)位，最終使網(wǎng)框Mark與生瓷片上孔Mark圖像重合，實(shí)現(xiàn)對(duì)位；對(duì)位完成后相機(jī)系統(tǒng)從網(wǎng)框與生瓷片之間移開，網(wǎng)框下降至設(shè)定距離，刮刀動(dòng)作，設(shè)備完成印刷。

其工作流程如圖5所示。

3 兩種對(duì)位方式的比較

（1）方式二中視覺系統(tǒng)在制造、組裝過程中，上視與下視兩組CCD光路不可避免地會(huì)存在一定的不同軸，其結(jié)果是：雖然在視覺系統(tǒng)中認(rèn)為實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)框Mark與生瓷片孔Mark之間的精確對(duì)位，但事實(shí)上兩組Mark卻存在一定的誤差，對(duì)印刷精度會(huì)有一定的影響。

圖5 方式二工作流程圖

（2）方式二中視覺系統(tǒng)在安裝過程中，其上視與下視CCD光路與網(wǎng)框、生瓷片必然會(huì)存在一定的垂直度誤差，在完成對(duì)位，網(wǎng)框下降時(shí)，由于垂直度誤差的存在，網(wǎng)框Mark與生瓷片孔Mark之間必然會(huì)產(chǎn)生位置偏差，引起印刷誤差。

（3）方式二中網(wǎng)框升降導(dǎo)向柱與生瓷片及網(wǎng)框之間也必然存在一定的垂直度誤差，網(wǎng)框下降時(shí)，網(wǎng)框Mark與生瓷片孔Mark之間也會(huì)產(chǎn)生位置偏差，引起印刷誤差。

（4）方式二中即使克服了上述誤差，在刮刀動(dòng)作之前網(wǎng)框Mark與生瓷片孔Mark實(shí)現(xiàn)了精確對(duì)位，但在印刷過程中由于絲網(wǎng)變形會(huì)導(dǎo)致所印刷圖形有一定的偏移，該偏移量的大小與印刷離網(wǎng)距離及印刷力有關(guān)。

要消除這些誤差對(duì)印刷精度的影響，必須從軟件上進(jìn)行補(bǔ)償，前文所述第一條中光路不同軸誤差為固定值，可在設(shè)備調(diào)試階段由設(shè)備生產(chǎn)者完成；而第二、三、四條誤差值的大小受印刷物料、離網(wǎng)距離、印刷壓力的影響，為不固定值，必須由用戶不斷摸索誤差值來確定補(bǔ)償量，降低了設(shè)備的易用性，也帶來了較大的印刷誤差。

而方式一采用“試印——對(duì)位”的方法，通俗地講就是：“設(shè)備能印到哪，就把生瓷片移動(dòng)到哪”，因此該方式設(shè)備只要保證設(shè)備機(jī)械運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性，就能達(dá)到較高的印刷精度。

另外，對(duì)位速度方面，采用方式一的印刷機(jī)對(duì)位時(shí)CCD無需移動(dòng)，只工作臺(tái)調(diào)整位置，CCD檢測(cè)調(diào)整結(jié)果，如誤差進(jìn)入設(shè)定范圍，則對(duì)位完成。而采用方式二的印刷機(jī)要想實(shí)現(xiàn)類似效果，CCD須反復(fù)奔走于各組Mark之間，必然費(fèi)時(shí)。所以，從實(shí)現(xiàn)原理上講，對(duì)位方式二也不利于設(shè)備對(duì)位速度的提高。

4 結(jié)論

綜上所述，從對(duì)位系統(tǒng)的工作原理上講，采用方式一的印刷機(jī)更利于實(shí)現(xiàn)高精度印刷，對(duì)位時(shí)間也相對(duì)較短。此外，從設(shè)備成本上講，方式二設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)的加工要求較高，帶上下視場(chǎng)的視覺系統(tǒng)價(jià)格也較高，因此設(shè)備總成本較高。所以，認(rèn)為方式一的對(duì)位方法優(yōu)于方式二。

[1] 薛耀平，王穎麟.LED的LTCC封裝基板研究[J].電子工藝技術(shù)，2012，33（4）：229-233.

[2] 田輝，馮志祥，田芳.機(jī)器視覺在生瓷片印刷機(jī)中的應(yīng)用[J].電子工藝技術(shù)，2012，33（4）：249-251.

Research on Vision Alignment Technology of LTCC Printing Machine

ZHANG Zhiyao，TIAN Fang，DI Xiyuan

(The Second Research Institute of CECT，Taiyuan 030024，China)

Printing is one of the key processes during the manufacturing of the LTCC substrate，The paper introduces two different methods of vision alignment which are mainly adopt in the LTCC industry printing machine，And advantages and disadvantages of the two different methods is respectively discussed，By analysis and comparison，It is found that:The first way is easier to achieve the high precision printing.

LTCC（Low temperature co-fired ceramics）；Printing；Vision alignment

TN605

：B

：1004-4507(2015)07-0029-04

張志耀（1981-），男，山西省原平市人，工程師，碩士，主要從事電子工業(yè)專用設(shè)備的研發(fā)。

2015-05-06