锡膏印刷机的选配

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随着贴片机速度的日益提高与贴装材料的不断发展,锡膏印刷已成为在确保 6 σ质量的前提下缩短生产周期的主要方式。对于回流焊炉而言,锡膏印刷的亮点在于它还是最适合的在 PCB 上预置焊膏的方法。对于锡膏印刷机制造商来说,其设备必须能够满足用户不断地印刷新型材料的要求,以解决有关的工艺问题。焊膏制造技术的变化,诸如无挥发性有机物(无 VOC)和无铅焊料等,对维持印刷参数的恒定也提出了挑战。

        1.印刷设备性能

        评估锡膏印刷机的性能一般从柔性、精度和可靠性等角度去考虑。

        柔性的评定可从两方面进行。首先,印刷机必须具备柔性的机械结构,以获得最佳的夹具方案。其次,印刷机必须具有先进的软件,使系统能够自动适应不同的基板。在印刷机上快速、紧固又精确地夹住 PCB 是表面组装生产线中诸多夹具设计的难题之一。印刷机必须具有多种定位选件,使其可以按相应情况单独或相互配合使用。对比度低的视像系统对各种基板材料的适应性要强,如果装有此类系统,加之适当的机械定位装置,则对于陶瓷基板甚丝网印刷至柔性基板均可很容易处理。

        对于自动印刷机而言,精度受到多方面的影响。印制电路板在印刷机上的定位校正,一些印刷机采用机械挡板,采用这种方法,其固有的精度受到板与板之间的基板偏差影响。某些高端印刷机采用的是非接触式运动传感器,与机械定位不同的是在变换不同的电路板时,它可对不同的基板进行补偿,而不需要人工干预,由于采用此类传感器,板的自动校正速度变快,重复性也更好,当对已有组件的板进行第二面印刷时,这一点显得十分重要。采用结构型执行机构,如采用铸件,可增进系统的可重复性与可靠性。有限元分析证明若要达到高的稳定性,首先须有一个稳定的基础与框架。因此,设备通常喜欢采用铸件以达到所需的稳定性,而不必考虑较高的运行速度所引起的附加应力。

        当然,任何机器最终都会损坏,性能工程设计只是大大地提高了设备系统的可靠性,并尽量缩短未来非自然停机的时间和次数,而非永远不坏,因此迅速更换零部件应该得到重点考虑,当一个零件或一个子系统损坏时,应能很方便地取下或更换。模块化设计对于缩短停机时间,迅速更换零部件十分重要。另外,不管用户身在世界何地,来自制造商的零配件与技术支持均应快速便捷,当然如果零部件能有更好的互换性则更好。

        2.产量与效率决定选择

       提高锡膏印刷机的速度是一个具有挑战性的课题。在印刷过程中,PCB与模板的分离速度以及印刷行程是一定的,而刮刀的运行速度则取决于模板上的开口尺寸和焊膏的成分,因此,提高印刷机的操作速度即成为关键因素。自动印刷机的实际印刷周期通常为(15~20)s,而对于高速生产线则要求小于10 s。尽管印刷操作并非决定性因素,但在许多实际生产中,随着产量的增加,其重要性也得到加强。当然,提高精度与柔性势必需要增加处理的时间。因此,印刷机的固有速度越快,留给视像校正、PCB 精确定位和模板擦拭等的时间就越多,通过提高这些相应处理的速度,就可以留给 PCB 印刷后2D 或 3D 检查更多的时间,2D 和3D 检查的时间越多,产品的统计精度就越高,从而缺陷率就更低。

       2.1确定轴的运动情况

       通常,在提高自动印刷机的生产速度时首先会想到的是各轴的运动情况。从机器的发展角度来看,简单而常用的方式就是提高各运动轴的速度。如果对机器的精度和可靠性没有太多要求,这种方法是足够的,轴向移动导轨和 PCB 夹紧装置如图所示。

一个更智能的方法是采用真实性能运动控制工程,对运动的各节点进行分析、算法演练和试验,以及对各轴的疲劳情况进行分析。印刷机上的每一驱动系统的实际性能均通过计算,以满足对加速性能的最佳配合。相应地,印刷速度也通过计算确定,从而使印刷机具有最优潜能。这一效率与安全性设计理念已经以曲线形式写入了机器的运动控制板中,从而使机器的每一个运动都能迅速遵照执行,如此,印刷周期可缩短20%。当然,作为客户使用时一般很少做这种精确计算,为此印刷机制造商就根据经验预先设计好多组运动规律以供参考,方便客户使用。

       2.2 视觉定位系统

       随着 PCB 板的生产效率越来越高,板上的电子元器件越来越小,对定位的精度和速度也提出了更高的要求,基于这两点,目前要求采用几何的定位算法和移动视像系统是比较主流。目前,市场上大多数全自动锡膏印刷机的定位算法都是基于图像灰度,通过自相关匹配来实现的。对于表面均匀度很好的覆铜板来说,灰度算法可以很好地完成自动定位的功能。但是,越来越多的镀锡板、镀金板、柔性PCB板的出现,给灰度定位带来了巨大的挑战。由于镀锡、镀金板的表面均匀度不是很好,反光率较高,使得 PCB板上的 Mark 点的成像亮度差别极大,增加了灰度定位的误检率和漏检率。柔性板由于表面的平整度不好,PCB 上 Mark 点的成像同样会有亮度差别大的问题,而且还会使 Mark点的大小、形状发生变化,这些问题都是基于灰度定位算法难于克服的,而采用几何的定位算法就可以很好地处理上述的这些问题。几何定位算法发展于上世纪90年代的美国,受限于 CPU 处理能力和处理速度,直至今天,MPM、DEK 等国外著名品牌多数采用康奈视的几何定位工具。

        自动锡膏印刷机的视像系统主要用于将PCB与模板的对正,该系统可在机械和电子两方面提高速度。对于后者,首先可将专用视像处理器与印刷机主系统的 CPU 相结合进行协同处理,从而可对所得图像进行快速处理,同样,还可以在系统移动至下一个基准点的过程中进行处理,因此被称之为“移动”视像系统。为此可通过提高移动速度和图像识别、分析速度来提高视像系统的工作效率。提高视像系统在基准点间移动的速度,必须采用与其他运动轴相同的运动分析与设计方法,视像系统必须能够由运动控制板中的高级算法支持。应当注意的是,由于基准点的位置通常需要两个相互垂直轴的运动,从而实现真正的连续运动是不可能的。但是,通过性能运动控制工程,可以获得高的视像速度,优化的加速与减速可以明显提高视像获得的速度,从而减少了停顿时间和基准点、2D、3D 检查等图像的捕捉时间。当然系统最好采用直接驱动以避免皮带驱动所具有的明显的运动间隙,设备如果采用的是空气轴承,还可以确保运动的平滑与精确,2D 印刷效果检测图如图所示。

锡膏印刷机2D打印效果

        2.3智能化控制

        智能软件能够自动测算锡膏印刷机的效率,高效印刷机可以对机器的功能和工艺进行控制,从而能够实现各工序间的快速转换。最新的软件具有运动控制的并行性,使印刷机中的并行工作能够同时进行。先进的印刷系统至少有四个轴可以同时运动,从而使多种动作同时完成。另一项新的技术是“自适应补偿”,可用于对印刷机各项功能进行持续分析以提高生产效率。例如,在模板与 PCB 校正的过程中,可通过校正两者位移量的大小来分析,从而自动重新确立模板的原点位置,缩短校正时间。

        目前智能软件还能够对超出锡膏印刷机以外的情况进行分析。操作系统可以监视下一工位的设备,核实板的需求情况,并且还能够针对整条生产线的情况提出最大限度提高生产效率的策略。例如,印刷机不停地“监测”下一工位情况,在其完成一个操作之前即向其输送一块 PCB,如果完成操作在先,印刷机则会改变常规的次序直至满足整条生产线的需求。

        2.4 缩短产品变换时间

        通常,在选择印刷机时主要考虑的是其柔性和使用的方便性,以及是否能印刷多种不同类型的板。现在的印刷机通常有多种选件,如有的具有支撑引脚自动排布功能,将支撑引脚按一定图形排布给待印板以供支撑,引脚的排布可编程控制,且不需要专用夹具从而缩短了产品变换时间,最适合于生产产品型号经常变换的生产线。

        另一个选件是模板的在线更换,即自动从在线模板贮藏架(通常位于印刷机的后部)中选择并装载模板,典型的模板更换时间为20 s。另外系统中印刷台Y轴与Z轴的柔性夹具可对基板进行适当力度的夹紧,从而可有效地适应不同尺寸的基板。最后,印刷机还可配置离线编程软件,使印刷机能够直接从计算机中下载设置好的参数和基准点数据。锡膏印刷机擦拭结构示意

        2.5 重叠清洁时间

       保持模板开口中无焊膏及模板底面的清洁十分重要,这是确保无漏印和具有良好印刷分辨率的基础,现在越来越多的用户倾向在印刷间歇期进行模板清洁。最近,可以装配在印刷机上各种形式的自动擦拭系统相继问世,大多具有很强的真空吸力和改进的擦拭管理程序。更先进的做法是首先进行高效率的湿擦,随后再进行干擦以去除遗留的溶剂,用清洗溶剂可以去除残留的焊膏。采用快速而高效的模板擦拭不仅可以缩短印刷周期,而且可以减少系统的保养。当然,更有意义的是可同时进行多种操作,如在擦拭模板的同时可进行焊膏。

        2.6 重叠进出板时间

        主流印刷机是基于“双通路”思想设计的,所谓“双通路”即在 SMT 电子组装中,每个通路都能以逻辑排列顺序进行独立控制,从而形成有效的板子流动,这样减少了板子运送过程中损失的时间并且延长印刷设备做自身工作的时间。一台双通路锡膏印刷机可以在一块板进行装载、卸载的同时对第二块板进行印刷作业,这样就节省了整体时间。

三轨式 P C B 传送导轨不仅可以缩短实际定位夹具的调整时间,而且可以加快板的传送速度。当一块板正在印刷时,另一块板可直接插入到其排队队列上,将电路板传送至距印刷工位最近的位置同样可以节省轴的运动时间。恰当的中心定位设计,也有利于精确、重复的锡膏印刷。

        双印刷系统即在一台印刷机中布置两条传送导轨,两条导轨可以同时进板,自动调节导轨宽度,连续独立印刷,无限缩小进出板时间,快速 PCB 定位、高速检验、赋予装配商宝贵的更多的灵活性,同时实现两块不同 PCB 印刷,工作效率几乎是普通锡膏印刷机的两倍。设备的调整也是一个方面,尽管是在印刷之前,但依然会对总的产品产量产生影响,这主要依靠操作人员的工作能力。该方面的改变,如预先布置好支撑引脚的排布,既能保证精度又加快了调整速度。预先准备好焊膏供自动填充装置使用,可减少停机次数,获得十分宝贵的时间。此外,预先通过离线编程软件编好印刷程序,在自动印刷机中也很重要。

       对于S M T 生产者来说,哪方面更为重要呢?是速度还是精度。当然,还必须考虑到三轨式PCB 传送导轨体生产的复杂性、检测与返修(或替换)成本等,但真正的目的应是达到产量与质量理想的结合;换而言之即效率。有些情况下,产量与质量的交叉点决定了生产的效率,效率越高,投资回报越快,在效率公式的质量一侧的主要参数有精度、可靠性和生产的灵活性等


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