张志耀，田 芳，狄希远

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

LTCC印刷机视觉对位技术研究

张志耀，田 芳，狄希远

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

印刷是LTCC基板制造中关键工序之一，介绍了LTCC行业印刷机主要采用的两种视觉对位方法，并分别论述了两种方法的优缺点，通过分析比较，认为所述的第一种方法更易于实现高精度印刷。

低温共烧陶瓷；印刷；视觉对位

电子整机正在日益向微型化、集成化和高频化的方向发展，这使得电子元器件也必须小型化、高频化、高可靠性和高集成度的方向发展。低温共烧陶瓷（，LTCC）基板因具有布线层数高、布线导体电阻小、介电常数低、烧结温度低，热膨胀系数小等优点，已成为理想的多芯片组件（MCM）用基板，有广泛的应用前景[1]。

LTCC多层基板制造的典型工艺流程，主要包括：打孔、印刷、叠片、层压、烧结等工艺。印刷是LTCC多层基板制造中的关键工序之一，与传统的PCB板印刷相比，LTCC行业印刷的线条更为精细，精度要求更高。LTCC生产线印刷工序主要包括生产过程中生瓷片上的通孔填充浆料的印刷、导体浆料的印刷、电阻浆料的印刷等。可以说整个基板中所有的功能线路都是通过印刷设备加工完成的，因此，印刷工序对最终产品质量的影响至关重要。印刷精度是衡量印刷效果的最主要因素之一，印刷精度不达标轻者会影响电路性能，严重时会导致电路短路等问题。图1是典型的由于印刷精度引起的质量问题。

图1 典型印刷质量问题

印刷精度主要取决于视觉对位精度和机械定位精度，本文主要论述设备的视觉对位实现原理。LTCC行业印刷机的精确对位主要有两种实现方式：一是生瓷片与试印图形之间的对位方式（如日本MICRO-TEC、NEWLONG等）；二是丝网与生瓷片的对位方式（如德国EKRA、DEK等）。

1 生瓷片与试印图形之间的对位方式 （方式一）

图2 方式一设备原理图

设备对位系统原理如图2所示，由视觉系统、对位平台、印刷系统、图像处理系统及运动控制系统等组成。结构左侧为对位工位，右侧为印刷工位；待印刷生瓷片吸附在对位平台上，相机系统采用双CCD相机方式，完成生瓷片上Mark图像的采集；图像处理系统完成图像特征的提取及相关运算；对位平台在运动控制系统的控制下可完成x、y、θ三轴方向的运动，对位平台整体可在对位工位与印刷工位之间移动，移动至印刷工位时，对位平台上升，使生瓷片与网框接近进行印刷[2]。

从安装网框开始，设备印刷工作流程如图3所示。

图3 方式一工作流程图

标定时，首先需试印一次，相机采集试印所得的印刷Mark点，视觉系统通过Mark点搜索方式可以计算每台相机与网框的相对位置，包括相机与平台的角度、相机解析度（mm/像素）、平台的旋转中心点等参数。记录Mark点中心位置，作为后续生瓷片的对位基准。对位时，通过采集生瓷片上的孔Mark来获取生瓷片当前位置，以标定时记录的印刷Mark点中心位置作为目标位置，利用标定参数作演算，驱动对位平台执行精密、快速对位。

平台执行完一次对位动作后，相机再次采集生瓷片上孔Mark图像，计算生瓷片位置与目标位置的偏差值，判断其是否小于用户预先设定的误差允许值，如不小于则继续对位，如小于误差允许值则认为对位完成，平台移动至网框下方，印刷系统完成印刷动作。

2 丝网与生瓷片的对位方式（方式二）

该方式设备结构原理如图4所示：由视觉系统、载片台、网框对位系统、图像处理系统及运动控制系统等组成。

图4 方式二设备原理图

视觉系统为由两个CCD、一个棱镜以及光源等组成，该结构可实现对网框Mark与生瓷片上孔Mark图像的同时采集，通过图像处理系统计算出两种Mark孔之间的相对位置，由运动控制系统驱动网框运动，进行x、y、θ三轴方向的调整对位，最终使网框Mark与生瓷片上孔Mark图像重合，实现对位；对位完成后相机系统从网框与生瓷片之间移开，网框下降至设定距离，刮刀动作，设备完成印刷。

其工作流程如图5所示。

3 两种对位方式的比较

（1）方式二中视觉系统在制造、组装过程中，上视与下视两组CCD光路不可避免地会存在一定的不同轴，其结果是：虽然在视觉系统中认为实现了网框Mark与生瓷片孔Mark之间的精确对位，但事实上两组Mark却存在一定的误差，对印刷精度会有一定的影响。

图5 方式二工作流程图

（2）方式二中视觉系统在安装过程中，其上视与下视CCD光路与网框、生瓷片必然会存在一定的垂直度误差，在完成对位，网框下降时，由于垂直度误差的存在，网框Mark与生瓷片孔Mark之间必然会产生位置偏差，引起印刷误差。

（3）方式二中网框升降导向柱与生瓷片及网框之间也必然存在一定的垂直度误差，网框下降时，网框Mark与生瓷片孔Mark之间也会产生位置偏差，引起印刷误差。

（4）方式二中即使克服了上述误差，在刮刀动作之前网框Mark与生瓷片孔Mark实现了精确对位，但在印刷过程中由于丝网变形会导致所印刷图形有一定的偏移，该偏移量的大小与印刷离网距离及印刷力有关。

要消除这些误差对印刷精度的影响，必须从软件上进行补偿，前文所述第一条中光路不同轴误差为固定值，可在设备调试阶段由设备生产者完成；而第二、三、四条误差值的大小受印刷物料、离网距离、印刷压力的影响，为不固定值，必须由用户不断摸索误差值来确定补偿量，降低了设备的易用性，也带来了较大的印刷误差。

而方式一采用“试印——对位”的方法，通俗地讲就是：“设备能印到哪，就把生瓷片移动到哪”，因此该方式设备只要保证设备机械运动的重复性，就能达到较高的印刷精度。

另外，对位速度方面，采用方式一的印刷机对位时CCD无需移动，只工作台调整位置，CCD检测调整结果，如误差进入设定范围，则对位完成。而采用方式二的印刷机要想实现类似效果，CCD须反复奔走于各组Mark之间，必然费时。所以，从实现原理上讲，对位方式二也不利于设备对位速度的提高。

4 结论

综上所述，从对位系统的工作原理上讲，采用方式一的印刷机更利于实现高精度印刷，对位时间也相对较短。此外，从设备成本上讲，方式二设备机械结构的加工要求较高，带上下视场的视觉系统价格也较高，因此设备总成本较高。所以，认为方式一的对位方法优于方式二。

[1] 薛耀平，王颖麟.LED的LTCC封装基板研究[J].电子工艺技术，2012，33（4）：229-233.

[2] 田辉，冯志祥，田芳.机器视觉在生瓷片印刷机中的应用[J].电子工艺技术，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

张志耀（1981-），男，山西省原平市人，工程师，硕士，主要从事电子工业专用设备的研发。

2015-05-06