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焊锡膏自动添加闭环控制技术及其应用
录入时间:2020/1/7 12:26:52

作者:杨文雄   深圳市三捷机械设备有限公司 518067

thomas.yang@syner-tech.com.cn

关键词:焊锡膏 自动加锡 闭环控制 锡膏高度侦测

摘要:在大多数传统的SMT工厂里,管理者对于锡膏添加采用作业指导的方式,人工管控锡膏添加。该方式越来越难以应对客户对于制造工厂的智能、高效、全程可控的需求。焊锡膏自动添加闭环控制技术,利用激光测距的原理,可精准监测钢网上焊锡膏的实时消耗,并根据程序设定自动补充锡膏,有效保证了钢网上锡膏量的稳定,助力客户提升生产品质。

在典型的SMT制造流程里,焊锡膏都是通过印刷或者喷印的方式涂覆到焊盘上,再经过贴片机对电子元器件的抓取、贴放,回流焊或者波峰焊以温控的方式将元器件与焊盘紧密固化,从而完成电路板的组装。在这一流程里,焊锡膏的印刷涂覆处于第一道工序,焊锡膏的添加量、助焊剂的活性、锡膏被添加的位置乃至涂覆之后位于焊盘上的锡膏形状大小,对于后续的品质至关重要。锡膏涂覆的方式又分锡膏印刷和喷印两种技术,前者是事先将光刻模板与焊锡盘精密对位,再利用刮刀在一定压力下实施涂覆(图1);喷印技术则是利用伺服控制系统,将锡膏经喷头以程序控制的方式顺序添加到各焊盘位置。(由于目前中国制造工厂里,绝大多数采用的是网板印刷工艺,故喷印工艺里的锡膏添加不在本文研究之列)

               

图1. 焊锡膏通过网板印刷的方式涂覆到印刷焊盘上     

图2. 作业员被要求定时测量钢网上的锡膏厚度

 

焊锡膏的添加管控现状

在大多数传统的SMT工厂里,管理者对于锡膏添加量的控制采用手动添加的方式。即:工厂管理人员以制度的形式规定钢网上的锡膏量,要求作业员在一定时间内按时测量锡膏的厚度,如作业员发现钢网上的锡膏厚度低于要求,即实施锡膏添加(图2)。该方式显而易见的缺点是:人工操作容易忘记添加造成后续少锡;添加过程不精准(容易过量添加或者少锡),测量值偏差过大,效率低下等。

           

近年来,随着中国的人力成本的不断上涨,及客户对品质的要求日趋严格,利用作业指导的方式人工管控锡膏添加越来越难以应对客户对于制造工厂的智能、高效、全程可控的需求。与此对应的是,部分厂商为应对自动化的需求,开发了一些加装于印刷机刮刀横梁上的自动化装置,利用步进电机马达驱动的方式自动添加锡膏【1】。见图3,图4.

      

图3.电机驱动的自动加锡装置原理图                     

图4. 加装于印刷机横梁上的自动加锡装置

该装置在安全环保方面可以有效避免操作员工同锡膏直接接触,最大程度上降低了焊锡膏里挥发性溶剂和重金属物质对人体的伤害,保证人员健康,也减少了员工的劳动强度。另一方面,该装置也解决了自动化的部分需求,然而,对于智能工厂所要求的高可靠性、全程管控等方面仍存在以下不足:

l 锡膏每次添加量需要经人工计算再输入系统,存在计算频率与实际消耗频率的偏差;

l 无法满足钢网上锡膏量的实时管控;

l 由于每款PCB产品的锡膏消耗量不同,该装置需要用人工管理锡膏添加的各项参数。

有没有一种方法能实时监测钢网上的锡膏消耗量,闭环控制锡膏添加过程呢?

焊锡膏自动添加闭环控制技术原理

在一个理想的闭环系统里,通常包含有工艺过程部分(Process)、测控单元(Measurement of the controlled variable)、控制调节器(Controller)三个主要部分组成。测量反馈部分按一定的时间段,将所测量的数据传到控制器,控制器将传回的反馈数据进行计算分析,并与事先所设定的参数对,根据比对结果来调节输入部分的大小,从而形成闭环控制回路。[3]

 

图5.典型的控制回路图                              

图6.理想的采样器(持续输入与采样输出)

图6中的开关代表一个取样信号,误差信号以ε(t)表示,取样误差信号以ε*(t)表示。二者在运行中的关系如图6所示。取样信号在开关的通、断条件下,随着时间的推移向系统实时反馈了工艺过程中的参数变化。实际操作中,由于取样时间有一定的时间滞后,且为离散数据,故数据反映到控制系统里,系统会根据反馈的数据、及时比对事先设定的数据,运行计算后按阶段执行调整。

(图-7)所示的锡膏添加机构采用激光反射传感器,实时监测钢网上焊锡膏的滚动直径,当所测的锡膏高度低于设定值时,即触发加锡。其实施模型及示意图如图-8所示如下。

  

图7. 钢网上焊锡膏直径变化示意图

                     

 

 

图7中,d1 是钢网上的初始锡膏厚度。锡膏印刷机经过t1时间后,由于锡膏的消耗,锡膏厚度变成了d2, 此时经过传感器的信号反馈,触发自动加锡系统加锡1次。钢网上的锡膏高度随即恢复为d1。经过一段时间的消耗之后,钢网上的锡膏高度又变成d2, 系统又被触发添加一次,锡膏高度又变回d1。如此往复,可使得锡膏印刷机在t1~t5这个时间段里,钢网上锡膏高度变化值Δh始终恒定处于h1~h2之间。

图9中,假设主锡膏滚柱的直径为D1, 每次添加的锡膏滚柱直径为d2, 则添加后的锡膏滚柱的体积为:

添加后的锡膏直径为:

三捷公司生产的自动加锡方式为移动式添加,故L1=l2, 因此,以上公式可以化简为:

简化后的公式表明,只要所添加的锡膏直径大小与主锡膏滚柱的大小设置合理,则所添加的锡膏滚柱直径将会被控制在一定范围。以某手机制造厂SMT车间为例,D1设为15mm,出锡嘴的孔径设为3mm,则自动加锡后的锡膏直径为:15.29mm, 锡膏滚柱直径的变动范围为:1.93%。

焊锡膏闭环检测的实现方法及操作验证

为实际验证以上理论计算的结果,我们在一家生产汽车电子的公司实际验证。该公司的锡膏印刷机为美国Speedline公司的MPM BTB印刷机,使用Indium公司的锡膏,采用三捷机械公司生产的的自动加锡装置(图-10)。

图10 自动加锡装置及闭环监控系统

 

操作人员首先关闭锡膏自动添加功能,在近3小时的监测时间内,工程师每隔6分钟用刻度尺量出锡膏滚柱的直径,数据经整理后如图-11所示;同时,记录下闭环监测系统里的界面显示读数,经软件处理后如图12所示。

  

11. 锡膏用量实际测量值及其消耗趋势     

         

12. 系统计算锡膏高度值及其消耗趋势

 

由图可见,该生产线上的焊锡膏在被监测的时间内,钢网上锡膏团实测高度在17.21mm~13.53mm区间波动。随着时间的推移,锡膏高度大致呈线性减少趋势。而锡膏监测系统监测出的高度值在11~9mm之间波动,两者的斜率高度吻合。实测的趋势图与系统读出的数据存在平均为5.2mm左右的斜率差,这是由于不同厂家的锡膏对于激光的反射率存在差异;而对于不同的设备,在其安装锡膏监测系统时,传感器的安装角度也存在一定偏差。实际操作中,可以通过在软件算法里增加一定的补偿值加以解决。

在接下来的3小时内,操作人员打开自动加锡功能,将锡膏高度值设定为15mm, 传感器读数补偿值为5mm,锡膏出锡嘴的大小为7mm,系统根据读数,自动触发添加焊锡膏。按照与先前同样的操作方法,操作人员每6分钟用刻度尺量出锡膏滚柱的直径,记录下来实际读数,数据经处理后,如图-13所示:

  

13. 闭环添加系统中钢网上的锡膏高度实际测量值正态分布图及时序图

 

由图可见,当印刷机钢网上的焊锡膏高度在达到临界值之后,系统会自动添加锡膏;而当高度值高于一定值之后,系统会停止加锡,留待设备生产印刷消耗,直至其达到另外一个临界点。在被测试的近3小时里,锡膏高度始终在最高值15.86mm,最低值14.12mm,均值为15.17mm的范围内波动,有效保证了产品品质。

结论:

相比于传统的锡膏添加管控方式,该功能对自动加锡作闭环控制,实时监测钢网上的锡膏厚度。由于不同的锡膏反射率不同,以及感应器安装角度存在偏差,可能需要软件做出补偿以便适配不同的机器。但是,只要出锡嘴大小选择适当,钢网上的锡膏高度可控制在±1mm以内。焊锡膏自动添加闭环控制技术可以有效避免用称重、计数或其他人工设定加锡频率的方式而带来的锡膏添加量不足的问题。

 

作者简介:杨文雄,理学硕士,毕业于香港城市大学材料科学及纳米科技专业。曾任DEK中国研发部高级工程师,美国环球仪器公司中国研发部工程师。在美国、英国有丰富的项目工作经验及设备开发经历,电子制造行业从业超过20年。现任深圳市三捷机械设备有限公司商务拓展经理,负责产品战略研发及市场导入工作。

 

参考文献

1. Screen Printing Machine and Screen Printing Method, United States Patent Application Publication, Pub. No. US 2015/0258776 A1, Pu. Date: Sep.17,2015, Hideki UCHIDA, Masaaki YOKUNAGA, Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd

2. 王威,工业电气自动化,中国商业出版社

3. Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 26th edition


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