肖方生

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原 030024)

低溫共燒陶瓷 (Low-temperature co-fired ceramics,LTCC)技術(shù)，就是將低溫?zé)Y(jié)陶瓷粉經(jīng)過流延制成厚度精確且致密的生瓷帶，作為電路基板材料，在生瓷片上打孔、微孔填充、精密導(dǎo)體漿料印刷、疊片以及層壓等工藝制出所需要的電路圖形，并將多個無源元件埋入其中，然后疊壓在一起，在900℃下燒結(jié)，制成三維電路網(wǎng)絡(luò)的無源集成組件或基板。

由于燒結(jié)后的陶瓷基片切割起來很困難，所以LTCC工藝通常在燒結(jié)前切割，對層壓后的多層生瓷片進行切割以形成單體。

1　熱切機對機器視覺的要求

熱切機是LTCC多層基板制造的關(guān)鍵設(shè)備之一，是通過計算機編程，并自動精確控制伺服系統(tǒng)對層壓后帶有Mark標(biāo)識的多層生瓷片在一定加熱溫度條件下快速、高精度的切割，使其成為單體。特別適用于多品種小批量或中型產(chǎn)量的LTCC基板的研制與生產(chǎn)。

LTCC產(chǎn)品的切割要求：尺寸(max)203 mm×203 mm，切割精度Y軸±0.01 mm，Z軸±0.01 mm，θ軸±0.004°。

由于致密的多層生瓷片特性較軟并有一定黏性，在多層生瓷片通過加熱的鎢鋼刀體進行切割時,為了保證切割元件的精度和一致性，并且不損傷內(nèi)置元件，熱切過程需要實現(xiàn)高精度的控制。

熱切過程如圖1所示，主要包括多層生瓷片的上料、定位、自動對準(zhǔn)、熱切和出料等操作，其中定位、對準(zhǔn)、切割過程是重要部分。在多層生瓷片熱切過程中，精密定位顯得尤為重要，直接關(guān)系著熱切精度高低，是熱切機關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖1　熱切過程

2　熱切機視覺系統(tǒng)方案設(shè)計

熱切機視覺系統(tǒng)主要完成多層生瓷片熱切前的精密定位功能，以保證熱切后的圖形精度。多層生瓷片由工作臺吸附，視覺系統(tǒng)采集圖像、識別計算并返回數(shù)據(jù)，運動控制系統(tǒng)接收到位移數(shù)據(jù)后驅(qū)動工作臺完成定位。

熱切精度主要取決于視覺對位精度和機械定位精度。根據(jù)±10 μm的精度要求，設(shè)計時進行精度分解：視覺系統(tǒng)要達到±3 μm的對位精度，機械定位精度和其他精度達到±7 μm，即可滿足最終精度要求。

生瓷片上有兩組用于對位的標(biāo)記點（熱切標(biāo)識有兩種：線條和孔），需要采集兩個標(biāo)記點的圖像信息進行定位。采用兩套相機和光源分別對兩個標(biāo)記點進行圖像采集，如圖2所示，兩套相機分別傾斜安裝在兩個可獨立左右移動的電機上。視覺系統(tǒng)硬件主要包括：相機、環(huán)形光源、普通鏡頭各兩個以及圖像采集處理模塊。

圖2　工作臺結(jié)構(gòu)

3　機器視覺的實施

3.1　工作過程

多層生瓷片尺寸203 mm×203 mm，片上有直徑為0.02 mm的兩列小孔(或?qū)挾葹?.02 mm的兩列線段)。如圖3所示，兩個相機位置固定，分別對準(zhǔn)紅線兩端的小孔采圖。視場范圍為3.6 mm×3.6 mm(如圖3中小方框內(nèi)，可以保證相機視場內(nèi)只有一個小孔)。

根據(jù)兩個相機得到的小孔位置和相機之間的位置關(guān)系，計算多層生瓷片在垂直方向上與標(biāo)準(zhǔn)位置的偏差以及多層生瓷片的偏轉(zhuǎn)角度（圖3中藍線所示）。工作臺機構(gòu)將依據(jù)計算結(jié)果校準(zhǔn)多層生瓷片的位置。校準(zhǔn)結(jié)束后，刀片（固定在圖3中橫線位置處）將下落切割多層生瓷片，要求多層生瓷片被刀片從兩個標(biāo)志點的圓心連線處被準(zhǔn)確切開（切開一條刀口，有一定深度但并不切斷）。切割完畢后，工作臺將推動多層生瓷片前進，相機將對準(zhǔn)下一對標(biāo)志點進行拍攝……，依次進行，直至所有標(biāo)志點對被處理完畢。

橫向切割完畢后，多層生瓷片旋轉(zhuǎn)90°，如圖4所示，以同理進行校準(zhǔn)和切割。

3.2　定位的誤差分析與補償

由工作臺機械結(jié)構(gòu)所限，兩個相機均不能垂直對準(zhǔn)目標(biāo)，會偏離垂直方向45°。相機視線如圖5所示。工作臺結(jié)構(gòu)會給相機和鏡頭留出沿中軸線方向180 mm的空間，物距為75 mm。

切割坐標(biāo)系和圖像坐標(biāo)系之間存在一個角度偏差，此偏差角度影響最終的加工精度，故要對其進行補償。角度偏差的計算方法為：首先拍著一幅圖像并在其上設(shè)定基準(zhǔn)MARK；其次把基準(zhǔn)MARK和這幅圖像作對比，計算出其匹配中心位置坐標(biāo)（X1，Y1），然后控制平臺往Y軸正方向移動，移動盡量遠(yuǎn)的距離以保證計算精度，但不要移出相機視場；移動后把基準(zhǔn)MARK和圖像做第二次對比，并記錄此時的匹配中心位置坐標(biāo)（X2，Y2），則偏差角度A的計算公式為：

圖3　橫向校準(zhǔn)和切割

圖4　旋轉(zhuǎn)90°后的校準(zhǔn)和切割

圖5　相機的放置

把此角度考慮在內(nèi)（以逆時針為正），則此時的偏移量為：

式中：Dy為考慮角度偏差后實時MARK相對于與基準(zhǔn)MARK的偏移量；W為兩個相機的中心距離；A為偏差角度。

3.3　定位計算

如圖6所示，小孔在左右兩個相機視場內(nèi)相對于各自視場左上角點的坐標(biāo)分別為:(X1，Y1)，(X2，Y2)。由于相機經(jīng)過精確定位，兩相機位置在X方向上相同?？烧J(rèn)為多層生瓷片在Y方向上的偏差為：|Y1-Y2|。

圖6　多層生瓷片定位示意圖

多層生瓷片偏轉(zhuǎn)角度：

式中：W為兩個相機的中心距離，W1為相機水平方向上視場長度。

4　結(jié)束語

機器視覺技術(shù)的誕生和應(yīng)用，極大地解放了人力，提高了生產(chǎn)自動化水平。機器視覺系統(tǒng)在熱切機中的成功應(yīng)用，實現(xiàn)了多層生瓷片的高精度快速熱切。

經(jīng)過客戶超過1 000個產(chǎn)品的生產(chǎn)，熱切機視覺系統(tǒng)的對位精度在±3 μm之內(nèi)，滿足設(shè)計要求。

LTCC正在以飛快的速度應(yīng)用在許多領(lǐng)域，在未來幾年中將需要大量的LTCC生產(chǎn)線來滿足日益增長的產(chǎn)量要求。

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