《SMTChina表面組裝技術》雜志發表技術特寫文章介紹我公司焊錫膏自動添加與閉環控制技術
《SMTChina表面組裝技術》雜志2019年10/11月刊，發表技術特寫文章介紹我公司焊錫膏自動添加與閉環控制技術。
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以下是該文章原文，以及該雜志的電子版連接 http://www.smtchinamag.com/DeTechnology.asp?id=4977
焊錫膏自動添加閉環控制技術及其應用
作者：楊文雄 深圳市三捷機械設備有限公司 518067
thomas.yang@syner-tech.com.cn
關鍵詞：焊錫膏 自動加錫 閉環控制 錫膏高度偵測
摘要：在大多數傳統的SMT工廠里，管理者對于錫膏添加采用作業指導的方式，人工管控錫膏添加。該方式越來越難以應對客戶對于制造工廠的智能、高效、全程可控的需求。焊錫膏自動添加閉環控制技術，利用激光測距的原理，可精準監測鋼網上焊錫膏的實時消耗，并根據程序設定自動補充錫膏，有效保證了鋼網上錫膏量的穩定，助力客戶提升生產品質。
在典型的SMT制造流程里，焊錫膏都是通過印刷或者噴印的方式涂覆到焊盤上，再經過貼片機對電子元器件的抓取、貼放，回流焊或者波峰焊以溫控的方式將元器件與焊盤緊密固化，從而完成電路板的組裝。在這一流程里，焊錫膏的印刷涂覆處于第一道工序，焊錫膏的添加量、助焊劑的活性、錫膏被添加的位置乃至涂覆之后位于焊盤上的錫膏形狀大小，對于后續的品質至關重要。錫膏涂覆的方式又分錫膏印刷和噴印兩種技術，前者是事先將光刻模板與焊錫盤精密對位，再利用刮刀在一定壓力下實施涂覆（圖1）；噴印技術則是利用伺服控制系統，將錫膏經噴頭以程序控制的方式順序添加到各焊盤位置。(由于目前中國制造工廠里，絕大多數采用的是網板印刷工藝，故噴印工藝里的錫膏添加不在本文研究之列)
圖1. 焊錫膏通過網板印刷的方式涂覆到印刷焊盤上
圖2. 作業員被要求定時測量鋼網上的錫膏厚度
焊錫膏的添加管控現狀
在大多數傳統的SMT工廠里，管理者對于錫膏添加量的控制采用手動添加的方式。即：工廠管理人員以制度的形式規定鋼網上的錫膏量，要求作業員在一定時間內按時測量錫膏的厚度，如作業員發現鋼網上的錫膏厚度低于要求，即實施錫膏添加（圖2）。該方式顯而易見的缺點是：人工操作容易忘記添加造成后續少錫；添加過程不精準（容易過量添加或者少錫），測量值偏差過大，效率低下等。
近年來，隨著中國的人力成本的不斷上漲，及客戶對品質的要求日趨嚴格，利用作業指導的方式人工管控錫膏添加越來越難以應對客戶對于制造工廠的智能、高效、全程可控的需求。與此對應的是，部分廠商為應對自動化的需求，開發了一些加裝于印刷機刮刀橫梁上的自動化裝置，利用步進電機馬達驅動的方式自動添加錫膏【1】。見圖3，圖4.
圖3.電機驅動的自動加錫裝置原理圖
圖4. 加裝于印刷機橫梁上的自動加錫裝置
該裝置在安全環保方面可以有效避免操作員工同錫膏直接接觸，最大程度上降低了焊錫膏里揮發性溶劑和重金屬物質對人體的傷害，保證人員健康，也減少了員工的勞動強度。另一方面，該裝置也解決了自動化的部分需求，然而，對于智能工廠所要求的高可靠性、全程管控等方面仍存在以下不足：
l 錫膏每次添加量需要經人工計算再輸入系統，存在計算頻率與實際消耗頻率的偏差；
l 無法滿足鋼網上錫膏量的實時管控；
l 由于每款PCB產品的錫膏消耗量不同，該裝置需要用人工管理錫膏添加的各項參數。
有沒有一種方法能實時監測鋼網上的錫膏消耗量，閉環控制錫膏添加過程呢？
在一個理想的閉環系統里，通常包含有工藝過程部分(Process)、測控單元(Measurement of the controlled variable)、控制調節器(Controller)三個主要部分組成。測量反饋部分按一定的時間段，將所測量的數據傳到控制器，控制器將傳回的反饋數據進行計算分析，并與事先所設定的參數對，根據比對結果來調節輸入部分的大小，從而形成閉環控制回路。[3]
圖5.典型的控制回路圖
圖6.理想的采樣器（持續輸入與采樣輸出）
圖6中的開關代表一個取樣信號，誤差信號以ε（t）表示,取樣誤差信號以ε*（t）表示。二者在運行中的關系如圖6所示。取樣信號在開關的通、斷條件下，隨著時間的推移向系統實時反饋了工藝過程中的參數變化。實際操作中，由于取樣時間有一定的時間滯后，且為離散數據，故數據反映到控制系統里，系統會根據反饋的數據、及時比對事先設定的數據，運行計算后按階段執行調整。
(圖-7)所示的錫膏添加機構采用激光反射傳感器，實時監測鋼網上焊錫膏的滾動直徑，當所測的錫膏高度低于設定值時，即觸發加錫。其實施模型及示意圖如圖-8所示如下。
圖7. 鋼網上焊錫膏直徑變化示意圖
圖7中，d1 是鋼網上的初始錫膏厚度。錫膏印刷機經過t1時間后，由于錫膏的消耗，錫膏厚度變成了d2, 此時經過傳感器的信號反饋，觸發自動加錫系統加錫1次。鋼網上的錫膏高度隨即恢復為d1。經過一段時間的消耗之后，鋼網上的錫膏高度又變成d2, 系統又被觸發添加一次，錫膏高度又變回d1。如此往復，可使得錫膏印刷機在t1~t5這個時間段里，鋼網上錫膏高度變化值Δh始終恒定處于h1~h2之間。
圖9中，假設主錫膏滾柱的直徑為D1, 每次添加的錫膏滾柱直徑為d2, 則添加后的錫膏滾柱的體積為：
添加后的錫膏直徑為：
三捷公司生產的自動加錫方式為移動式添加，故L1=l2, 因此，以上公式可以化簡為：
簡化后的公式表明，只要所添加的錫膏直徑大小與主錫膏滾柱的大小設置合理，則所添加的錫膏滾柱直徑將會被控制在一定范圍。以某手機制造廠SMT車間為例，D1設為15mm，出錫嘴的孔徑設為3mm，則自動加錫后的錫膏直徑為：15.29mm, 錫膏滾柱直徑的變動范圍為：1.93%。
焊錫膏閉環檢測的實現方法及操作驗證
為實際驗證以上理論計算的結果，我們在一家生產汽車電子的公司實際驗證。該公司的錫膏印刷機為美國Speedline公司的MPM BTB印刷機，使用Indium公司的錫膏，采用三捷機械公司生產的的自動加錫裝置（圖-10）。
圖10 自動加錫裝置及閉環監控系統
操作人員首先關閉錫膏自動添加功能，在近3小時的監測時間內，工程師每隔6分鐘用刻度尺量出錫膏滾柱的直徑，數據經整理后如圖-11所示；同時，記錄下閉環監測系統里的界面顯示讀數，經軟件處理后如圖12所示。
圖11. 錫膏用量實際測量值及其消耗趨勢
圖12. 系統計算錫膏高度值及其消耗趨勢
由圖可見，該生產線上的焊錫膏在被監測的時間內，鋼網上錫膏團實測高度在17.21mm~13.53mm區間波動。隨著時間的推移，錫膏高度大致呈線性減少趨勢。而錫膏監測系統監測出的高度值在11~9mm之間波動，兩者的斜率高度吻合。實測的趨勢圖與系統讀出的數據存在平均為5.2mm左右的斜率差，這是由于不同廠家的錫膏對于激光的反射率存在差異；而對于不同的設備，在其安裝錫膏監測系統時，傳感器的安裝角度也存在一定偏差。實際操作中，可以通過在軟件算法里增加一定的補償值加以解決。
在接下來的3小時內，操作人員打開自動加錫功能，將錫膏高度值設定為15mm, 傳感器讀數補償值為5mm，錫膏出錫嘴的大小為7mm，系統根據讀數，自動觸發添加焊錫膏。按照與先前同樣的操作方法，操作人員每6分鐘用刻度尺量出錫膏滾柱的直徑，記錄下來實際讀數，數據經處理后,如圖-13所示：
圖13. 閉環添加系統中鋼網上的錫膏高度實際測量值正態分布圖及時序圖
由圖可見，當印刷機鋼網上的焊錫膏高度在達到臨界值之后，系統會自動添加錫膏；而當高度值高于一定值之后，系統會停止加錫，留待設備生產印刷消耗，直至其達到另外一個臨界點。在被測試的近3小時里，錫膏高度始終在最高值15.86mm，最低值14.12mm，均值為15.17mm的范圍內波動，有效保證了產品品質。
結論：
相比于傳統的錫膏添加管控方式，該功能對自動加錫作閉環控制，實時監測鋼網上的錫膏厚度。由于不同的錫膏反射率不同，以及感應器安裝角度存在偏差，可能需要軟件做出補償以便適配不同的機器。但是，只要出錫嘴大小選擇適當，鋼網上的錫膏高度可控制在±1mm以內。焊錫膏自動添加閉環控制技術可以有效避免用稱重、計數或其他人工設定加錫頻率的方式而帶來的錫膏添加量不足的問題。
作者簡介：楊文雄，理學碩士，畢業于香港城市大學材料科學及納米科技專業。曾任DEK中國研發部高級工程師，美國環球儀器公司中國研發部工程師。在美國、英國有豐富的項目工作經驗及設備開發經歷，電子制造行業從業超過20年?，F任深圳市三捷機械設備有限公司商務拓展經理，負責產品戰略研發及市場導入工作。
參考文獻
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，工業電氣自動化，中國商業出版社
3. Marks’ Standard Handbook for Mechanical Engineers, 26th edition
