孫文濤,郝鵬飛,王瑞鵬
( 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所, 山西 太原 030024)
軌道交通、光伏風(fēng)能、智能電網(wǎng)等行業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展帶動(dòng)了高壓大功率絕緣柵雙極晶體管(IGBT)模塊的需求增長(zhǎng),陶瓷基板由于其高熱導(dǎo)率、強(qiáng)絕緣性、耐腐蝕等可靠性成為IGBT 模塊的封裝基礎(chǔ)材料,對(duì)器件互連、內(nèi)外導(dǎo)熱、機(jī)械支撐等起作用。活性金屬釬焊(Active Metal Brazing,AMB)工藝相較于直接覆銅(Direct Copper Bonding,DBC)工藝結(jié)合力更強(qiáng)、內(nèi)部熱應(yīng)力更低,正逐步成為主流制備工藝[1]。其中印刷作為AMB 的關(guān)鍵工序,機(jī)器視覺系統(tǒng)的對(duì)位精度直接決定了陶瓷基板的良率。
AMB 工藝是將少量活性元素(Ti、Zr、V、Cr等)加入含Cu、Ag 的漿料中,通過絲網(wǎng)印刷技術(shù)印刷在陶瓷基板上,在釬焊爐中進(jìn)行真空燒結(jié),實(shí)現(xiàn)銅箔與陶瓷基板的結(jié)合[2];再通過蝕刻、鍍覆、鍵合、塑封灌膠等工序?qū)⒏层~襯板封裝到IGBT模塊中,其典型的制備工序如圖1 所示。
圖1 AMB 氮化硅覆銅板制備工藝流程圖
其中,焊料印刷、濕膜印刷和阻焊印刷3 道工序均需要用到絲網(wǎng)印刷機(jī),分別實(shí)現(xiàn)釬焊料對(duì)陶瓷基板的浸潤(rùn)以及對(duì)不需要鍍覆的覆銅陶瓷基板表面進(jìn)行油墨保護(hù)。
如圖2 所示,絲網(wǎng)印刷是利用網(wǎng)版進(jìn)行印刷的技術(shù),網(wǎng)版由聚酯、鋼絲和尼龍等材質(zhì)編織而成,將要印刷的部分開孔,漿料涂覆在印刷的起始區(qū)域,刮刀在絲網(wǎng)上表面勻速移動(dòng)并施加一定壓力,漿料從網(wǎng)版的圖案部分?jǐn)D壓轉(zhuǎn)印到生瓷片、陶瓷基板和覆銅板等承印物的表面,在基板上形成具備一定厚度的釬焊料或油墨層[3]。印刷時(shí)根據(jù)不同的網(wǎng)版紗厚及開口率、刮刀壓力、刮刀速度、刮刀角度、離網(wǎng)間距、離刀遲滯時(shí)間、漿料黏度等參數(shù)可得到不同厚度的漿料。
圖2 絲網(wǎng)印刷示意圖
絲網(wǎng)印刷的精度直接影響后續(xù)釬焊、阻焊、鍍覆等工序,因此需引入機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)高精度印刷。視覺對(duì)位系統(tǒng)包含CCD 相機(jī)組件和對(duì)位工作臺(tái)組件,通過MELSEC TCP 協(xié)議實(shí)現(xiàn)視覺控制器與PLC 間的通訊,分別對(duì)網(wǎng)版與基板的Mark 進(jìn)行圖像采集,計(jì)算二者之間的偏差,由UVW 三軸高精度平臺(tái)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償,實(shí)現(xiàn)±5 μm 的對(duì)位精度。整個(gè)系統(tǒng)由硬件與軟件兩部分組成,如圖3 所示。
圖3 機(jī)器視覺系統(tǒng)
相機(jī)組件如圖4 所示,由工業(yè)相機(jī)、工業(yè)鏡頭、光源及安裝支架組成。
圖4 相機(jī)組件
3.1.1 工業(yè)相機(jī)
工業(yè)相機(jī)具備高抗干擾性、高傳輸速度、高圖像穩(wěn)定性,是機(jī)器視覺系統(tǒng)中的重要組件,可以將采集的光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橛行虻碾娦盘?hào),它決定了所采集圖像的質(zhì)量和分辨率。根據(jù)被檢測(cè)標(biāo)識(shí)點(diǎn)的尺寸及精度,設(shè)備選用了200 萬像素的彩色CCD雙相機(jī)系統(tǒng),分辨率為1600×1200,像素尺寸為4.4 μm×4.4 μm。配合數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)億級(jí)的視覺控制器,可將采集的圖像迅速處理分析。
3.1.2 工業(yè)鏡頭
由于基板厚度范圍較大,且蝕刻過后的陶瓷基板被測(cè)表面高度不一,考慮到對(duì)位Mark 的大小,工業(yè)鏡頭選用畸變率小的單倍遠(yuǎn)心鏡頭來消除傳統(tǒng)鏡頭帶來的視差,其中景深為2.8 mm,配合Z 向滑臺(tái),可應(yīng)用于厚度為0.2~3 mm 的陶瓷基板成像需求。
優(yōu)化配置中,像素精度為4.4 μm,滿足對(duì)位精度為±5 μm 的需求。視野大小約為7.1 mm×5.4 mm,滿足邊角或Mark 尺寸識(shí)別、標(biāo)定范圍、料片放置精度5 mm×5 mm 需求。
3.1.3 光源
在AMB 工藝中焊料印刷、濕膜印刷以及阻焊印刷均需用到絲網(wǎng)印刷機(jī)。前一道工序承印物為氮化硅、氮化鋁或氧化鋁裸板,材質(zhì)表面呈漫反射,后兩道工序承印物為覆銅襯板,表面往往為裸銅或鍍覆了Ag、Ni 等元素,由于鍍覆材質(zhì)不同,表面斑駁且呈鏡面反射,因此光源選擇上要考慮兼容不同產(chǎn)品。如圖5 所示測(cè)試同一產(chǎn)品在白色同軸光、碗光、無影環(huán)光下的效果,白色同軸光環(huán)境下背景干擾最小,最終選擇該種光源。
圖5 同軸光、碗光、無影環(huán)光測(cè)試效果
3.1.4 工作臺(tái)
工作臺(tái)組件由載物臺(tái)和UVW 平臺(tái)組成,如圖6 所示。為兼容不同基板和覆銅襯板的厚度,載物臺(tái)設(shè)計(jì)為內(nèi)外臺(tái)結(jié)構(gòu)。內(nèi)臺(tái)放置料片,外臺(tái)通過安裝不同厚度掩模版實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)表面高度一致,延長(zhǎng)絲網(wǎng)壽命。內(nèi)臺(tái)尺寸與產(chǎn)品尺寸相近,既防止尺寸過大造成刮刀空壓減損絲網(wǎng)壽命,也防止尺寸過小基板無支撐形成隱裂影響產(chǎn)品性能。下層對(duì)位平臺(tái)采用UVW 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)視覺對(duì)位的標(biāo)定和糾偏,相較于傳統(tǒng)的XYθ 平臺(tái),UVW 平臺(tái)采用平面并聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,具備響應(yīng)速度快、剛性高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的定位精度,廣泛應(yīng)用于機(jī)器視覺中[4]。雖然UVW 平臺(tái)相比于XYθ 平臺(tái)工作范圍較小,但在全自動(dòng)絲網(wǎng)印刷機(jī)中通過整理、預(yù)定位等方式,可保證陶瓷基板的放置精度不超過±3 mm。此處我們選擇定位精度為1 μm、重復(fù)定位精度為0.5 μm 的高精度步進(jìn)電機(jī),配合圖像處理系統(tǒng),可滿足±5 μm 的對(duì)位精度需求。
圖6 UVW 對(duì)位工作臺(tái)
需識(shí)別的產(chǎn)品可分為兩類,一是在焊料印刷工序的未鍍覆裸板,此時(shí)基板表面未覆銅也未經(jīng)過蝕刻,表面無Mark 點(diǎn),只能將基板對(duì)角兩點(diǎn)作為標(biāo)識(shí)點(diǎn),因此軟件需要具備邊緣位置識(shí)別及交點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算功能;二是在濕膜、阻焊印刷工序的覆銅板,此時(shí)基板已經(jīng)過蝕刻工序,表面有用于標(biāo)識(shí)的圓形Mark,因此軟件需具備圓形掃描邊緣的功能擬合計(jì)算圓心位置。
由于基板存在一定厚度,切割時(shí)切割垂面無法完全與基板表面垂直,在機(jī)器視覺下正反面邊緣顏色及深度均有所不同。上料時(shí)人工無法有效區(qū)分正反面,存在混料情況,因此在焊料印刷工序時(shí)需要通過視覺算法在識(shí)別邊緣時(shí),既兼容基板正反面不同邊緣情況,也需對(duì)由于對(duì)位平臺(tái)內(nèi)外臺(tái)高度差造成的內(nèi)臺(tái)倒角邊緣陰影干擾做有效消除。
對(duì)位流程分3 步,分別為標(biāo)定、定基準(zhǔn)、對(duì)位。
3.2.1 標(biāo)定
在視覺軟件上設(shè)定平臺(tái)種類為UVW 平臺(tái),旋轉(zhuǎn)極性為正極,支點(diǎn)類型為旋轉(zhuǎn)。首先進(jìn)行初次校準(zhǔn)設(shè)定,分別設(shè)XY 方向移動(dòng)量為2 mm,旋轉(zhuǎn)開始移動(dòng)角度為1°,將UVW 平臺(tái)回零,網(wǎng)版上Mark 印刷到試印刷紙上,對(duì)相機(jī)整個(gè)視野的坐標(biāo)系初步確定,保證Mark 點(diǎn)不會(huì)移動(dòng)到相機(jī)視野之外。其次,采用13 點(diǎn)標(biāo)定法,UVW 平臺(tái)帶動(dòng)試印刷紙?jiān)谝曇胺秶鷥?nèi)分別完成3×3 的矩陣平移和4 個(gè)旋轉(zhuǎn)角的移動(dòng)采樣,分別記錄各點(diǎn)的像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo),即可用最小二乘法擬合出像素坐標(biāo)系與實(shí)際物理坐標(biāo)系間的關(guān)系。得到如圖7 所示的A、B、C、D、E、F 共6 個(gè)校準(zhǔn)變換值。
圖7 標(biāo)定數(shù)據(jù)
像素坐標(biāo)系與物理坐標(biāo)系變換公式為:
其中(X,Y)為像素坐標(biāo),單位為pixel,(X′,Y′)為物理坐標(biāo),單位為mm,由圖7 數(shù)據(jù)可知XY 最大誤差和XY 軸角度均在允許范圍內(nèi)。
3.2.2 定基準(zhǔn)
UVW 平臺(tái)回至初始位,用視覺控制器記錄試印刷紙上兩Mark 點(diǎn)坐標(biāo)(即網(wǎng)版Mark 位置)(X0,Y0)、(X1,Y1)作為基準(zhǔn)點(diǎn)。
3.2.3 對(duì)位
將陶瓷基板放于工作臺(tái)內(nèi)臺(tái)上,用視覺控制器記錄兩標(biāo)識(shí)點(diǎn)坐標(biāo)為則兩點(diǎn)各自偏差(ΔX0,ΔY0)、(ΔX1,ΔY1)為:
Mark 中點(diǎn)的偏移量為:
角度偏移量θ 為:
因此旋轉(zhuǎn)偏移Δθ 為:
其中L 為兩Mark 點(diǎn)距離。將ΔX、ΔY、Δθ 返回至PLC,帶動(dòng)UVW 平臺(tái)進(jìn)行高精度糾偏對(duì)位,循環(huán)上述流程直至對(duì)位精度達(dá)到設(shè)定閾值范圍內(nèi)。
3.2.4 補(bǔ)償
實(shí)際生產(chǎn)過程中,AMB 陶瓷覆銅基板這類復(fù)合結(jié)構(gòu)因各材料模量、強(qiáng)度、熱膨脹系數(shù)差異導(dǎo)致的殘余應(yīng)力不同,基板存在一定翹曲,邊角或Mark 標(biāo)識(shí)點(diǎn)與印刷圖案的相對(duì)位置發(fā)生變化,需引入X、Y、θ 向的對(duì)位補(bǔ)償X'、Y'、θ',修改基準(zhǔn)位置,實(shí)際偏差為:
為防止產(chǎn)品尺寸偏差過大,軟件設(shè)計(jì)了Mark間距測(cè)量功能,分別計(jì)算網(wǎng)版Mark 與基板Mark間的距離,超過閾值后停止生產(chǎn)。
將高精度視覺對(duì)位系統(tǒng)引入絲印機(jī)并在客戶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,結(jié)果如下。
對(duì)于蝕刻之后的覆銅襯板,雖然鍍覆工藝不同造成產(chǎn)品表面情況較復(fù)雜,采用圓形掃描邊緣位置方法針對(duì)不同產(chǎn)品設(shè)定不同邊緣閾值,也均可有效識(shí)別Mark 點(diǎn)。如圖8、9 所示分別為鍍鎳、鍍銀覆銅襯板圓形Mark 識(shí)別結(jié)果。
圖8 鍍鎳覆銅襯板圓形Mark 識(shí)別結(jié)果
圖9 鍍銀覆銅襯板圓形Mark 識(shí)別結(jié)果
首先實(shí)驗(yàn)了如圖10 所示的智能模板多模板匹配算法,僅針對(duì)單種產(chǎn)品單相機(jī)需做幾十種模板適應(yīng)由于陶瓷基板放置在內(nèi)臺(tái)上的位置不同造成的不同背景干擾,耗時(shí)耗力,且識(shí)別成功率僅有90%,識(shí)別精度只有幾百微米,無法滿足生產(chǎn)要求。
圖10 智能模板多模板匹配
其次實(shí)驗(yàn)了如圖11 所示的差分抽取算法,基板由于厚度存在陰影,內(nèi)臺(tái)倒角、陰影及基板邊緣灰度值不同,差分抽取會(huì)將陰影抽出,導(dǎo)致邊緣識(shí)別不明。
圖11 差分抽取
最后實(shí)驗(yàn)了邊緣位置+交點(diǎn)坐標(biāo)+位置修正算法,計(jì)算整個(gè)測(cè)量區(qū)域內(nèi)的色差分布,針對(duì)氮化硅、氮化鋁或氧化鋁基板,雖然表面顏色不同、由于切割造成的正反面邊緣厚度不同,通過調(diào)整邊緣閾值上下限等參數(shù),將邊緣水平值的色差突變之處作為邊緣檢測(cè)出來;同時(shí)設(shè)定干擾水平和干擾寬度,以最初檢測(cè)出邊緣的位置為基準(zhǔn),將超過干擾閾值的測(cè)量對(duì)象作為邊緣檢出。
識(shí)別基板兩條相交邊緣后,根據(jù)兩條邊的邊緣信息計(jì)算出近似直線以及相交點(diǎn)的(X,Y)坐標(biāo),得到裸片標(biāo)識(shí)點(diǎn)位置。
在使用邊緣位置算法時(shí),需將視野中心作為位置修正用的模型,便于將基板畫面調(diào)整到固定位置掃描識(shí)別邊緣,在計(jì)算交點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)需將位置坐標(biāo)重新修正回原位來計(jì)算對(duì)位偏差。
如圖12、13 所示分別為氮化鋁、氮化硅陶瓷基板角對(duì)位識(shí)別結(jié)果。經(jīng)測(cè)試,該系統(tǒng)可有效兼容AMB 工藝中不同產(chǎn)品在不同印刷工序中依靠機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)邊角定位或Mark 點(diǎn)定位的需求。
圖12 氮化鋁陶瓷基板角對(duì)位識(shí)別結(jié)果
圖13 氮化硅陶瓷基板角對(duì)位識(shí)別結(jié)果
AMB 絲網(wǎng)印刷機(jī)的雙目相機(jī)視覺對(duì)位系統(tǒng)是機(jī)器視覺在工業(yè)自動(dòng)化裝備應(yīng)用的一項(xiàng)實(shí)例,通過選用特定的相機(jī)、鏡頭、光源、對(duì)位工作臺(tái),它既滿足了氮化硅、氮化鋁、氧化鋁等常用陶瓷基板的視覺識(shí)別需求,克服了由工作臺(tái)和基板表面造成的背景干擾;也兼容了裸板、覆銅襯板的邊角或圓形Mark 標(biāo)識(shí)點(diǎn)對(duì)位,成功滿足了AMB 工藝中多段印刷工序的高精度對(duì)位印刷需求。