孫瑞濤，鮑 磊，伍昕忠，賀志強(qiáng)，姬麗娟，張 鋒

(機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司，北京100044)

柔性印刷電路板(Flexible Printed Circuit，簡(jiǎn)稱FPC，柔板)目前在手機(jī)、筆記本電腦、平板電腦、PDA、數(shù)碼相機(jī)等產(chǎn)品中應(yīng)用的非常廣泛。

PSA（Pressure Sensitive Adhesive）本意是指壓敏膠（比較小的壓力作用下，即可與被粘物牢固粘接的一類膠粘劑），在柔板行業(yè)，PSA 特指單面涂敷了壓敏膠的塑料薄片，通常用于定位柔板或局部電氣、機(jī)械保護(hù)。柔板制造是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，其中有大量的PSA 貼敷過程，如電氣檢查前需要對(duì)有絕緣要求的區(qū)域進(jìn)行PSA 貼敷，部件下線后要對(duì)需要保護(hù)觸摸和磕碰的區(qū)域進(jìn)行PSA貼敷等等。

在柔板生產(chǎn)中，關(guān)鍵設(shè)備如雕刻機(jī)、印刷機(jī)、點(diǎn)膠機(jī)、貼片機(jī)、視覺檢測(cè)、無(wú)損探傷機(jī)自身的自動(dòng)化程度、生產(chǎn)效率和產(chǎn)品合格率都很高。但PSA 貼敷因?yàn)槭侨斯ぷ鳂I(yè)導(dǎo)致生產(chǎn)組織繁瑣。不僅新產(chǎn)品的貼敷過程要反復(fù)測(cè)試，即使是已經(jīng)生產(chǎn)過的產(chǎn)品隨產(chǎn)量的要求也會(huì)調(diào)整。工廠在生產(chǎn)時(shí)需花大量時(shí)間進(jìn)行PSA 貼敷的作業(yè)組織和工序安排，如工位設(shè)置、操作人員數(shù)量、PSA 貼敷檢查次數(shù)等。往往剛把人員磨合好，又需要進(jìn)行其它規(guī)格柔板的PSA 貼敷。周而復(fù)始，PSA 工段成了柔板工廠產(chǎn)量最不確定的工段，進(jìn)而影響全車間的生產(chǎn)安排。

目前，PSA 貼敷自動(dòng)化程度極低，除一些簡(jiǎn)易制具輔助人工操作外，幾乎完全依賴手工作業(yè)。PSA 貼敷工段的操作工勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)組織繁瑣，產(chǎn)品合格率低，對(duì)操作工的要求高。人工貼敷的精度和速度都滿足不了生產(chǎn)需求，在柔板制造工廠，該工段已經(jīng)成了制約生產(chǎn)效率，影響產(chǎn)品合格率的主要環(huán)節(jié)。柔板制造工廠對(duì)自動(dòng)化貼敷PSA 設(shè)備的需求非常迫切。

機(jī)科發(fā)展科技股份有限公司為解決這一技術(shù)難題，研制出一種全自動(dòng)PSA 貼敷設(shè)備。設(shè)備可以為FPC 板一次貼敷6 片PSA 膠片，支持雙面貼敷，具有視覺檢測(cè)糾偏功能，實(shí)現(xiàn)精度±0.1 mm。

1 工藝需求

貼敷PSA 工藝流程如圖1 所示，首先需要把不同的PSA 膠片從各自的料帶上剝離下來(lái)，注意不能損傷膠體和膠片。然后將膠片精確地貼敷在FPC 板的一面，要保證貼敷穩(wěn)定可靠，不能出現(xiàn)脫落和不對(duì)準(zhǔn)現(xiàn)象。大部分FPC 板正反兩面均需貼敷PSA 膠片，所以單面貼敷完成，需要將FPC 板翻轉(zhuǎn)180°進(jìn)行反面貼敷。貼敷完成后，需要對(duì)PSA膠片貼裝的位置進(jìn)行壓合，以保證貼敷穩(wěn)固牢靠。

圖1 PSA 貼敷工藝流程

當(dāng)前，手機(jī)和平板電子設(shè)備中使用的FPC 板上，少則需要貼敷3～4 片PSA，多則每面都需要貼敷5 片以上。這些PSA 膠片形狀各異，大小不等，貼敷難度極大，如圖2 所示。同時(shí)FPC 板柔性大、硬度低，極易被刮傷。FPC 板上已有部分凸起的電子元器件和接插件，在貼敷過程中，不能碰撞或損壞板上其他零件，如圖3 所示。

圖2 典型PSA 膠片

圖3 貼敷了PSA 膠片的FPC 板

某柔性電路板生產(chǎn)企業(yè)當(dāng)前FPC 加工流水線的實(shí)際生產(chǎn)節(jié)拍為8～8.5 s/ 片，要求僅使用單臺(tái)設(shè)備的工藝速率就能夠達(dá)到主生產(chǎn)線速率。其次，根據(jù)下游工序需求和整體FPC 板工藝精度等級(jí)，對(duì)PSA 膠片的精度要求為±0.1 mm。

根據(jù)以上對(duì)貼敷PSA 工藝流程的分析，對(duì)設(shè)計(jì)自動(dòng)化設(shè)備提出了以下8 點(diǎn)技術(shù)要求：

(1) 6 卷PSA 上料；

(2) 6 個(gè)獨(dú)立的貼裝工位；

(3) 能夠平穩(wěn)地翻轉(zhuǎn)FPC 板，實(shí)現(xiàn)雙面貼敷；

(4) 貼裝頭運(yùn)行精確且快速；

(5) 能夠配合自動(dòng)上下料機(jī)，實(shí)現(xiàn)FPC 板自動(dòng)上下料；

(6) 單片F(xiàn)PC 板生產(chǎn)周期(Cycle Time) 小于7.5 s；

(7) 貼敷PSA 的精度≤±0.1 mm；

(8) 設(shè)備能夠與自動(dòng)上下料機(jī)(Loader/Unload Integration System)聯(lián)機(jī)或手工上下料操作。

2 設(shè)備研制

自動(dòng)貼敷PSA 膠片設(shè)備是一種典型的高精度機(jī)電一體化生產(chǎn)設(shè)備，根據(jù)其功能需要，由以下5 個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成：

(1) 控制系統(tǒng)總成；

(2) 精密機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)；

(3) 精確檢測(cè)的機(jī)器視覺系統(tǒng)；

(4) 取放FPC 板和PSA 的真空系統(tǒng)；

(5) 高速度、高精度的伺服運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

2.1 工作流程

將貼敷PSA 膠片工藝分解為兩個(gè)子部分的運(yùn)動(dòng)相互配合，分別是：貼裝頭運(yùn)動(dòng)和移動(dòng)/ 翻轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)。通過對(duì)工藝流程的分析，可以明確貼裝頭的工作流程如圖4 所示，移動(dòng)/ 翻轉(zhuǎn)臺(tái)工作流程如圖5 所示。

圖4 PSA貼裝頭的工作流程

圖5 移動(dòng)/ 翻轉(zhuǎn)臺(tái)工作流程

由于料卷上的PSA 膠片存在較大的位置偏差，設(shè)備貼裝頭上的吸嘴從料卷上取下PSA 膠片后，需要在拍照位進(jìn)行機(jī)器視覺糾偏，在貼裝頭運(yùn)動(dòng)至貼敷位置的過程中，將偏差量Δ=(Δx，Δy，Δφ)修正，以保證貼敷精度。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，需要貼裝頭最多可以同時(shí)取六片PSA 膠片，所以貼裝頭不僅需要能夠在X、Y方向上精確移動(dòng)，還需要搭載6 個(gè)獨(dú)立的吸嘴。吸嘴可以調(diào)整所吸附的PSA 膠片的旋轉(zhuǎn)偏移量，還應(yīng)該能夠獨(dú)立進(jìn)行下壓貼敷動(dòng)作。

取料、照相和貼敷動(dòng)作實(shí)際最多同時(shí)6 個(gè)吸嘴同時(shí)運(yùn)作，要求取料位安裝6 架可靈活拆裝和更換的PSA 膠片喂料器；貼裝頭經(jīng)過照相位，依次對(duì)每個(gè)吸嘴上的PSA 膠片進(jìn)行視覺校正；最后至貼敷位進(jìn)行貼敷，或根據(jù)FPC 板工藝需求，正面貼敷完成后再等待翻轉(zhuǎn)臺(tái)翻轉(zhuǎn)FPC 板后進(jìn)行反面貼敷。

而移動(dòng)/ 翻轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)行精度要求極高，翻轉(zhuǎn)過程對(duì)位不準(zhǔn)可能會(huì)損傷FPC 板，并導(dǎo)致PSA 貼敷產(chǎn)生較大偏差。翻轉(zhuǎn)位置需要多次校正，并在生產(chǎn)過程中隨時(shí)監(jiān)測(cè)是否產(chǎn)生偏差。

2.2 設(shè)備組成

根據(jù)以上所述工作流程，設(shè)計(jì)設(shè)備由以下幾個(gè)關(guān)鍵子模塊組成：

（1）FPC 板載具。根據(jù)FPC 板和PSA 位置精度合理設(shè)計(jì)載具，載具能保證FPC 板的定位和固定，定位精度±0.025 mm，為防止損壞FPC 板，固定采用真空方式；載具可以快速更換和定位，并能檢測(cè)FPC 板是否在位；

（2）進(jìn)/ 出料裝置。采用單軸滑軌移動(dòng)FPC板，定位精度±0.02 mm，輸送位置和速度可調(diào)；

（3）FPC 翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。能夠快速翻轉(zhuǎn)FPC 板，且保證翻轉(zhuǎn)后的定位精度，避免損壞FPC 板，同樣能夠快速更換和維護(hù)；

（4）貼裝頭移動(dòng)裝置。貼裝頭X、Y 方向的運(yùn)動(dòng)采用高精度滾珠絲杠和大功率伺服電機(jī)，以滿足貼裝過程高速度、高精度的要求，確保PSA 在FPC 板上的放置精度≤±0.1mm，運(yùn)行速度滿足生產(chǎn)線生產(chǎn)節(jié)拍；

（5）PSA 喂料器(Feeder)。可以將PSA 貼片從料卷上逐個(gè)剝離下來(lái)的獨(dú)立模塊，在PSA 剝離處檢測(cè)剝離情況，確保離型紙無(wú)跑偏、PSA 有效剝離、無(wú)偏移或其他不良。該模塊應(yīng)能根據(jù)需要貼敷的PSA 膠片種類隨時(shí)更換和維護(hù)；

（6）視覺。采用高分辨率CCD 相機(jī)和鏡頭，基于工控機(jī)(PC-BASE)平臺(tái)，檢測(cè)PSA 輪廓和位置進(jìn)行糾偏，保證貼敷精度；

（7）PSA 吸取裝置。可以靈活吸取和放置PSA貼片，采用防靜電材料制作，并能夠根據(jù)所吸取PSA 種類靈活更換；

（8） 人 機(jī) 交 互 界 面 (HMI)。使 用PLC 和PC-BASE 聯(lián)合控制，靈活操作設(shè)備，切換設(shè)備工作狀態(tài)，更改工作內(nèi)容，查看運(yùn)行狀態(tài)，有必要的報(bào)警輸出和防呆措施；

（9）機(jī)架。承載整個(gè)工作平臺(tái)和控制箱，能有效消除來(lái)自地面和設(shè)備本身的振動(dòng)影響，符合人體工學(xué)要求。

設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 設(shè)備主體結(jié)構(gòu)圖

全自動(dòng)上下料的功能可以通過在設(shè)備進(jìn)料和出料端分別增設(shè)自動(dòng)上料機(jī)和自動(dòng)下料機(jī)，并連接設(shè)備間的電氣信號(hào)端子來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 工藝測(cè)試

本文所述設(shè)計(jì)的PSA 膠片貼敷設(shè)備已經(jīng)在某電子柔板生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)線上穩(wěn)定運(yùn)行，滿足精度和速度要求，實(shí)現(xiàn)了4 500 片每班次的生產(chǎn)效率。

圖7 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)

設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行中，抽取貼敷完成的FPC 板進(jìn)行貼敷精度測(cè)試。測(cè)試工件（FPC 板）長(zhǎng)50 mm，寬36 mm，正反面共貼敷6 片PSA 膠片，PSA 膠片最小2 mm×4 mm，最大12 mm×34 mm。

設(shè)備實(shí)際單片F(xiàn)PC 加工周期7.5 s。在顯微鏡下逐一觀察抽檢樣品的PSA 膠片貼敷偏差，可以發(fā)現(xiàn)貼敷精度良好，產(chǎn)品合格率達(dá)到99.4%。

圖8 貼敷PSA 位置的視覺檢測(cè)

4 結(jié) 論

本文所述設(shè)備滿足了貼敷PSA 工藝的自動(dòng)化需求，在實(shí)際的連續(xù)生產(chǎn)過程中，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，有效地降低了大量的人力成本，提高了生產(chǎn)效率和品質(zhì)，是電子行業(yè)柔板生產(chǎn)線全自動(dòng)化的必要工業(yè)設(shè)備。

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