全自动贴敷PSA设备的研制

孙瑞涛，鲍 磊，伍昕忠，贺志强，姬丽娟，张 锋

(机科发展科技股份有限公司，北京100044)

柔性印刷电路板(Flexible Printed Circuit，简称FPC，柔板)目前在手机、笔记本电脑、平板电脑、PDA、数码相机等产品中应用的非常广泛。

PSA（Pressure Sensitive Adhesive）本意是指压敏胶（比较小的压力作用下，即可与被粘物牢固粘接的一类胶粘剂），在柔板行业，PSA 特指单面涂敷了压敏胶的塑料薄片，通常用于定位柔板或局部电气、机械保护。柔板制造是一个非常复杂的过程，其中有大量的PSA 贴敷过程，如电气检查前需要对有绝缘要求的区域进行PSA 贴敷，部件下线后要对需要保护触摸和磕碰的区域进行PSA贴敷等等。

在柔板生产中，关键设备如雕刻机、印刷机、点胶机、贴片机、视觉检测、无损探伤机自身的自动化程度、生产效率和产品合格率都很高。但PSA 贴敷因为是人工作业导致生产组织繁琐。不仅新产品的贴敷过程要反复测试，即使是已经生产过的产品随产量的要求也会调整。工厂在生产时需花大量时间进行PSA 贴敷的作业组织和工序安排，如工位设置、操作人员数量、PSA 贴敷检查次数等。往往刚把人员磨合好，又需要进行其它规格柔板的PSA 贴敷。周而复始，PSA 工段成了柔板工厂产量最不确定的工段，进而影响全车间的生产安排。

目前，PSA 贴敷自动化程度极低，除一些简易制具辅助人工操作外，几乎完全依赖手工作业。PSA 贴敷工段的操作工劳动强度大，生产组织繁琐，产品合格率低，对操作工的要求高。人工贴敷的精度和速度都满足不了生产需求，在柔板制造工厂，该工段已经成了制约生产效率，影响产品合格率的主要环节。柔板制造工厂对自动化贴敷PSA 设备的需求非常迫切。

机科发展科技股份有限公司为解决这一技术难题，研制出一种全自动PSA 贴敷设备。设备可以为FPC 板一次贴敷6 片PSA 胶片，支持双面贴敷，具有视觉检测纠偏功能，实现精度±0.1 mm。

1 工艺需求

贴敷PSA 工艺流程如图1 所示，首先需要把不同的PSA 胶片从各自的料带上剥离下来，注意不能损伤胶体和胶片。然后将胶片精确地贴敷在FPC 板的一面，要保证贴敷稳定可靠，不能出现脱落和不对准现象。大部分FPC 板正反两面均需贴敷PSA 胶片，所以单面贴敷完成，需要将FPC 板翻转180°进行反面贴敷。贴敷完成后，需要对PSA胶片贴装的位置进行压合，以保证贴敷稳固牢靠。

图1 PSA 贴敷工艺流程

当前，手机和平板电子设备中使用的FPC 板上，少则需要贴敷3～4 片PSA，多则每面都需要贴敷5 片以上。这些PSA 胶片形状各异，大小不等，贴敷难度极大，如图2 所示。同时FPC 板柔性大、硬度低，极易被刮伤。FPC 板上已有部分凸起的电子元器件和接插件，在贴敷过程中，不能碰撞或损坏板上其他零件，如图3 所示。

图2 典型PSA 胶片

图3 贴敷了PSA 胶片的FPC 板

某柔性电路板生产企业当前FPC 加工流水线的实际生产节拍为8～8.5 s/ 片，要求仅使用单台设备的工艺速率就能够达到主生产线速率。其次，根据下游工序需求和整体FPC 板工艺精度等级，对PSA 胶片的精度要求为±0.1 mm。

根据以上对贴敷PSA 工艺流程的分析，对设计自动化设备提出了以下8 点技术要求：

(1) 6 卷PSA 上料；

(2) 6 个独立的贴装工位；

(3) 能够平稳地翻转FPC 板，实现双面贴敷；

(4) 贴装头运行精确且快速；

(5) 能够配合自动上下料机，实现FPC 板自动上下料；

(6) 单片FPC 板生产周期(Cycle Time) 小于7.5 s；

(7) 贴敷PSA 的精度≤±0.1 mm；

(8) 设备能够与自动上下料机(Loader/Unload Integration System)联机或手工上下料操作。

2 设备研制

自动贴敷PSA 胶片设备是一种典型的高精度机电一体化生产设备，根据其功能需要，由以下5 个子系统构成：

(1) 控制系统总成；

(2) 精密机械运动系统；

(3) 精确检测的机器视觉系统；

(4) 取放FPC 板和PSA 的真空系统；

(5) 高速度、高精度的伺服运动控制系统。

2.1 工作流程

将贴敷PSA 胶片工艺分解为两个子部分的运动相互配合，分别是：贴装头运动和移动/ 翻转台运动。通过对工艺流程的分析，可以明确贴装头的工作流程如图4 所示，移动/ 翻转台工作流程如图5 所示。

图4 PSA贴装头的工作流程

图5 移动/ 翻转台工作流程

由于料卷上的PSA 胶片存在较大的位置偏差，设备贴装头上的吸嘴从料卷上取下PSA 胶片后，需要在拍照位进行机器视觉纠偏，在贴装头运动至贴敷位置的过程中，将偏差量Δ=(Δx，Δy，Δφ)修正，以保证贴敷精度。

根据设计要求，需要贴装头最多可以同时取六片PSA 胶片，所以贴装头不仅需要能够在X、Y方向上精确移动，还需要搭载6 个独立的吸嘴。吸嘴可以调整所吸附的PSA 胶片的旋转偏移量，还应该能够独立进行下压贴敷动作。

取料、照相和贴敷动作实际最多同时6 个吸嘴同时运作，要求取料位安装6 架可灵活拆装和更换的PSA 胶片喂料器；贴装头经过照相位，依次对每个吸嘴上的PSA 胶片进行视觉校正；最后至贴敷位进行贴敷，或根据FPC 板工艺需求，正面贴敷完成后再等待翻转台翻转FPC 板后进行反面贴敷。

而移动/ 翻转台的运行精度要求极高，翻转过程对位不准可能会损伤FPC 板，并导致PSA 贴敷产生较大偏差。翻转位置需要多次校正，并在生产过程中随时监测是否产生偏差。

2.2 设备组成

根据以上所述工作流程，设计设备由以下几个关键子模块组成：

（1）FPC 板载具。根据FPC 板和PSA 位置精度合理设计载具，载具能保证FPC 板的定位和固定，定位精度±0.025 mm，为防止损坏FPC 板，固定采用真空方式；载具可以快速更换和定位，并能检测FPC 板是否在位；

（2）进/ 出料装置。采用单轴滑轨移动FPC板，定位精度±0.02 mm，输送位置和速度可调；

（3）FPC 翻转机构。能够快速翻转FPC 板，且保证翻转后的定位精度，避免损坏FPC 板，同样能够快速更换和维护；

（4）贴装头移动装置。贴装头X、Y 方向的运动采用高精度滚珠丝杠和大功率伺服电机，以满足贴装过程高速度、高精度的要求，确保PSA 在FPC 板上的放置精度≤±0.1mm，运行速度满足生产线生产节拍；

（5）PSA 喂料器(Feeder)。可以将PSA 贴片从料卷上逐个剥离下来的独立模块，在PSA 剥离处检测剥离情况，确保离型纸无跑偏、PSA 有效剥离、无偏移或其他不良。该模块应能根据需要贴敷的PSA 胶片种类随时更换和维护；

（6）视觉。采用高分辨率CCD 相机和镜头，基于工控机(PC-BASE)平台，检测PSA 轮廓和位置进行纠偏，保证贴敷精度；

（7）PSA 吸取装置。可以灵活吸取和放置PSA贴片，采用防静电材料制作，并能够根据所吸取PSA 种类灵活更换；

（8） 人 机 交 互 界 面 (HMI)。使 用PLC 和PC-BASE 联合控制，灵活操作设备，切换设备工作状态，更改工作内容，查看运行状态，有必要的报警输出和防呆措施；

（9）机架。承载整个工作平台和控制箱，能有效消除来自地面和设备本身的振动影响，符合人体工学要求。

设计的主体结构如图6 所示。

图6 设备主体结构图

全自动上下料的功能可以通过在设备进料和出料端分别增设自动上料机和自动下料机，并连接设备间的电气信号端子来实现。

3 工艺测试

本文所述设计的PSA 胶片贴敷设备已经在某电子柔板生产企业的生产线上稳定运行，满足精度和速度要求，实现了4 500 片每班次的生产效率。

图7 设备运行状态

设备稳定运行中，抽取贴敷完成的FPC 板进行贴敷精度测试。测试工件（FPC 板）长50 mm，宽36 mm，正反面共贴敷6 片PSA 胶片，PSA 胶片最小2 mm×4 mm，最大12 mm×34 mm。

设备实际单片FPC 加工周期7.5 s。在显微镜下逐一观察抽检样品的PSA 胶片贴敷偏差，可以发现贴敷精度良好，产品合格率达到99.4%。

图8 贴敷PSA 位置的视觉检测

4 结 论

本文所述设备满足了贴敷PSA 工艺的自动化需求，在实际的连续生产过程中，运行稳定可靠，有效地降低了大量的人力成本，提高了生产效率和品质，是电子行业柔板生产线全自动化的必要工业设备。

[1] 宋福民，肖勇山. 贴片机结构设计研究[J]. 电子工业专用设备，2007(8)：20-24.

[2] 鲜飞. 贴片机现状及发展趋势[J].电子工业专用设备，2007(5)：8-13.

[3] 解杨敏，史航，刘强. 高精度贴片机视觉定位系统的研究与设计[J]. 装备制造技术，2007(12)：45-47.