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喷墨列印技术于工业应用之系统发展
 

【作者: 陳俍鈞,林智堅,陳富港,鄭兆凱】2004年01月05日 星期一

浏览人次:【19563】

喷墨技术多年发展以来,多半用于个人及办公室电脑周边产品,如印表机、传真机、多功能事务机、相片印表机等;而近年来任意点列印(drop-on-demand)之喷墨头出现是主要的列印技术,特别是针对工业应用之方面,以取代部分半导体制程,并节省材料成本。本文则是以NI(National Instruments) LabVIEW 6.1作为发展系统,结合了喷墨头驱动、精密定位控制、影像处理、讯号撷取与处理等技术,发展出目前以LabVIEW开发的第一套工业用喷墨列印平台,可应用于次世代显示器高分子有机发光二极体(PLED)、液晶显示器之关键零组件彩色滤光片(color filter)、有机薄膜电晶体(OTFT)、微机电(MEMS)元件制作、生物晶片(Biochip)、印刷电路板(PCB)等新领域;并成功的利用此系统喷印出PLED、color filter、OTFT、PCB等产品;参考(图一)。


《图一 喷墨系统照片》
《图一 喷墨系统照片》注释:本图中可以看出此系统包括:电路板、工业计算机、电气箱、加热平台与其上方的雷射位移计、镜筒、喷墨模块等。

系统简介

此喷墨系统主要建构于三轴XY-θ平台16之上,如(图二),而Area CCD 10、一组喷墨头11以马达连接手动微调平台固定于机械式支撑座14,利用马达使喷墨头11在Z方向的运动以控制喷墨头与基板间距。一组喷墨头在现有硬体架构上可以配备四颗承载相同材料或不同材料之喷墨头,在基板17上方。马达15(每一轴一个)连接至移动平台以驱动基板17 X-Y-θ方向的移动。在图二中,X轴被定义为平行支撑座14,Y轴定义为垂直支撑座14,Z轴被定义为喷墨头在支撑座上之轴。 X,Y轴都装配有5相步进马达,微步进解析度为0.5μm、最大移动速度为5 in/s。而Z轴配备有两相步进马达。旋转平台(X-Y平面)可控制基板17之θ轴定位,旋转范围±3°、每一步解析度0.01°。然而,CCD13读取对位标志位置以对正基板放置的偏差,标志预先被做在基板上。元件10、11 、12 、13固定于支撑座14上都是可调整的。此设备被支撑于花岗岩(AA Grade)基座上,有四个振动隔离器来吸收振动。所有的制程的操作都由PC-based的控制器控制(如图二中之工业电脑所示)。本系统藉由平台移动,固定喷墨头与CCD,达到定点对位、随机与定位喷墨、基板观测与测量等功能。


《图二 喷墨系统架设示意图》
《图二 喷墨系统架设示意图》

Labview与NI系列产品在本系统之PC控制端、电控板、喷头之喷墨行为、CCD取像系统以及平台运动之间的整合扮演极重要之关键角色。 (图三)显示平台之系统架构图。该图中有三大部分,包括电脑及使用者介面端、喷印资讯电控板以及平台端。 PC为使用者介面,以及整合各项命令与资讯的地方,送出命令控制平台运动、观测与取像以及喷墨行为。电控板藉由VISA介面的RS232与PC沟通各种喷墨行为之模式,以及联系不同喷头与喷嘴;如(图四)。并以NI之PXI-7344 Motion board 知DIO藉由UMI-7764module传送平台是否到位的encoder讯号以及喷嘴是否喷印的命令。



《图三 喷印系统架构图》
《图三 喷印系统架构图》
《图四 处理喷墨相关信息的电控板》
《图四 处理喷墨相关信息的电控板》

NI产品与其他解决方案的比较

在系统架设之初,便要决定使用何种系列产品之解决方案,将NI产品与其他解决方案比较结果如(表一)所示。选用NI系列产品不仅在开发速度、计划执行层面以及量测与控制准确度上是较好的选择,在成本控制上若考量硬体成本与人事之工时成本,也是较佳的选择。



《表一 NI系列产品与其他解决方案的比较》
《表一 NI系列产品与其他解决方案的比较》

精密运动控制

由于喷墨技术是利用喷墨头将溶液喷出,其墨滴尺寸极小,故要将其喷印至特定的位置则必须搭配精密的定位控制系统,使用NI 运动控制卡(PCI-7344)之PID调整功能,以避免over shooting产生,其闭回路搭配光学尺之效果可使本机台精度达到0.5μm。在软体方面有很快运用之函式库,以及便利运用之各项参数设定。且使用者介面上可以详细加入参数设定,以及运动控制相关按钮。另外,使用者可藉由Measurement & Automation进行基本的硬体功能测试,并且设定PID参数以及马达加减速,以达到最理想的控制系统,如(图五)所示。


《图五 速度与加速度修改画面》
《图五 速度与加速度修改画面》注释:利用measurement & automation可以调整马达速度与加速度,在另外一页还可以调整PID参数,另外还可以直接调整PID控制的stiffness与time,即使不懂PID也可以在这边轻易调整,并且在此页观察其瞬时响应。
《表二 运动控制流程与函式》
《表二 运动控制流程与函式》

视觉系统与影像处理

视觉系统是由PC-based控制器搭配NI PCI-1411之影像撷取卡及运动控制卡(National Instruments PCI-7344, 4-axis)所组成。视觉系统包含光源、56x放大镜头、CCD摄影机(Sony SSC-C370, 768*494 pixels, 470 horizo​​ntal scan lines, NTSC & RS-170 Video Output);如(图六)。


《图六 视觉系统示意图》
《图六 视觉系统示意图》

这些组件都被架设于本喷印系统上。影像撷取卡彩色影像取样频率为每秒30张(黑白为每秒60张)。喷墨头藉由X-Y-θ马达扫瞄基板。 X-Y轴光学尺解析度为0.5μm,θ轴为0.002度。在操作中,喷墨头与基板的喷印距离调整为500μm。概念上,较短的距离可保证卫星点(satellite drop)落在可接受的范围内,且偏离的位置愈小。然而,距离太近会导致刮到基板,因为基板表面不是完全平坦。此距离由实验调整而得到。视觉系统在本喷印系统中有五个重要功能,如(表三)所示,其中附注记载该功能在稍后介绍之使用者介面相对应的区块。



《图七 图像处理功能程序端部分区块图》
《图七 图像处理功能程序端部分区块图》
《表三 视觉系统之重要功能叙述》
《表三 视觉系统之重要功能叙述》

在这五个功能中,因为PCI-1411、IMAQ以及builder的搭配,许多函式库的支援,例如:IMAQ initial.vi, IMAQ threshold.vi, IMAQ Userup.vi...等,因此很快并且完善的建立整个视觉系统与量测系统,大幅度缩短系统开发时程。并且使操作人员可以很容易的操作,提升喷印样本的品质。


喷墨行为控制

喷墨行为控制包括数个主要层面:喷墨轨迹与墨点数控制,喷墨头选择控制,喷嘴选用控制,喷嘴喷墨能量波形控制,喷墨命令控制,如(表四)所列。在本表附注中也注明稍后在介绍使用者介面时相对应的区域。而这些主要层面之内还延伸许多技术细节,如喷印轨迹又可分为Test Mode(静态列印)、Swath Mode(单列列印)与Zig-Zag Mode(矩阵式列印)等。喷墨行为的资讯在软体端被转译成喷印控制语言的格式,如(表五)所示,接着透过RS-232与控制电路板联系,相关之LabVIEW Library与流程示意图如(图八)所示。



《图八 函式库与流程图》
《图八 函式库与流程图》注释:利用RS-232传递喷印命令以控制喷墨电路板
《表四 喷墨行为之主要层面》
《表四 喷墨行为之主要层面》
《表五 喷印控制语言组成命令》
《表五 喷印控制语言组成命令》

雷射位移计量测

元件制作时会在基材上设计bank(挡墙),bank之高度对墨滴在基材上的平垣度影响很大,所以bank高度量测也相当重要。另外,欲量测喷头与平台上基板平行度,以确保喷嘴至基板之距离,故在平台上架设雷射共焦位移计(KEYENCE LT-8010),如(图九),其类比位移I/ O输出为电压(+/-6v, 10mv/um),透过DAQ卡(NI PCI-MIO-16E-4)将电压讯号转为实际物理量,如此即可量测bank的高度或者样本的表面粗糙度,其主要使用的Library与其流程如(图十)。


《图九 雷射位移计架构》
《图九 雷射位移计架构》注释:包括一计算机,DAQ Board以及一部雷射位移计,当感测头电源开启,便会侦测待测物平面。

《图十 讯号撷取流程图》
《图十 讯号撷取流程图》注释:硬件CONFIGURE、讯号撷取、讯号读取放大、输出讯号。

使用者介面

Labview除了为硬体的整合与驱动提个一个绝佳环境,在使用者介面上的设计更是方便与完善。当在整合驱动硬体的同时,便可以藉由图形化的各项工具去整合使用者介面,使得再复杂的程式模组,在整合后可让初学的操作者能很快的上手。如(图十一)



《图十一 主程序用户接口》
《图十一 主程序用户接口》

主程式使用者介面简介如下:


根据不同的列印模式,所需要的参数也不同,Test Mode只需要选择Head与Nozzle,Swath Mode与Zig-Zag Mode 则需要修改喷印的Parameters,两者的差别在于Swath Mode不需要FE Height,其为Zig-Zag的一种特殊模式,一次只列印一行。


如图十一中A区Print mode 里有五种不同的列印模式,使用者可以于B区更改参数,以控制单行列印时的长度、墨点数与起始位置等,以及控制矩阵列印时的列数、行数与行距等。使用者透过C区Jog Mode Control Panel,可以任意移动平台的X、Y、θ轴以及喷墨头的高度,并且改变速度与加速度,Open/Close 影像,Reset目前位置为座标参考点,校正CCD到喷孔中心距离,清洁喷嘴等。当使用者移动平台时,可由D区Motion Monitor,即时得到由光学尺所回授运动轴相对于机械原点的位置座标与设定点座标讯息。


在(图十二)中,当image状态钮呈现show image时,便可以利用CCD取像。另外,当选则不一样喷头与不一样的解析度模式时,在H区域便会显示相对应的喷嘴供使用者挑选。



《图十二 CCD撷取影像与喷孔选择》
《图十二 CCD撷取影像与喷孔选择》

透过(图十三)的Motion设定介面,在L区使用者可定义运动卡与运动轴的相关资讯,设定平台移动之控制为Open or Close Loop ,M区则为运动轴的一些参数,而借着更改Mechanical Parameters中的参数,则可让此程式适用于其他的喷印机台。而X-Y Position History即时显示目前的轴运动轨迹座标讯息。



《图十三 Motion设定接口》
《图十三 Motion设定接口》

喷印的过程中使用者透过图十二中的影像视窗可即时观察喷印品质,当影像功能开启时,可调整CCD的Gain,Brightness等,若影像仍十分不清晰,可再调整(图十四)中的Image Processing强化处理如亮度、对比、饱和度等.....。透过N区可以调整十字标的圆圈大小,可用以量测点的圆径。



《图十四 Vision设定接口》
《图十四 Vision设定接口》

每一种欲喷的材料特性不尽相同,其喷印所需能量也不尽相同,因此使用者则可透过(图十五)中的Printing设定墨滴喷印的能量,即可喷印形状较为理想的液滴。



《图十五 Printing设定接口 》
《图十五 Printing设定接口 》
《图十六 (a)雷射位移计处理画面;(b)样本扫描结果》
《图十六 (a)雷射位移计处理画面;(b)样本扫描结果》

(图十六)为使用雷式位移计部分的程式时的画面,在雷射位移计对焦后选择画面右下角的Scan时,便会跳出对话视窗储存档案,最后的量测结果如图十六(b)所示。


结论

在系统开发过程中,需要克服运动控制、视觉系统与量测、喷墨行为、雷射位移计与一个理想的使用者介面等问题,此次藉由NI系列产品,则大幅缩短开发与整合功能的时程,也减少很多程式撰写的时间,而也不必去担心软硬体相容的问题。LabVIEW提供许多便利使用的函式与子VI,而且其图控式的特性,使得程式在撰写时,只要逻辑架构清楚,便可以大幅缩短程式设计者在语法、结构与功能上所需花费的精力与时间,其便利的debug工具,更可以很快找到程式有错误的地方。其相关的硬体在LabVIEW与IMAQ builder的强力软体协助下,可以迅速整合,并稳定完善的传输讯号与影像。其架构出来的使用者介面,不但节省制作实体按钮的空间与时间,并且可以让使用者迅速学习与便利使用。系统完成后稳定性佳,并成功喷印出液晶显示器之关键零组件彩色滤光片、以及次世代显示器PLED、微细导线等精密的产品,如(图十七)所示为喷印产品之一。


《图十七 彩色滤光片(左)与PLED(右)成品》
《图十七 彩色滤光片(左)与PLED(右)成品》注释:运用本喷印系统喷印之彩色滤光片成品(左),每一颜色大小为339μm×113μm,线宽为20μm,而高分子有机发光二极管(Polymer Light Emitting Diode)的像素为椭圆型(segment-type),大小73μm×310μm、像素间隙29μm。

未来改善方向

本喷墨列印系统到目前为止可充分发挥应有功能,同时延伸领域甚广,也引起产业界的重视。现在仍继续开发的方向有缺陷自动修补、环境温湿度与压力监控系统、远端网路监控系统等。而这些方向在先期评估时,认为添加NI产品如DAQ或者Fieldpoint、GPIB等介面来扩充这些功能相当方便可靠,因此现正往这些方向开发。


(工业技术研究院光电工业研究所)


参考资料

  • (1)运动卡、影像卡与仪器I/O相关之LabVIEW原厂的 Reference Manuels。


  • (2)LabVIEW基础篇、进阶篇与分析篇,萧子健、储朝伟、王智昱着,高立图书公司。


  • (3)LabVIEW提供的Help。


  • (4)K1-86-4 THB-r202 常用喷墨头资料,光电所。


  • (5)Color Filter Design Notes For Software,Firmware and Hardware,光电所。


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