Các điểm tham chiếu (fiducials) không phải là tùy chọn. Chúng là “trọng tài thầm lặng” giúp máy xác định "điểm zero" khi bảng mạch in (PCB) của bạn bị xoay nhẹ, dịch chuyển nhẹ, cong nhẹ hoặc đôi khi có độ bóng nhẹ mà camera không ưa.
Tôi đã chứng kiến các đội ngũ kỹ thuật giỏi lãng phí hàng ngày để “điều chỉnh” vấn đề căn chỉnh của máy đặt linh kiện, trong khi thực tế đó không phải là vấn đề của máy. Đó là vấn đề của bảng mạch. Các điểm tham chiếu (fiducials) quá nhỏ, bị che khuất bởi lớp in mực, nằm gần vùng đồng đổ (copper pour) gây nhiễu, và lỗ mở của lớp phủ hàn (solder mask) trông như bị cắn bởi một mũi khoan cùn.
Vậy thực sự đang xảy ra điều gì?
Máy đặt linh kiện (pick-and-place) không “định vị theo bản vẽ CAD” của bạn. Nó định vị theo pixel. Nó định vị theo độ tương phản. Nó định vị theo bất kỳ điểm nào mà thuật toán định vị của hệ thống thị giác SMT có thể khóa chính xác ở tốc độ 30.000+ CPH ngay cả khi băng tải vẫn đang rung lắc.
Và đúng vậy, ngành công nghiệp vẫn đánh giá thấp mức độ khó khăn của việc đó.
Các dấu tham chiếu trên bảng mạch in (PCB) thực sự làm gì (và không làm gì)
Đây là sự thật phũ phàng: Máy móc không bao giờ hoàn toàn tin tưởng vào bảng điều khiển. Nó tin tưởng vào toán học.
Quy trình đặt hàng tiêu chuẩn thường diễn ra như sau, dù bạn đang sử dụng máy Yamaha, Fuji, Panasonic, ASM, Hanwha, JUKI—hãy chọn thương hiệu của bạn:
- Bảng điều khiển được đưa vào, kẹp chặt và thực hiện một lần chụp nhanh “Bạn đang ở đâu?”.
- Máy ảnh tìm kiếm Dấu hiệu đăng ký PCB (điểm tham chiếu).
- Phần mềm giải quyết Dịch (X/Y) và Góc quay (θ) từ ít nhất hai điểm.
- Các hệ thống tốt hơn cũng ước tính sự biến dạng/cắt nhẹ bằng cách sử dụng các dấu hiệu bổ sung (tính năng “bù đắp độ giãn của bảng” mà mọi người thường khoe trong các bản demo).
- Sau đó, quá trình sắp xếp bắt đầu… và tiếp tục điều chỉnh.
Đơn giản? Không hẳn. Bởi vì hình ảnh tham chiếu hiếm khi hoàn hảo.
Lóa sáng có thể xảy ra. Sự lệch vị trí của mặt nạ có thể xảy ra. Bụi có thể bám vào. Biến dạng có thể xảy ra. Và khi điểm tham chiếu được thiết kế kém, camera sẽ mất thêm vài mili giây để tìm kiếm—kết quả là tốc độ dây chuyền giảm xuống, và mọi người đều cho rằng đó là do vấn đề của bộ cấp liệu.
Nếu bạn muốn cam kết nhàm chán được ghi rõ bằng văn bản, nhà cung cấp của bạn nên đưa nó vào một chính sách như một... Cam kết dịch vụ hỗ trợ thiết bị SMT, Không chỉ là một bản trình bày bán hàng.
Tại sao các nhà thiết kế liên tục mắc lỗi với các điểm tham chiếu?
Vì các điểm tham chiếu (fiducials) không trông giống như “mạch điện thực sự”. Vì vậy, chúng thường bị đẩy vào góc cuối cùng. Sau đó, bảng mạch in (PCB) được trả lại đã được lắp ráp thành bảng, các thanh dẫn được thêm vào, các vết cắt V được di chuyển, và “góc” của bạn không còn là góc nữa.
Ngoài ra, các nhóm thiết kế bố cục tối ưu hóa mật độ đường dẫn. Đường dẫn tối ưu hóa độ chắc chắn về mặt thị giác. Những mục tiêu này mâu thuẫn với nhau.
Muốn bằng chứng cho thấy chất lượng hình ảnh là một vấn đề nghiên cứu thực sự, chứ không phải là một “hộp kiểm tra” đơn giản bằng cách thêm các điểm tham chiếu? Một bài báo được chỉ mục trên PubMed năm 2023 về phân đoạn các điểm tham chiếu đã báo cáo sự cải thiện đáng kể về độ chính xác từ phương pháp U-Net được sửa đổi (mARU-Net), đặc biệt vì các điểm tham chiếu thực tế nằm trong các nền phức tạp, nhiều nhiễu. Đó không phải là công việc nghiệp dư. Đó là các nhà máy đang thúc đẩy công nghệ hình ảnh hoạt động hiệu quả. Bản ghi PubMed cho nghiên cứu. (PubMed)
Hướng dẫn đặt dấu tham chiếu mà tôi thực sự tin tưởng
Ba từ: Hãy làm cho nó đơn giản.
Bây giờ là phiên bản chi tiết, vì “dễ dàng” có các thông số kỹ thuật:
- Sử dụng các điểm tham chiếu toàn cầu: ít nhất 2, lý tưởng nhất là 3, cách xa nhau. Đặt chúng ở các góc đối diện của bảng (hoặc thanh ray bảng, nếu đó là thứ mà máy nhìn thấy đầu tiên).
- Thêm các điểm tham chiếu cục bộ Đối với các khu vực có khoảng cách chân nhỏ và mật độ cao: BGAs, QFNs có khoảng cách chân 0,4 mm, µBGAs, các khu vực kết nối chặt chẽ.
- Giữ chúng sạch sẽKhông có lớp in lụa, không có văn bản, không có keo hàn, không có lỗ via trong vùng cấm.
- Kiểm soát hình học: Miếng đồng tròn, viền chắc chắn, bề mặt hoàn thiện đồng đều.
- Cho phép: Khoảng cách lớp phủ hàn và vùng cấm đồng không phải là “tùy chọn”. Chúng là yếu tố quyết định giữa một mục tiêu sắc nét và một vết nhòe mờ.
Và đúng vậy, tôi sẽ nói thẳng: nếu bạn đang sử dụng các linh kiện thụ động kích thước nhỏ (01005 có kích thước 0,4 × 0,2 mm) mà vẫn sử dụng “một điểm tham chiếu gần logo”, bạn đang mạo hiểm với tỷ lệ thành công.
Điểm tham chiếu toàn cầu so với điểm tham chiếu cục bộ: Đừng coi đây là một cuộc tranh luận.
Đó không phải là tôn giáo. Đó là việc lập ngân sách sai lầm.
Các điểm tham chiếu toàn cầu xác định vị trí và góc quay của bảng mạch. Các điểm tham chiếu cục bộ giúp giảm sai số còn lại trong khu vực đặt linh kiện quan trọng — đặc biệt khi bảng mạch bị cong, tấm panel bị uốn cong hoặc có sai số tích lũy từ quá trình tách tấm.
Nếu bạn thực hiện công việc kết hợp (mẫu thử hôm nay, sản xuất hàng loạt ngày mai), hãy thiết kế cho cả hai. Nếu bạn cần một dây chuyền sản xuất có thể chuyển đổi linh hoạt mà không gặp trở ngại, hãy xem xét Giải pháp dây chuyền lắp ráp SMT cho mẫu thử nghiệm và sản xuất số lượng nhỏ và cũng Dây chuyền sản xuất SMT tốc độ cao quy mô lớn—bởi vì chiến lược tham chiếu (fiducial strategy) hoạt động hiệu quả ở 2.000 CPH có thể sụp đổ ở 35.000 CPH khi thời gian chu kỳ hiển thị trở thành điểm nghẽn. (Máy đặt và lấy linh kiện)
Kích thước và khoảng cách của dấu tham chiếu: những con số mà mọi người vẫn đang bàn tán.
Tôi sẽ nói một cách thực tế ở đây.
Hầu hết các nhà lắp ráp mà tôi tôn trọng đều hài lòng với điều gì đó trong khu vực này:
- Đường kính đĩa đồng: ~ 1,0 mm (thường được chấp nhận trong khoảng: 0,8–1,5 mm)
- Lỗ mở của lớp phủ hàn: ~ 2,0–3,0 mm (Bạn muốn có một vòng tròn sạch sẽ không có mặt nạ xung quanh nó)
- Cấm vào (không có các chi tiết bằng đồng, không có lớp in mực, không có lỗ thông): khoảng 2,0–3,0 mm Xung quanh cạnh tham chiếu, tùy thuộc vào góc nhìn của camera và quy tắc của trình lắp ráp.
Nhưng. Và điều này rất quan trọng. Các “con số tốt nhất” phụ thuộc vào cấu hình máy ảnh: loại ống kính (telecentric so với tiêu chuẩn), ánh sáng (coaxial so với ring), và phương pháp phát hiện (phát hiện cạnh so với khớp mẫu so với phân đoạn dựa trên ML). Đó là lý do tại sao các đội chuyên nghiệp điều chỉnh các quy tắc DFM cho từng dây chuyền sản xuất cụ thể, chứ không dựa vào các biểu đồ chung chung trên internet.
Nếu bạn muốn giảm thiểu những bất ngờ, hãy tích hợp điều này vào tài liệu quy trình và đào tạo của bạn. Một nhà cung cấp bán cho bạn một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh cũng nên cung cấp Đào tạo và hỗ trợ sau bán hàng, Bởi vì một nửa nguyên nhân gây ra lỗi căn chỉnh là do cài đặt của người vận hành và một nửa là do thói quen thiết kế PCB. (tsapps.nist.gov)
Vấn đề “tính hiển thị của dấu hiệu tham chiếu” mà không ai muốn thừa nhận
Máy ảnh không nhận diện “đồng”. Chúng nhận diện độ tương phản. Vì vậy, bề mặt hoàn thiện rất quan trọng.
ENIG có thể bị chói dưới một số điều kiện ánh sáng. OSP có thể trông phẳng hơn. HASL có thể trông không đều ở mép. Không có vấn đề nào trong số này là nghiêm trọng—trừ khi điểm tham chiếu của bạn quá nhỏ và chật chội, và lỗ mở của mặt nạ không chính xác. Lúc đó, hệ thống quan sát bắt đầu phỏng đoán.
Và việc đoán mò là tốn kém.
Đó là lý do tại sao tôi không lắc đầu khi mọi người đề cập đến nghiên cứu về đo lường và nhận thức. Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST) đã công bố một báo cáo năm 2024 về nhu cầu khoa học đo lường cho robot công nghiệp, trong đó nhấn mạnh rằng nhận thức/thị giác máy là một nhu cầu kỹ thuật cốt lõi khi các nhà máy áp dụng tự động hóa nhiều hơn dưới áp lực về lao động và chi phí. NIST GCR 24-054 (Tháng 6 năm 2024). (tsapps.nist.gov)
Bảng so sánh mà bạn có thể cung cấp cho nhà thiết kế mạch in (PCB)
| Chủ đề | Dịch vụ Fiducial Toàn cầu | Điểm tham chiếu địa phương | Điều tôi sẽ làm trong cuộc sống thực tế |
|---|---|---|---|
| Mục đích | Điều chỉnh trục X/Y/θ ở cấp độ bảng điều khiển | Điều chỉnh chính xác gần các bộ phận quan trọng | Sử dụng cả hai trên bất kỳ bảng “chuyên nghiệp” nào. |
| Đếm | 2 tối thiểu, 3 ưu tiên | 1–2 trên mỗi khu vực dày đặc | 3 khu vực toàn cầu + khu vực địa phương cho các khu vực BGA/QFN |
| Vị trí | Xa nhau, gần các góc/đường ray | Gần cụm thành phần | Giữ các đối tượng địa phương trong khoảng cách ~25–50 mm so với khu vực mục tiêu khi có thể. |
| Rủi ro nếu sai | Toàn bộ bảng di chuyển/xoay | Chỉ có một khu vực bị trôi dạt. | Lỗi toàn cầu làm giảm năng suất nhanh chóng. |
| Những sai lầm trong thiết kế | Che giấu bởi thanh ray, in lụa, đổ đồng | Đặt bên trong vùng cấm, quá gần các pad. | Khóa các quy tắc trong CAD, đừng “đo bằng mắt”. |
| Trường hợp sử dụng tốt nhất | Bất kỳ lắp ráp mạch in (PCB) nào | Khoảng cách nhỏ, mật độ cao, bảng mạch cong | Dây chuyền SMT hỗn hợp, dung sai chặt chẽ |
Áp lực thực tế: Tại sao điều này lại quan trọng hơn vào năm 2024 so với năm 2014?
Tiền từ tự động hóa đang chảy vào. Đó không phải là một xu hướng. Đó là vốn.
Reuters đưa tin vào tháng 6 năm 2024 rằng Bright Machines đã huy động được $106 triệu Trong vòng gọi vốn có sự tham gia của Nvidia và Microsoft, tập trung rõ ràng vào việc tự động hóa các tác vụ sản xuất bằng trí tuệ nhân tạo (AI) và thị giác máy tính. Điều đó cho thấy ngành công nghiệp đang tập trung vào những vấn đề chính: lao động, tốc độ và tính nhất quán. Bản tin của Reuters. (Reuters)
Nhưng đây là phần mà nhiều người bỏ qua: ngay cả khi AI được tích hợp vào hệ thống, các fiducials vẫn là điểm neo dữ liệu cơ bản. Bạn không thể “sử dụng AI để giải quyết” các mục tiêu kém chất lượng. Thay vào đó, bạn chỉ có thể xây dựng một hệ thống thông minh hơn, có khả năng xử lý lỗi một cách mượt mà hơn — sau khi đã phải trả giá cho sự phức tạp đó.
Ngoài ra, nghiên cứu về robotics đang ngày càng tập trung vào khả năng xử lý chính xác. Bài viết năm 2024 của MIT về SimPLE (Science Robotics) nhấn mạnh các phương pháp pick-and-place (lấy và đặt) nhằm đạt tỷ lệ thành công cao trong việc đặt các vật thể đa dạng, vì độ chính xác vẫn là thách thức lớn trong các ứng dụng thực tế. Tin tức MIT (9/8/2024). (tin tức.mit.edu)
Vâng, các quy tắc tham chiếu của bạn rất quan trọng. Hơn bao giờ hết.
Quy trình nội bộ mà hầu hết các công ty thường tránh
Bạn cần một chủ sở hữu. Không phải “mọi người.”
Trong các nhà máy sản xuất chất lượng cao, các dấu tham chiếu PCB là một phần của danh sách kiểm tra trước khi xuất xưởng, không phải là kiến thức truyền miệng. Người kiểm tra DFM sẽ kiểm tra: số lượng tổng thể, khoảng cách, khoảng cách che chắn, vùng cấm, tác động của thanh ray bảng mạch, và liệu các dấu tham chiếu cục bộ có tồn tại ở những vị trí cần thiết hay không.
Nếu bạn đang mua sắm thiết bị hoặc nâng cấp hệ thống, hãy thực hiện theo cách tiếp cận hệ thống. Đó là lý do tại sao. Giải pháp dây chuyền sản xuất SMT trọn gói Tồn tại ngay từ đầu: máy in + vị trí đặt + quá trình tái chảy + kiểm tra + xử lý, được điều chỉnh hài hòa với nhau, không phải là sự ghép nối ngẫu nhiên từ “các giải pháp tốt nhất”. (tsapps.nist.gov)
Câu hỏi thường gặp
Các dấu tham chiếu trên bảng mạch in (PCB) giúp máy đặt linh kiện tự động căn chỉnh bảng mạch in như thế nào?
Các dấu tham chiếu PCB là các mục tiêu tham chiếu được phơi bày mà camera đặt và lấy mẫu đo lường để tính toán sự dịch chuyển X/Y và góc xoay của bảng mạch, sau đó áp dụng sự điều chỉnh đó vào tọa độ đặt của mỗi linh kiện trong quá trình lắp ráp. Chúng biến một hệ thống băng tải không ổn định và không hoàn hảo thành một hệ tọa độ ổn định mà máy móc có thể tin cậy.
Sau định nghĩa đó, đây là phần thực hành: hai điểm đánh dấu xác định vị trí và hướng xoay; các điểm đánh dấu bổ sung giúp bù đắp cho sự co giãn nhẹ, độ uốn cong của bảng mạch hoặc biến dạng cục bộ gần các khu vực dày đặc. Nếu đường mạch của bạn đặt các linh kiện có khoảng cách chân 01005 hoặc 0,4 mm, các điểm đánh dấu cục bộ gần khu vực nóng thường giúp tăng hiệu suất thực tế.
Các hướng dẫn về vị trí đặt dấu tham chiếu (fiducial mark) giúp giảm thiểu lỗi đặt dấu là gì?
Hướng dẫn đặt dấu tham chiếu là các quy tắc bố trí giúp đặt các dấu tham chiếu sạch, có độ tương phản cao (toàn cục và cục bộ) sao cho hệ thống thị giác SMT có thể phát hiện chúng nhanh chóng và lặp lại mà không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như lớp in mực, các đặc điểm đồng, lỗ via hoặc các hiện tượng của lớp phủ hàn. Mục tiêu là phát hiện nhanh chóng và giảm thiểu rủi ro phát hiện sai trên nhiều bo mạch.
Trong thực tế: Đặt 2–3 điểm tham chiếu toàn cục cách xa nhau, đảm bảo khoảng cách an toàn cho mặt nạ, giữ vùng không có đặc điểm xung quanh mỗi điểm đánh dấu và thêm các điểm tham chiếu cục bộ gần các cụm có khoảng cách nhỏ. Không đặt các điểm tham chiếu trong các đường dẫn bị thay đổi do quá trình panelization.
Điểm tham chiếu toàn cầu so với điểm tham chiếu cục bộ: cái nào quan trọng hơn?
So sánh giữa fiducial toàn cục và fiducial cục bộ là câu hỏi về loại sai số mà bạn đang cố gắng kiểm soát: fiducial toàn cục điều chỉnh độ lệch và xoay toàn bộ bảng mạch, trong khi fiducial cục bộ giảm thiểu sai lệch còn lại gần khu vực thành phần cụ thể khi biến dạng, uốn cong hoặc tích lũy dung sai gây ra sự dịch chuyển cục bộ. Cả hai đều giải quyết các phần khác nhau của cùng một vấn đề căn chỉnh.
Nếu bạn chỉ chọn một, hệ tọa độ toàn cục sẽ thắng vì nó thiết lập hệ tọa độ cơ sở. Tuy nhiên, nếu bạn đang lắp đặt các linh kiện BGA có khoảng cách hàn nhỏ hoặc các linh kiện micro, hệ tọa độ cục bộ thường ngăn chặn tình trạng “mọi thứ trông ổn ngoại trừ góc này”, khiến các kỹ sư đổ lỗi cho bộ cấp liệu, vòi phun hoặc keo hàn.
Kích thước và khoảng cách của dấu tham chiếu (fiducial mark) nào tôi nên sử dụng cho hệ thống quan sát SMT?
Kích thước và khoảng cách của dấu tham chiếu (fiducial mark) đề cập đến đường kính của pad đồng và vùng mở/vùng cấm của lớp phủ hàn xung quanh, đảm bảo camera có thể nhận diện được mục tiêu tròn rõ nét với độ tương phản cạnh mạnh và tiếng ồn nền tối thiểu. Việc thiết kế kích thước phù hợp giúp tránh hiện tượng chói sáng, xâm lấn lớp phủ hàn và các cạnh giả, từ đó nâng cao tốc độ phát hiện.
Các điểm khởi đầu thông dụng và thân thiện với nhà máy thường là ~1,0 mm đồng với lỗ mở lớp phủ hàn từ 2,0–3,0 mm và vùng không có chi tiết xung quanh, nhưng quy tắc của nhà lắp ráp và cài đặt camera có thể làm thay đổi điều này. Khi không chắc chắn, hãy tuân theo các quy tắc DFM đã được kiểm chứng của đường dẫn thay vì đoán mò.
Các dấu hiệu đăng ký PCB có phải là các dấu hiệu tham chiếu không?
Dấu hiệu đăng ký PCB là các đặc điểm tham chiếu được sử dụng để căn chỉnh quy trình, và trong lắp ráp SMT, điều này thường có nghĩa là các dấu hiệu tham chiếu (fiducial marks): các mục tiêu lộ ra được hệ thống quang học sử dụng để căn chỉnh bảng mạch trong quá trình in, đặt linh kiện và đôi khi kiểm tra. Mọi người thường sử dụng các thuật ngữ này một cách linh hoạt, nhưng “fiducial” là mục tiêu quan sát SMT cụ thể mà hầu hết các dây chuyền sản xuất đều dựa vào.
Bạn cũng sẽ nghe thấy thuật ngữ “lỗ định vị” trong cùng cuộc trò chuyện. Lỗ định vị giúp xử lý cơ khí và căn chỉnh thô; các điểm tham chiếu quang học đảm bảo độ chính xác quang học. Việc nhầm lẫn giữa hai khái niệm này có thể dẫn đến quyết định sai lầm.
Tại sao việc căn chỉnh máy đặt linh kiện lại thất bại ngay cả khi có các điểm tham chiếu?
Việc căn chỉnh máy đặt linh kiện có thể thất bại ngay cả khi sử dụng các điểm tham chiếu (fiducials) vì camera có thể không phát hiện được các mục tiêu một cách đáng tin cậy do các yếu tố như chói sáng, sai lệch lớp phủ hàn, chồng chéo lớp in mực, lộn xộn lớp đồng, ô nhiễm, thay đổi thanh ray bảng mạch, hoặc các điểm tham chiếu được đặt quá gần nhau để ổn định toán học xoay. “Có các điểm tham chiếu” không đồng nghĩa với “có các điểm tham chiếu có thể phát hiện được.”
Nếu thuật toán nhận diện hình ảnh khóa vào cạnh sai hoặc mục tiêu bị bẩn, việc điều chỉnh sẽ sai, và mọi vị trí đặt linh kiện sẽ bị lệch một cách nhất quán. Đó là lý do tại sao giải pháp thường nằm trong quy tắc thiết kế PCB và kiểm soát phân chia bảng mạch, chứ không phải trong việc điều chỉnh thông số máy thêm một giờ nữa.
Kết luận
Nếu bạn muốn cách nhanh nhất để ngừng tranh cãi về việc căn chỉnh, hãy cùng nhau xem xét các tệp Gerber và mục tiêu đường dẫn của bạn. Sử dụng Liên hệ với đội ngũ SMT của chúng tôi Và hãy cho chúng tôi biết bạn đang xây dựng gì (kích thước thành phần, khoảng cách, định dạng bảng, mục tiêu CPH). Nếu bạn đang mở rộng quy mô, hãy bắt đầu với Giải pháp dây chuyền sản xuất SMT trọn gói Vì vậy, máy in, máy lắp ráp, quy trình xử lý và kiểm tra đều đồng ý với một thực tế tọa độ duy nhất — vì các điểm tham chiếu của bạn không thể xác định một đường thẳng tự mâu thuẫn với chính nó.
