半密閉氮氣保護的電路模塊燒結系統(tǒng)設計

郭全民，李振華，杜金燦，范文明

(1.西安工業(yè)大學電子信息工程學院，陜西西安 710021；2.北京振興計量測試研究所，北京 100074)

0 引言

電路模塊金屬底座與印制板大面積焊接，是實現(xiàn)模塊機械和電氣連接的重要工序，也是電子元器件接地散熱的關鍵[1]。在電路模塊的燒結應用中，由于印制板與金屬底座加工要求及加工材料的自身限制，使微波加熱、熱吹風加熱和磁感應加熱等加熱方式無法完全滿足工藝需求[2-3]，而是以軟釬焊作為主要燒結方法，在金屬底座上放焊錫片，焊錫片上放印制板，經過預熱、升溫、焊接和冷卻4個階段，使釬料融化潤濕，與被焊母材形成合金，完成焊接。

燒結質量與燒結溫度、燒結環(huán)境中的氧氣濃度緊密相關，溫度和氧氣濃度控制不良，均會增加焊接層的空洞率，形成各種阻抗，影響電路模塊的電導率和熱導率，同時也會導致電路模塊接地不佳，造成電路串擾、插入損耗等問題，影響電子設備性能[4]。為提高燒結質量，通常會將待燒結物置于真空環(huán)境或氣氛保護環(huán)境中，對燒結溫度進行精確控制，常用的保護氣體有氮氣和氫氣，可以防止被燒結物在燒結過程中發(fā)生氧化或其他潛在的化學反應，相比于氫氣，氮氣能夠避免因泄漏對生產安全、生態(tài)環(huán)境造成的隱患，安全性較高[5]。

目前國內外可用于電路模塊金屬底座與印制板大面積焊接的燒結臺，均采用密閉燒結設計，熱傳導加熱方式，具有燒結氣氛理想、升溫速度快、加熱均勻、導熱性能好的優(yōu)點，但密閉燒結設計復雜，對加熱臺結構要求高、體積大，且造價昂貴，無法滿足中小企業(yè)對設備低成本的需求，極大限制了設備應用范圍。針對該問題設計了半密閉氮氣保護的電路模塊燒結系統(tǒng)，并以此為基礎提出了前饋解耦和增量式PID控制結合的控制策略，解決了半密閉燒結系統(tǒng)變量控制過程中，燒結溫度和氮氣濃度互相耦合，影響系統(tǒng)控制精度和響應速度的問題。在同等燒結條件下，與真空燒結設備相比，其應用場合更靈活，更加適合在中小企業(yè)大范圍推廣使用。

1 系統(tǒng)工作原理

半密閉氮氣保護的電路模塊燒結系統(tǒng)由系統(tǒng)控制器、燒結臺和上位機3部分組成，如圖1所示。

圖1 半密閉氮氣保護的電路模塊燒結系統(tǒng)

半密閉的電路模塊燒結臺由加熱臺、氣氛保護罩、氣體濃度檢測傳感器和電動調節(jié)閥構成，其中加熱臺以熱傳導方式加熱待燒結電路模塊，由氣氛保護罩頂部的氣體濃度檢測傳感器和置于加熱臺內部的溫度檢測傳感器檢測燒結環(huán)境中的氮氣濃度和燒結溫度，通過系統(tǒng)控制器控制電動調節(jié)閥開度和加熱臺輸出功率保證當前燒結環(huán)境為最佳燒結條件，從而確保電路模塊的燒結質量。

系統(tǒng)控制器具備串口通信功能，可將燒結數(shù)據(jù)上傳至上位機監(jiān)控軟件，上位機監(jiān)控軟件可隨時發(fā)送操作指令到系統(tǒng)控制臺，設置、查看燒結狀態(tài)，實現(xiàn)對燒結狀態(tài)的遠程操作和數(shù)據(jù)記錄，并可控制多個燒結臺同時工作。

2 系統(tǒng)控制器電路設計

系統(tǒng)控制器是電路模塊燒結系統(tǒng)的控制核心，圖2為系統(tǒng)硬件框圖，主要由微處理器、溫度和氧氣濃度傳感器、固態(tài)繼電器和電動調節(jié)閥等相關部分組成。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

系統(tǒng)由ZOY-4氧化鋯傳感器和Pt1000鉑電阻采集燒結環(huán)境中氮氣濃度和燒結溫度，經信號處理電路，傳送給STM32F407VGT6，完成模數(shù)轉換，顯示在LCD，同時STM32輸出PWM控制信號，控制加熱臺電源的固態(tài)繼電器開關G3NB-1通斷，當輸出PWM信號占空比發(fā)生變化時，加熱臺所接220 V AC供電時長隨之改變，加熱臺輸出功率的變化使其處于最佳燒結溫度；處理器輸出的電壓控制信號通過電壓/電流轉換電路后，控制DN15-50電動調節(jié)閥的開度，改變氣氛保護罩中氮氣充入速率 ，使其滿足不同燒結時刻對燒結氣氛環(huán)境的不同需求[6]，其中ZOY-4氧化鋯傳感器通過監(jiān)測氣氛保護罩中的氧氣濃度，間接得到實時氮氣濃度[7]。系統(tǒng)控制器還設有按鍵模塊、聲光報警模塊和RS485通信接口，用來實現(xiàn)燒結設置、異常報警以及和上位機軟件的數(shù)據(jù)交互。

2.1 溫度監(jiān)測電路

本系統(tǒng)使用鉑電阻的三線制接法結合惠斯登電橋設計溫度檢測電路，消除線阻對測量溫度的影響[8]，將其輸出的電壓信號接入STM32模數(shù)轉換功能引腳，得到當前燒結溫度，如圖3所示。

圖3 溫度檢測電路

電橋測量電壓信號ΔUC1與溫度檢測電路輸出信號有如下關系：

(1)

式中：UT為溫度檢測電路輸出電壓；A為放大倍數(shù)；ΔUC1為電橋輸出測量電壓；U1和U2分別為運放正相和反相輸入電壓；電阻R4=R5=1 kΩ，R1=R7=1.2 kΩ；放大倍數(shù)為A=R1/R4=1.2。

2.2 氮氣濃度檢測與控制電路

氧化鋯探頭輸出為4～20 mA電流信號，為提高測量精度，避免放大電路設計失真和自激現(xiàn)象，將電流信號經轉換電路二級放大后，輸出0～3.3 V電壓信號，接微處理器模數(shù)轉換引腳，如圖4所示。

圖4 兩級放大電路

經兩級放大電路處理輸出電壓UN2與氧氣傳感器輸出電流IN有如下關系：

(2)

式中：B、C分別為兩級運算放大器放大倍數(shù)，即輸出電壓與輸入電壓之比。

電流由運算放大器正相流入，通過采樣電阻R20，得到一級放大電路輸入電壓ΔU2范圍為0.2～1 V；放大器輸出電壓可通過式(3)求得：

(3)

式中：UN1和UN2分別為一級放大電路和二級放大電路輸出電壓；U3和U4分別為一級運放正相和反相輸入；U5和U6分別為二級運放正相和反相輸入。

由式(3)可得UN1范圍為0.825～4.125 V，UN2范圍為0.66～3.3 V。

微處理器輸出的電壓控制信號通過信號轉換電路，產生控制電動調節(jié)閥不同開度的電流信號，以改變氮氣通入量，維持燒結臺氣氛保護罩中氮氣濃度的動態(tài)平衡。

圖5所示的電動調節(jié)閥控制電路由高精度電壓電流轉換芯片XTR111及其外圍電路構成，其轉換精度可達到0.001 5%，電路正常工作時，輸入電壓與輸出電流有如下關系：

(4)

式中Vvin為轉換電路輸入電壓。

圖5 電動調節(jié)閥控制電路

輸出電流Iout作為電動調節(jié)閥控制信號，微處理器輸出為0～3.3 V，設置R16=1.65 kΩ，能夠滿足電動調節(jié)閥控制信號在0～20 mA。

3 系統(tǒng)控制算法

系統(tǒng)半密閉的氣氛保護設計，在燒結過程中存在氮氣泄漏問題，需要隨時向氣氛保護罩中充入新的氮氣，以維持最佳的燒結氮氣環(huán)境，而新氮氣的充入會降低燒結環(huán)境溫度，溫度的升高又會加快氮氣的泄漏，兩者之間存在明顯的耦合現(xiàn)象，給系統(tǒng)的控制增加了很大難度，因此在對系統(tǒng)燒結溫度和氮氣濃度控制前，需進行前饋解耦操作[9]，以保證能夠通過增量PID控制算法準確地達到所需燒結環(huán)境[10]。

3.1 前饋解耦算法

系統(tǒng)產生擾動時，前饋解耦能夠更快、更有效地消除燒結溫度和氮氣濃度間耦合對系統(tǒng)控制的影響，使后續(xù)控制更容易實現(xiàn)[11-12]。

圖6為燒結溫度和氮氣濃度耦合原理，其中RN、RT分別為氮氣濃度、燒結溫度2個輸入量；YN、YT分別為對應的輸出量；DN為氮氣濃度控制器，DT為燒結溫度控制器；GN、GT為變量無耦合影響條件下的氮氣濃度傳遞函數(shù)和燒結溫度傳遞函數(shù)；GNT(s)、GTN(s)為變量耦合影響條件下的氮氣濃度的傳遞函數(shù)和溫度的傳遞函數(shù)。

圖6 燒結溫度和氮氣濃度耦合原理

由上述耦合原理，結合工程實驗數(shù)據(jù)辨識推導出半密閉氮氣保護的電路燒結系統(tǒng)耦合傳遞函數(shù)GP(s)為

燒結系統(tǒng)前饋解耦控制結構如圖7所示。圖中：R(s)為系統(tǒng)的輸入；C(s)為系統(tǒng)的控制器；G(s)為系統(tǒng)解耦后的被控對象；Y(s)為系統(tǒng)的輸出。

圖7 前饋解耦控制框圖

由圖7可知系統(tǒng)耦合矩陣、解耦矩陣和解耦后的被控對象有如下關系：

G(s)=GP(s)GF(s)

(6)

計算系統(tǒng)解耦矩陣GF(s)：

(7)

可求得解耦后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)為

(8)

由式(8)可知，解耦后所得電路燒結系統(tǒng)傳遞函數(shù)G(s)中燒結溫度和氮氣濃度不相關。

3.2 增量式PID控制算法

解耦后的電路燒結系統(tǒng)可近似為2個單變量輸入輸出系統(tǒng)，通過增量式PID控制算法分別對燒結溫度和氮氣濃度設定值，以及當前監(jiān)測值和過去2次監(jiān)測值進行處理，節(jié)約STM32存儲空間，減少因數(shù)據(jù)計算量大造成的誤差累積[13]。

Δu(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

(9)

式中：Δu(k)為燒結溫度或氮氣濃度輸出增加量；e(k)、e(k-1)、e(k-2)分別表示當前誤差、前1次誤差和前2次誤差；Kp、Ki、Kd分別為比例、積分、微分系數(shù)。

將計算得到的增量結果與前一次輸出u(k-1)相加，得到當前控制量u(k)：

u(k)=Δu(k)+u(k-1)

(10)

圖8為溫度和氮氣濃度控制方框圖。

(a)溫度控制方框圖

(b)氮氣濃度控制方框圖圖8 溫度和氮氣濃度控制方框圖

4 實驗結果與分析

為了驗證半密閉氮氣保護的電路模塊燒結系統(tǒng)的控制和監(jiān)測性能是否滿足工藝要求，將上位機軟件測得數(shù)據(jù)與ADKS-4標準氧氣檢測儀和UT300S工業(yè)溫度檢測儀所測數(shù)據(jù)對比。圖9為上位機監(jiān)控軟件主界面，可實時顯示當前燒結溫度和燒結環(huán)境中氮氣濃度值。

圖9 上位機監(jiān)控軟件主界面

4.1 燒結溫度控制與監(jiān)測

在燒結溫度工作范圍200～300 ℃之間等間隔選取測量點，依次對加熱臺的工作溫度參數(shù)設定(設定值)，并記錄對應的系統(tǒng)燒結溫度(監(jiān)測值)，將UT300S所測溫度作為標準值，誤差即為標準值與監(jiān)測值之差，實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 燒結溫度測定數(shù)據(jù) ℃

由表1可知，系統(tǒng)燒結溫度設定值與溫度監(jiān)測值最大誤差為2 ℃，監(jiān)測值與標準值最大誤差為1.6 ℃，系統(tǒng)對燒結溫度的控制與監(jiān)測均滿足波動范圍±3 ℃的設計要求。

4.2 氮氣濃度控制與監(jiān)測

由于半密閉系統(tǒng)結構，燒結過程中無法滿足100%充滿保護氣體，若保持高濃度的氮氣燒結環(huán)境，需增大氮氣通入量，考慮燒結質量和實際生產成本[14]，在本實驗中設定燒結系統(tǒng)氣氛保護罩中的氮氣濃度值占比為95%，采樣間隔為5 min，將系統(tǒng)所測氮氣濃度值(監(jiān)測值)與標準氮氣濃度值對比，其中標準氮氣濃度值=1-標準氧氣濃度值(ADKS-4所測)，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 氮氣濃度測定數(shù)據(jù) %

由表2可知，在測試過程中，氣氛保護罩中的氮氣濃度在50 min內始終保持在95%附近波動，且系統(tǒng)監(jiān)測值與標準氮氣濃度值最大誤差為0.6%，滿足監(jiān)測與控制精度范圍在±1%以內的設計要求。

5 結束語

本文設計了半密閉氮氣保護的電路模塊燒結系統(tǒng)，對系統(tǒng)工作原理進行了介紹，通過前饋解耦和增量式PID控制算法完成對燒結系統(tǒng)溫度和氮氣濃度的精確控制，保證系統(tǒng)快速穩(wěn)定達到設定值，同時具備對燒結數(shù)據(jù)實時采集和分析處理能力，可以幫助相關技術人員對燒結流程改進，提高生產效率和質量。半密閉非真空的系統(tǒng)結構，在保證燒結溫度和燒結氣氛滿足生產要求的前提下，解決了傳統(tǒng)密閉燒結設備結構復雜、體積大、價格高等弊端，且可通過系統(tǒng)上位機控制軟件實現(xiàn)一對多控制，提高生產效率，更適合在中小企業(yè)推廣使用。