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(jīng)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(zhì)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(zhì)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(chǎn)安全、生態(tài)環(huán)境造成的隱患，安全性較高[5]。

目前國內(nèi)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(diào)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(nèi)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(diào)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(zhì)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(diào)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(jīng)信號處理電路，傳送給STM32F407VGT6，完成模數(shù)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路后，控制DN15-50電動調(diào)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(zhuǎn)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(jīng)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換引腳，如圖4所示。

圖4 兩級放大電路

經(jīng)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(zhuǎn)換電路，產(chǎn)生控制電動調(diào)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(diào)節(jié)閥控制電路由高精度電壓電流轉(zhuǎn)換芯片XTR111及其外圍電路構成，其轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電路輸入電壓。

圖5 電動調(diào)節(jié)閥控制電路

輸出電流Iout作為電動調(diào)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(diào)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(chǎn)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(zhì)量和實際生產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(chǎn)效率和質(zhì)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(chǎn)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(chǎn)效率，更適合在中小企業(yè)推廣使用。