《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種適于RFID標(biāo)簽生產(chǎn)的多路溫度控制方案
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
王 冠,, 陳建魁,, 尹周平
(華中科技大學(xué) 數(shù)字制造技術(shù)與裝備國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北 武漢430074)
摘要: 針對RFID標(biāo)簽生產(chǎn)ACA熱壓固化模塊,設(shè)計(jì)了一套多路溫度控制系統(tǒng)方案,。硬件上以C8051F020單片機(jī)為核心,,針對硬件電路的各功能模塊,包括溫度采集電路,、加熱驅(qū)動(dòng)電路,、單片機(jī)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí)在軟件上,,進(jìn)行了溫度數(shù)據(jù)采集以及濾波算法的實(shí)現(xiàn),,并采用積分分離式PID控制加熱模塊。經(jīng)溫度試驗(yàn)表明,,系統(tǒng)具有高精度和良好的穩(wěn)定性,;同時(shí)移植于RFID標(biāo)簽生產(chǎn)設(shè)備,進(jìn)行批量生產(chǎn)典型UHF標(biāo)簽9662的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,,標(biāo)簽產(chǎn)品良品率達(dá)到99.85%以上,,一致性與穩(wěn)定性滿足要求,適于標(biāo)簽的批量生產(chǎn),。
中圖分類號(hào): TN707
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)08-0087-04
A multi-channel temperature control scheme applicable to RFID chip packaging
Wang Guan, Chen Jiankui, Yin Zhouping
State Key Laboratory of Digital Manufacturing Equipment and Technology, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
Abstract: A new multi-channel temperature control scheme applicable to ACA multipoint is introduced. MCU C8051F020 is designed as the core. The hardware circuit, mainly including temperature acquisition circuit, heating driver circuit and microcontroller circuit, is also designed. At the same time, the data acquisition and filtering algorithm of software are realized, using integral separated PID to control heating module. The temperature test show that the system has high precision and good stability. Product rate of typical UHF tags 9662 above 99.85%, the consistency and stability meet the requirements. The scheme is suitable to apply to ACA multipoint curing process in RFID chip packaging.
Key words : radio frequency identification; multi-channel temperature; ACA(anisotropic conductive adhesive); circuit design; Integral separated PID control

  射頻識(shí)別(RFID)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)非接觸式自動(dòng)識(shí)別的技術(shù),,是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[1]。RFID標(biāo)簽批量生產(chǎn)通常采用基于各項(xiàng)異性導(dǎo)電膠(ACA)固化的倒裝鍵合工藝實(shí)現(xiàn)芯片與柔性基板的互連[2],。標(biāo)簽封裝設(shè)備通常包括基板輸送,、檢測、點(diǎn)膠,、貼裝和熱壓五個(gè)工藝模塊[3],。熱壓模塊主要是對聯(lián)結(jié)基板天線和芯片的導(dǎo)電膠進(jìn)行熱壓固化。

  ACA主要由基體和導(dǎo)電顆粒組成[4],其固化過程中,,固化的溫度對芯片與天線互連的機(jī)械性能和電氣性能有重要影響[5-6],。溫度和固化時(shí)間對導(dǎo)電膠的連接性能有決定性作用[7]。熱壓溫度決定了導(dǎo)電膠的固化程度以及芯片和天線基板的連接強(qiáng)度,,在很大程度上決定了芯片讀寫效果的好壞,。為了提高標(biāo)簽生產(chǎn)效率,,一般采用多套熱壓頭同時(shí)對多個(gè)芯片進(jìn)行熱壓,,多點(diǎn)溫度的精度,、穩(wěn)定性和一致性是控制關(guān)鍵。需要設(shè)計(jì)一種適用于RFID標(biāo)簽生產(chǎn)ACA固化的多路溫度控制方案,。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

  根據(jù)導(dǎo)電膠工藝參數(shù)和連接性能,,確定設(shè)計(jì)方案的溫度控制范圍為 0~300 ℃,控制精度±1 ℃,,溫升時(shí)間在5 min以內(nèi),,固化加熱時(shí)間10 s。針對多路溫控系統(tǒng)的性能要求,,設(shè)計(jì)了可以同時(shí)控制多達(dá)64路通道的系統(tǒng)構(gòu)架,,同時(shí)針對多路控制的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了8個(gè)溫控卡和多個(gè)接口卡的結(jié)構(gòu)方案,。

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  系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該溫控系統(tǒng)采用8塊溫控板,,1~4、5~8號(hào)分別對上,、下32路加熱頭進(jìn)行溫控,;上部分采用一塊電源控制板和一塊通信接口板,分別控制1~4號(hào)溫控板的電源,、作為多機(jī)通信接口,;下部分采用一塊通信接口/電源控制板,對5~8號(hào)溫控板的電源,、通信作統(tǒng)一管理,;通用監(jiān)控板對1~8號(hào)溫控板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示;整體采用一塊電源接口板,,對溫控系統(tǒng)全局供電,。在硬件上,選用C8051F020單片機(jī)為核心的硬件部分,,對溫度采集電路,、加熱驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì),。同時(shí),,進(jìn)行了溫度數(shù)據(jù)采集以及濾波算法的軟件實(shí)現(xiàn),在控制算法上采用積分分離式PID控制,,通過仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對比驗(yàn)證,。

2 多路溫控系統(tǒng)核心電路設(shè)計(jì)

  2.1溫度采集電路

  溫度采集模塊的原理一般是熱電偶、熱電阻等輸出的電壓,、電流信號(hào)經(jīng)濾波,、放大、A/D轉(zhuǎn)換后,將測量數(shù)據(jù)送進(jìn)單片機(jī)分析處理,將測量結(jié)果存于外存儲(chǔ)器中[8]。熱電偶的溫度特性曲線比熱電阻差,,精度,、響應(yīng)速度也不及熱電阻,所以選用熱電阻中的鉑電阻溫度傳感器(PT100),。PT100具有測量精度高,、長期復(fù)現(xiàn)性好、測量范圍廣等特性,,廣泛用于工業(yè)測溫,、計(jì)量和校準(zhǔn)[9]。

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  所選擇的溫控系統(tǒng)測溫對象為64個(gè)熱壓頭工作面,,將PT100嵌入式裝在熱壓頭端部,。溫度采集電路原理圖如圖2所示,該電路功能是將PT100(Rt)的輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后與溫度值對應(yīng)起來,,即0~300 ℃線性化對應(yīng)到0~3 V,,以供單片機(jī)采集。采用兩線制不平衡電橋測量電路,,測量PT100隨溫度變化的毫伏信號(hào)輸出,,再經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換,通過單片機(jī)進(jìn)行電壓信號(hào)的采集并完成電壓與溫度之間對應(yīng)關(guān)系運(yùn)算和處理,。根據(jù)控制要求對每個(gè)元器件取值,。其中PT100阻值Rt隨時(shí)間變化。電路簡化后得到電壓關(guān)系:

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     其中RAU@[LBU(`6XZO6W~6(XN}F.png,。

  可以看出,,電路的輸出信號(hào)與傳感器電阻值變化量有著很好的對應(yīng)關(guān)系,線性度達(dá)到±0.02%FS,。

  2.2 加熱驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

  熱壓模塊中,,發(fā)熱芯安裝在熱壓頭腔內(nèi),需在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對芯片和導(dǎo)電膠的加熱固化,。選用MCH氧化鋁陶瓷微型發(fā)熱芯作為發(fā)熱元件,,嵌在熱壓端底部進(jìn)行熱量傳輸,額定電壓36 V,,功率45 W,。溫控系統(tǒng)控制對象為64個(gè)MCH氧化鋁陶瓷發(fā)熱芯。

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  圖3為加熱驅(qū)動(dòng)電路原理圖,。采用了場效應(yīng)管進(jìn)行功率的放大,,通過控制輸出的高低電平的占空比來控制發(fā)熱芯的電源通斷。采用光耦減小外界干擾將驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)的輸出口隔離,;光耦管腳接單片機(jī)I/O信號(hào),。當(dāng)HEAT1端輸入低電平時(shí),,光耦導(dǎo)通,場效應(yīng)管處于“開”狀態(tài),,此時(shí)發(fā)熱芯上得到36 V的壓降而升溫,;否則,發(fā)熱芯失電降溫,。這樣單片機(jī)I/O輸出的高/低電平信號(hào)就被轉(zhuǎn)換為36 V電壓的PWM波,兩者頻率一致,實(shí)現(xiàn)了功率的放大,。

  2.3 單片機(jī)主電路

  C8051F是模擬性能很好的8位單片機(jī),集成了豐富的模擬資源,,可實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換;在內(nèi)置12位的8通道A/D轉(zhuǎn)換器的情況下,采集溫度0~300 ℃,,則A/D分辨率為300/212=0.05 ℃,,滿足系統(tǒng)控制精度要求。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓由單片機(jī)內(nèi)產(chǎn)生或由外部輸入,,由跳線進(jìn)行選擇,,電路使用的靈活性高。

  C8051F020單片機(jī)模擬電壓源接3 V電壓,。MCU內(nèi)部有一個(gè)使用系統(tǒng)時(shí)鐘的可編程看門狗定時(shí)器(WDT),,當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出,WDT 將強(qiáng)制CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài),。為了防止復(fù)位,,在溢出前由應(yīng)用軟件重新觸發(fā)WDT,如果系統(tǒng)出現(xiàn)了軟/硬件錯(cuò)誤不能重新觸發(fā)WDT,,則WDT將溢出并產(chǎn)生復(fù)位,,以此防止系統(tǒng)失控。

  2.4 存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì)

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  C8051F020 單片機(jī)自帶64 KB的Flash存儲(chǔ)器,,可以用來做程序存儲(chǔ),,用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。為了存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù),,另外擴(kuò)展了一個(gè)EEPROM存儲(chǔ)器AT93C46,,如圖4所示,具有1 KB的存儲(chǔ)空間,,低功耗,、低電壓、電可擦除,,可重復(fù)寫 100 萬次,,采用 SPI 四線制連接,傳輸速度快,。SPI是全雙工總線,,即在發(fā)送的同時(shí)也能接收數(shù)據(jù),,因此有MOSI控制線、MISO控制線,、SCK時(shí)鐘線和NSS片選線,。

3 軟件設(shè)計(jì)

  3.1 溫度數(shù)據(jù)采集

 

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  溫度采集及控制是在定時(shí)器中斷下完成的。每塊溫控卡同時(shí)控制8個(gè)熱壓頭,,控制方式采用循環(huán)方式,。溫度數(shù)據(jù)采集的控制流程圖如圖 5所示。每次定時(shí)器中斷開始后,,程序先循環(huán)讀取8路鉑電阻的電壓,,轉(zhuǎn)換為溫度值后,再分別進(jìn)行PID運(yùn)算,,然后根據(jù)各通道的運(yùn)算結(jié)果,,首先判斷溫度是否出現(xiàn)異常,若有過熱發(fā)生,,則發(fā)出報(bào)警并切斷電源,,否則分別控制各發(fā)熱芯的PWM占空比,對溫度進(jìn)行調(diào)節(jié),。

  3.2 濾波算法設(shè)計(jì)

  A/D采樣在運(yùn)行時(shí)受信號(hào)源本身,、傳感器、外界環(huán)境等因素影響,,輸入通道采集的模擬輸入量會(huì)不可避免混進(jìn)了干擾信號(hào),這些干擾會(huì)影響到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性,,從而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成不良影響。實(shí)際中采用的是利用數(shù)字濾波的軟件方式,,對原始的采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測和轉(zhuǎn)換,,提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性[10]。本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器精度約為0.05 ℃,,外界環(huán)境的干擾較多,,選取滑動(dòng)平均濾波方式。該算法可以很好地改善系統(tǒng)的控制品質(zhì),。其計(jì)算公式為:

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  其中, n為該區(qū)域中點(diǎn)的總個(gè)數(shù),,x為第k次取值。

  3.3 積分分離PID控制算法

  普通PID控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是消除靜差,,提高控制精度,。但在控制過程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí),,短時(shí)間內(nèi)的輸出偏差非常大,,PID運(yùn)算中積分累計(jì)結(jié)果可能導(dǎo)致控制量不正常,引起系統(tǒng)較大的超調(diào)振蕩,,產(chǎn)生嚴(yán)重危害[11],。

  為彌補(bǔ)普通PID控制算法的不足,,采用積分分離式PID控制算法。根據(jù)實(shí)際情況,人為設(shè)定閾值ε>0,;當(dāng) error(k)>ε時(shí),,采用PD控制,避免產(chǎn)生過大的超調(diào),,使系統(tǒng)有較快的響應(yīng),;當(dāng) error(k)≤ε時(shí),采用PID控制,,以保證控制精度,。積分分離控制算法可表示為:

  QJRF~FKJG25)LPCXNMEZ_$P.png

  根據(jù)積分分離式PID控制算法得到其程序框圖如圖6所示。

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4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

  4.1 多路溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

  選取1~4號(hào)溫控板的32個(gè)通道,,測試在目標(biāo)溫度為180 ℃時(shí)升溫時(shí)間,、溫度過沖以及波動(dòng)情況。數(shù)據(jù)表明溫度控制精度,、波動(dòng)性及穩(wěn)定時(shí)間均達(dá)到要求。隨機(jī)選取了其中4組進(jìn)行結(jié)果反映,,數(shù)據(jù)如表1所示,。

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  數(shù)據(jù)顯示,各通道對應(yīng)熱壓頭的溫度響應(yīng)時(shí)間在2 min內(nèi),升溫穩(wěn)定時(shí)間在2.5 min內(nèi)小于5 min,,升溫過沖低于10%,;穩(wěn)定之后,溫度波動(dòng)均在1 ℃以內(nèi),,控制精度達(dá)到±1 ℃的要求,。

  4.2 試驗(yàn)產(chǎn)品9662性能測試結(jié)論

  結(jié)合9662標(biāo)簽的各項(xiàng)工藝參數(shù),在RFID標(biāo)簽封裝設(shè)備的熱壓模塊進(jìn)行測試。9662標(biāo)簽尺寸為75 mm×23 mm,,標(biāo)簽上天線為蝕刻鋁箔,,配置芯片型號(hào)為美國Alien公司的H3。華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合武漢華威科智能技術(shù)有限公司開發(fā)生產(chǎn)的DIII型RFID標(biāo)簽生產(chǎn)裝備中,,熱壓模塊均采用了本文上述多路溫控方案——使用該平臺(tái)完成9662標(biāo)簽生產(chǎn)測試,。

  在標(biāo)簽檢驗(yàn)方面,首先對連續(xù)生產(chǎn)的2萬多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀通率的檢測,,標(biāo)簽產(chǎn)品讀通率達(dá)到99.85%,。

  然后,采用Alien超高頻讀寫器ALR-9900進(jìn)行標(biāo)簽靈敏度測試。靈敏度測試是直接測試標(biāo)簽的讀距,,與理想曲線進(jìn)行比較,。標(biāo)簽距離測試中,在860 MHz~960 MHz之間,,20組樣品讀距均保持在8 m以上,,性能較好,。如圖7所示,隨機(jī)選取了3組曲線進(jìn)行結(jié)果反映,。

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  最后,,使用推拉力測試儀CONDOK70進(jìn)行推拉力測試。鏟除天線上已ACA固化好芯片所需要的剪切強(qiáng)度均值為1.2 kgF,,范圍為1.1~1.4 kgF,,滿足行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(≥1 kgF);外觀檢測如圖8所示,,熱壓痕跡一致,,鍵合點(diǎn)位置準(zhǔn)確、膠體分布均勻,整體外觀良好,。

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  由以上檢測結(jié)果可以得出,,標(biāo)簽良品率在99.85%以上,芯片在基板上的鍵合凸點(diǎn)較為一致,,讀距均達(dá)到8 m以上,,破壞性剪切力范圍為1.1~1.4 kgF,符合要求,。因此,,該多路溫控方案能保證多個(gè)熱壓頭溫度控制的一致性與穩(wěn)定性,滿足熱壓工藝需求,。

  RFID芯片封裝過程中,,溫度和固化時(shí)間對導(dǎo)電膠連接性能有決定性作用。熱壓溫度決定了導(dǎo)電膠的固化程度以及芯片和天線基板的連接強(qiáng)度,。本文在RFID標(biāo)簽封裝設(shè)備ACA熱壓固化模塊的基礎(chǔ)上,,設(shè)計(jì)了一套多路溫度控制系統(tǒng)。在完成相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)之后,,對系統(tǒng)溫度情況進(jìn)行了驗(yàn)證,,并且結(jié)合試驗(yàn)產(chǎn)品9662標(biāo)簽,進(jìn)行了產(chǎn)品工藝參數(shù)的相關(guān)檢測,。實(shí)驗(yàn)證明,, 溫度穩(wěn)定時(shí)間在5 min內(nèi), 多路溫度控制精度達(dá)到±1℃的要求,,控溫范圍0~300℃,,滿足ACA固化需求;所試驗(yàn)產(chǎn)品UHF標(biāo)簽9662標(biāo)簽良品率達(dá)99.85%以上,,芯片鍵合點(diǎn),、破壞性剪切力、讀距均達(dá)到要求,,整體結(jié)果符合要求,。本文提出的方案滿足RFID標(biāo)簽制備ACA熱壓固化工藝中對多路溫度控制的要求,,系統(tǒng)成本較低,具有很強(qiáng)的移植性,,滿足于不同的工業(yè)生產(chǎn)需要,,為其他多路溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供參考。

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