LTCC專用燒結設備溫度串級控制系統的實現

龍占勇，鄧斌，羅心蕾

(1.中國電子科技集團公司第四十八研究所，長沙 410111；2.湖南華博科技有限公司，長沙 410015)

低溫共燒陶瓷 (Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術是近年發展起來令人矚目的整合組件技術，具有IC封裝、埋入式被動組件及三維高密度電路連接功能，并且基板材料具有優良的高頻、高品質因子和高速傳輸特性及成本低、生產周期快、批量大等特點，因此它正逐漸用于取代傳統的PCB板。燒結是LTCC的生產工藝流程中重要的一環，它是將經過層壓的多層基板坯體放入燒結爐中，進行排膠和燒結成型。排膠是有機粘合劑汽化和燒除的過程，排膠工藝對LTCC基板的質量有著嚴重影響。排膠不充分，燒結后基板會起泡、變形或分層；排膠過量，又可能使金屬化圖形脫落或基板碎裂。低溫共燒技術的關鍵是燒結曲線和爐膛溫度的均勻性。燒結時升溫速度過快，會導致基板的平整度差和收縮率大。爐膛溫度的均勻性差，燒結后基板收縮率的一致性也差。燒結溫度一般在800～950℃之間。導體漿料可用金、銀、鈀銀、銅等電阻率低的材料。目前使用最多的是金、銀漿料，其可在空氣中進行燒結。因此LTCC專用燒結設備是LTCC生產工藝中最重要的設備之一，溫度控制是LTCC低溫燒結設備的關鍵技術。

由于簡單PID控制具有結構簡單、容易實現、控制效果良好等優點，因此工業控制中普遍采用簡單PID控制。但簡單PID控制應用于動態特性復雜、擾動比較頻繁、控制質量要求高的場合往往性能欠佳，對工況的適應性較差，因此該設備溫控采用串級控制方法。

1 LTCC專用設備電氣及計算機控制系統的組成

電氣控制系統主要對象為主加熱器、4路氣體預熱器、氣路送氣系統、爐壓調節系統、臺車升降系統、計算機控制系統。采用PC+PLC的控制方案，組成典型的集散控制系統，完成工藝的裝載→加熱排膠→升溫→恒溫→冷卻降溫→出爐全過程。電氣控制系統由OMRON-CJ1M-PLC核心部件組成，實現臺車升降、溫度、壓力、工藝氣體流量等控制。上位機采用研華15英寸觸摸平板工業PC，與PLC進行實時通信、提供人機界面操作平臺。

1.1 溫度控制系統的描述

LTCC專用燒結設備溫度控制系統由發熱體、測溫熱偶、溫度變送模塊、溫控儀、SCR電壓調整器等部分組成，其中溫控儀采用Yamatak公司具有串級控制功能的SDC40A型號溫控儀，SCR調壓器采用四川英杰電器KTY1S-75A型號的SCR電壓調整器，整個系統原理圖如圖1所示。

圖1 溫控系統框圖

圖1中，主控熱偶位于工件附近，測得溫度即為工件的實際溫度，該溫度也是設備溫度均勻性的考核溫度，通過熱電偶將溫度信號轉變成電信號進入溫控儀的輸入一，副控熱偶位于加熱器附近，及時測量溫度的變化波動，能迅速調整加熱器的輸出，克服進入副回路的干擾，從而大大減小副回路干擾對于主回路的影響,該熱偶信號經過熱偶變送器轉換成4～20 mA標準信號后進入溫控儀的輸入二，LTCC專用燒結設備溫度串級系統框圖見圖2。

圖2 LTCC專用燒結設備溫度串級控制系統框圖

按上述設計，當加熱電壓波動，而進氣流量和進氣溫度保持穩定，即在圖2中干擾f1(t)為零，只有f2(t)出現，干擾f2(t)首先引起爐壁溫度T2(t)變化溫度變送器2即使測量到T2(t)的變化并通過副調節器及時調整加熱電壓使T2(t)很快回到原先穩定值。如果干擾量小，經過副回路調節后，一般影響不到爐膛總體溫度T1(t)；當干擾較大時，其大部分影響為副回路所克服，仍會對爐膛總體溫度產生一定影響，但引起的偏差幅度要比單回路系統小得多，此時再通過主調節器改變副調節器的設定值X2(t)進行進一步調節，可完全消除干擾的影響，使被控參數T1(t)回復到設定值。

由于副回路控制通道環節少，時間常數小，反應靈敏。所以當干擾進入副回路時，串級系統可以獲得比單回路系統更快的控制作用，有效的克服電壓波動對爐膛溫度造成的影響，從而大大提高控制質量。

若系統的干擾只是進氣流量或進氣溫度出現波動，而加熱電壓保持穩定，即在圖2中干擾f1(t)存在，而f2(t)為0。干擾f1(t)首先會引起爐膛溫度T1(t)變化，溫度變送器1及時測量到T1(t)的變化，并通過主調節器改變副調節器的設定值X2(t)，副調節器根據X2(t)的變化調整輸出信號，改變加熱電壓的輸出，從而改變爐壁溫度T2(t)以校正爐膛溫度T1(t)的變化，使其恢復到設定值，在串級系統中，由于副回路的存在，加快了校正作用，可以及時改變T2(t)的數值，使干擾對于爐膛溫度T1(t)的影響比單回路控制時小得多。

通過以上直觀分析可以看出，使用串級控制系統后，由于引入了副回路，不僅能迅速克服副回路內的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調，粗調和快調的作用，主回路具有后調、細調和慢調的作用，對副回路沒有完全克服掉的干擾影響能徹底加以消除，主、副回路相互配合、相互補充，使控制質量顯著提高，能很好滿足設備指標要求。

1.2 主副調節器調節規律的確定

在該控制系統中，主、副調節器所起的作用不同。主調節器起定值控制作用，副調節器起隨動控制作用。主控參數爐膛溫度是LTCC燒結的主要控制指標，它關系到LTCC的質量，工藝上要求非常嚴格，且控制通道容量滯后比較大，所以主調節器選用PID調節，以保證主變量的控制品質。

對于串級控制，穩定副參數并不是目的。控制副參數是為了保證和提高主參數的控制質量，對副參數的要求一般不嚴格，可以在一定范圍內變化，允許有殘差，因此，副調節器選擇P調節就可滿足要求，一般不引入積分I和微分D因為引入積分調節會延長調節過程，減弱副回路的快速性，而引入微分作用時，當主回路輸出稍有變化，就會引起調節輸出大幅度的變化，對系統的穩定不利。

對于副調節器，當爐壁溫度升高時，輸入溫控儀的熱偶測量信號增大，此時輸出信號應該減小，加在負載兩端的加熱電壓減小。按照測量信號增大，輸出信號減小的原則要求，副調節器為反作用方式。

對于主調節器，當副參數(爐壁溫度)升高時，主參數(爐膛工件溫度)也升高。所以主調節器也為反作用。

2 設備研制結果

本設備研制完成現場運行，各項指標都達到設計要求，圖3是某工藝的溫度曲線。從圖中可以看出，曲線的跟蹤性能好，穩態精度高，超調小。

圖3 工藝曲線跟蹤性

3 結論

本文所設計的LTCC專用燒結設備采用主從兩級控制。主要控制對象是熱處理加熱爐，它是一種具有純滯后的大慣性系統，基于精確數學模型的常規控制難以保證爐膛內溫度均勻性的要求，用串級控制可以達到較好的控制效果。在系統的調試過程和現場的實際運行結果表明，本系統具有以下優點：(1)系統的控制方案合理，跟蹤性能好，穩態精度高，超調量小；(2)系統結構簡單，易于實現；(3)系統控制功能強，控制效果好；(4)人機界面友好，操作人員操作方便，滿足設計要求。

[1]王再英，劉淮霞.過程控制系統與儀表[M].北京：機械工業出版社,2007.

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