FOG邦定機的脈沖加熱控制技術

田 輝，馮志祥

(中國電子科技集團公司第二研究所，山西 太原030024)

FOG (Flex On Glass) 邦定機是一種用于將TCP(Tape Carrier Package)或FPC (Flexible Circuit Board）柔性電路板與ITO(Indium tin oxide)氧化銦錫玻璃之間建立穩定的機械和電氣連接的工藝設備，是LCM(Liquid Display Module)液晶顯示器件模塊生產制造中的關鍵設備。基于LCM 的工藝需求，自主研發了國內首臺用于正反兩面壓接的自動FOG 邦定機。整機主要功能有：自動上料、定位、正面ACF(Anisotropic Conductive Film)預貼、正面對位（人工）、正面預壓、反面ACF 預貼、反面對位（自動）、反面預壓、主壓、自動下料等。

主壓工藝是FOG 邦定的關鍵工序。主壓采用3 個壓頭壓接的方式，每個主壓頭分別進行加熱、加壓控制。其中加熱控制不僅要求升降溫速度快，而且要求具有高的控溫精度，是整個設備研發的一個核心技術。主壓機采用的是脈沖加熱控制方式，可以實時控制溫度和壓力。本文重點對FOG 邦定中的脈沖加熱及其溫度控制技術進行論述。

1 脈沖加熱技術

脈沖加熱方式最適合用于精密焊接或熱樹脂焊接，其中加熱和冷卻過程是在受壓的情況下完成的。在這種方式中，熱壓頭的形狀通常采用U形結構。

基于脈沖壓頭升溫速度快的特點，應用時將熱電偶焊接到脈沖壓頭上以提高熱電偶檢測溫度的靈敏性和快速性。脈沖壓頭和K 型熱電偶如圖1 所示。

圖1 脈沖壓頭K 型熱電偶

脈沖加熱要求熱壓頭溫度快速升降，因此熱壓頭的電流截面應當越小越好。熱電偶連接在熱壓頭上，對溫度進行檢測。脈沖加熱控制器通過溫度反饋回路可以對熱壓頭的熱量輸出進行快速校正，因此脈沖電源能控制溫度曲線和熱量傳輸。脈沖加熱溫控曲線如圖2 所示。同時由于加熱過程在局部區域短時間內完成，減少了外界對熱量的影響，因此具有良好的溫度和時間重復性。

圖2 脈沖加熱溫度控制曲線

在快速冷卻之前要求壓力保持恒定，這樣導電顆粒才能在固化階段保持在原來位置，從而產生良好的電氣連接。

2 脈沖加熱原理及理論計算

脈沖加熱就是向熱壓頭通脈沖式大電流，熱壓頭部分由鉬和鈦等高電阻材料制成，當大電流使壓頭快速升溫。熱壓頭前端的熱電偶將當前溫度反饋到脈沖加熱控制器中，控制器根據設定的時間和溫度來控制雙向可控硅的導通角和開關頻率，從而控制變壓器輸出端脈沖電流的幅值和頻率，最終實現現場工藝要求的控溫曲線，其原理框圖如圖3 所示。

圖3 脈沖加熱原理圖

脈沖加熱控制的核心是要隨時采集被加熱系統的熱量，以確定當前需要輸出的功率。設計加熱系統時要綜合考慮：系統啟動時所需功率、系統運行時的功率和系統運行中的熱量損失等幾方面的因素。系統所需功率可用以下公式進行理論計算和設計。

P1——系統啟動時需要的功率

m1——加熱體重量

c1——加熱體比熱

ΔT——介質和環境溫度之差或溫升

Q——散熱量

t——加熱時間

系統運行時所需要的功率：

P2——系統運行時需要的功率

m2——被加熱體重量

c2——被加熱體比熱

ΔT——介質和環境溫度之差或溫升

Q——散熱量

t——加熱時間

3 溫度控制系統設計

脈沖式主壓系統的溫度控制難度很大，因為升溫速度快，需要設置的參數多，控制精度要求高。經過對系統所需加熱功率的理論計算，并結合以下幾方面進行綜合設計，以滿足系統最終加熱控制要求:

(1)脈沖壓頭材料的選擇，選用的是T1鍍金的方式，這種處理方法下導電率最高且不易氧化。

(2)在溫度值的設定上，采用分段控制，軟件可以設置4 段溫度控制，溫控參數多。

(3)1 個PLC 控制3 個脈沖控制器，控制6 個脈沖壓頭加熱，由于PLC 要實時監控溫度，所以需要不停地讀取脈沖控制器的溫度，并向脈沖控制器寫入參數以控制溫度的變化，因此要求讀取溫度和寫入參數不能沖突，通訊程序編寫時序合理、邏輯清晰。

基于以上要求，PLC 與脈沖控制器采用串行通訊方式，1 個PLC 與3 脈沖控制器通訊，電氣原理框圖如圖4 所示。

圖4 電氣原理框圖

以兩段溫度控制舉例說明，圖5 為需要控制實現的溫度曲線。

圖5 兩段溫度曲線

T1為起始溫度設定為50 ℃

T2為第1 段目標溫度設定為120 ℃

T3為第2 段目標溫度設定為180 ℃

T4為上壓頭分離溫度設定為70 ℃

t1第1 段升溫時間設定為1 s

t2第1 段溫度保持時間設定為1 s

t3第2 段升溫時間設定為1 s

t4第2 段溫度保持時間設定為10 s

要實現該溫度曲線需要在人機交互界面上設置多個參數，如圖6 所示。圖7 是按照設定的參數進行的實際脈沖加熱溫度控制曲線。

4 脈沖加熱應用效果

在實際應用中脈沖加熱比傳統的恒溫加熱有很大的優點：

圖6 溫度參數設置

圖7 按照設定參數的溫度曲線

（1）加壓的同時通電加熱和斷電冷卻同時進行，防止了邦定部位浮起、虛焊；

（2）控溫精度高，升溫速度快，加熱時間、保溫時間、降溫時間可控；

（3）可以根據不同的產品設置溫度、時間等參數，可以實現高品質產品的生產；

（4）局部瞬時加熱方式能很好地控制對周圍元器件的熱影響。

5 結束語

脈沖式本壓機實現了上下壓頭同時壓接的全自動動作，溫度、壓力控制準確，在運行過程當中不需要人為干預，整機結構緊湊，整條生產線的產品加工良率及自動化程度高，在國內LCM 生產制造企業中起著舉足輕重的作用。

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