功率器件自動(dòng)控溫定位塑封系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

余駿華+孫力+全慶霄

摘 要： 為了滿足功率器件不同封裝形式可靠性和穩(wěn)定性的需求，對(duì)功率器件封裝的塑封系統(tǒng)進(jìn)行研究。設(shè)計(jì)塑封壓機(jī)集成接口和PLC溫度控制電路，實(shí)現(xiàn)功率器件塑封壓機(jī)溫度控制；研發(fā)光電傳感器、接近傳感器以及螺旋測(cè)試頭集合形成的塑封模具定位傳感結(jié)構(gòu)，結(jié)合PLC定位電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了功率器件塑封模具定位。對(duì)關(guān)鍵的PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)進(jìn)行了探索，系統(tǒng)已投入實(shí)際應(yīng)用，效果良好。

關(guān)鍵詞： 功率器件； 封裝； 溫度控制； 定位

中圖分類號(hào)： TN305.94?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）14?0116?04

隨著以計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信、消費(fèi)類電子產(chǎn)品和汽車電子為代表的4C市場(chǎng)和電源驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域朝著小外型、大功率的方向發(fā)展，作為關(guān)鍵的核心電子元器件，現(xiàn)代功率器件也朝著大功率、小型化、高頻化的趨勢(shì)快速發(fā)展[1?2] ，這對(duì)功率器件的封裝提出了更高的要求。

目前主流功率器件封裝形式有：TO，SOP，DIP，PDFN，QFN[3]，為了確保這些器件的穩(wěn)定性和可靠性，封裝過程中的控溫和定位顯得尤為重要。通過塑封系統(tǒng)自動(dòng)控溫定位結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)不同封裝形式功率器件可靠性和穩(wěn)定性的提升[4] 。本文成果已應(yīng)用于江陰蘇陽(yáng)電子股份有限公司多類產(chǎn)品實(shí)際封裝。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用的PLC控制系統(tǒng)由CP1H?XA40DT?D PLC和TPC1062KS觸摸屏組成，配合塑封壓機(jī)集成接口設(shè)計(jì)、PLC控溫設(shè)計(jì)、PLC定位設(shè)計(jì)、光電傳感系統(tǒng)嵌入，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示塑封壓機(jī)溫度并實(shí)現(xiàn)溫差預(yù)警反饋和定位不準(zhǔn)預(yù)警反饋[5?6]。原理框圖如圖1所示。

圖1 自動(dòng)控溫定位塑封系統(tǒng)原理框圖

2 半導(dǎo)體塑料封裝壓機(jī)自動(dòng)溫度切換系統(tǒng)

2.1 塑封壓機(jī)集成接口系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作為功率器件封裝關(guān)鍵的塑封工序，塑封系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度直接影響了功率器件的性能。半導(dǎo)體塑料封裝壓機(jī)需要安裝精密塑封模具以進(jìn)行手動(dòng)塑料封裝，一副模具一般需要16～20個(gè)加熱棒，壓機(jī)有32個(gè)加熱通道，可以方便更換。傳統(tǒng)塑封壓機(jī)中模具加熱棒與壓機(jī)加熱棒接口一一對(duì)接，壓機(jī)加熱棒通道與熱電偶通道一一對(duì)應(yīng)，該對(duì)接方式直接造成壓機(jī)內(nèi)部連線過多，引起安全隱患。

為了解決上述問題，設(shè)計(jì)了一種包括上模、下模、壓機(jī)加熱棒集成接口以及壓機(jī)熱電偶集成接口的塑封壓機(jī)系統(tǒng)。上模及下模的單獨(dú)加熱棒接口集合成一個(gè)整體加熱棒接口，上模及下模的單獨(dú)熱電偶接口集合成一個(gè)整體熱電偶接口，整體加熱棒接口與加熱棒接口通過加熱棒連接線連接，整體熱電偶接口與熱電偶接口通過熱電偶連接線連接。由于系統(tǒng)將傳統(tǒng)的多條單線連接改成整體接口連接，使得半導(dǎo)體塑料封裝壓系統(tǒng)連線簡(jiǎn)單、不容易造成連線接頭脫落，更換塑封模具便捷。

2.2 PLC溫度控制設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的塑封壓機(jī)系統(tǒng)除了將壓機(jī)的多個(gè)單通道結(jié)合在一起，還在PLC智能反饋系統(tǒng)中增加自動(dòng)變換通道程序，若某個(gè)通道低于設(shè)定溫度一定時(shí)間，PLC自動(dòng)切換下一個(gè)閑置通道。通過觸摸屏輸入、PLC反饋、模塊集成的方法實(shí)現(xiàn)溫度的切換控制。

PLC溫度控制系統(tǒng)通過觸摸屏設(shè)定加熱溫度、加熱脈沖、高低溫度報(bào)警值和計(jì)時(shí)時(shí)間等相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓機(jī)的溫度控制。在實(shí)際應(yīng)用中，塑封壓機(jī)加熱開啟2 h后切換通道系統(tǒng)開啟，若某個(gè)通道出現(xiàn)異常（≠175 ℃，溫差>3 ℃），PLC立即開始200 s計(jì)時(shí)，在計(jì)時(shí)期內(nèi)該通道溫度如仍未達(dá)設(shè)定值，該通道將被關(guān)閉，同時(shí)開啟下一個(gè)閑置通道，重新加溫。最終塑封壓機(jī)溫度維持在報(bào)警值3 ℃以內(nèi)，從而保證塑封過程中的恒定高溫。該系統(tǒng)可應(yīng)用于不同封裝形式，圖2為本系統(tǒng)PLC溫度控制原理圖，圖3為實(shí)際塑封壓機(jī)觸摸屏溫度及PID顯示界面圖。

3 半導(dǎo)體塑料封裝壓機(jī)智能定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)設(shè)有光電傳感器、接近傳感器以及螺旋測(cè)試頭，可利用螺旋測(cè)試頭高精度的測(cè)量尺寸來調(diào)節(jié)接近傳感器與工作臺(tái)的配合。上、下工作平臺(tái)之間連接有4根導(dǎo)柱，將電子光纜感應(yīng)尺設(shè)置于導(dǎo)柱的外側(cè)，接近傳感器設(shè)置在導(dǎo)柱內(nèi)側(cè)，螺旋測(cè)試頭位于接近傳感器的底部。當(dāng)下工作臺(tái)上升時(shí)，4個(gè)導(dǎo)柱上的接近傳感器可感應(yīng)下工作臺(tái)是否到達(dá)設(shè)定位置，電子光纜感應(yīng)尺讀取下模到導(dǎo)柱的距離，如未達(dá)設(shè)定值，光電傳感器將輸出電平信號(hào)，經(jīng)電路轉(zhuǎn)換后，一路信號(hào)直接觸發(fā)PLC安全控制點(diǎn)，有效阻止模具的開合；另一路信號(hào)輸出至LED指示燈，提示此時(shí)工作臺(tái)未能到達(dá)設(shè)定位置，圖4為塑封模具定位原理圖。該系統(tǒng)具有智能定位的功能，觸摸屏可實(shí)時(shí)顯示4個(gè)導(dǎo)柱是否在設(shè)定位置，如有報(bào)警，可迅速反映定位異常的傳感器方位，便于及時(shí)處理，可以有效避免模具損壞或者報(bào)廢。圖5為本系統(tǒng)觸摸屏定位顯示界面。

圖2 本系統(tǒng)PLC溫度控制原理圖

圖3 塑封壓機(jī)觸摸屏溫度及PID顯示界面

4 軟PLC系統(tǒng)研究

為了實(shí)現(xiàn)塑封系統(tǒng)控溫定位的智能反饋，需要設(shè)計(jì)一種實(shí)時(shí)監(jiān)控的現(xiàn)場(chǎng)控制系統(tǒng)，可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller，PLC）以微處理器為基礎(chǔ)，采用可編程的存儲(chǔ)器，用于其內(nèi)部存儲(chǔ)程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機(jī)械或生產(chǎn)過程[7?8]；所以在功率器件塑封系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，采用PLC與觸摸屏組成的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控溫和定位功能。

圖4 塑封模具定位原理圖

圖5 觸摸屏定位顯示界面

4.1 控制現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)

本文采用CP1H?XA40DT?D PLC和TPC1062KS觸摸屏組成系統(tǒng)控制現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)閥、電磁閥、電動(dòng)機(jī)、溫度控制器和定位控制器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)。以溫度控制為例，CP1H?XA40DT?D通過模擬量輸入模塊和溫度傳感器采集現(xiàn)場(chǎng)的溫度信號(hào)，信號(hào)通過PLC上的A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)值變換傳送到觸摸屏上，觸摸屏顯示實(shí)時(shí)的溫度值和PID值；且PID參數(shù)可以通過觸摸屏進(jìn)行設(shè)置，觸摸屏給PLC發(fā)送指令，以控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)[9]。控制現(xiàn)場(chǎng)溫控結(jié)構(gòu)如圖6所示。

4.2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)塑封壓機(jī)溫度和模具定位的控制，必須設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路。PLC控制系統(tǒng)的控制電路主要由輸入電路、PLC、輸出電路3個(gè)部分組成。輸入電路主要有按鈕、開關(guān)、模擬量、人機(jī)界面等；輸出電路主要有電磁閥、指示燈、接觸器等。PLC控制系統(tǒng)根據(jù)輸入電路得到的信號(hào)，執(zhí)行PLC程序，從而控制輸出電路的電器元件驅(qū)動(dòng)設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)，最終滿足控制塑封壓機(jī)溫度和模具定位的要求，完成系統(tǒng)控制。以溫度控制為例，通過觸摸屏設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)塑封壓機(jī)溫度（175 ℃），通過PLC程序判斷壓機(jī)溫度是否在容差范圍內(nèi)（3 ℃），若超出容差，則發(fā)出信號(hào)反饋至觸摸屏，同時(shí)調(diào)整加熱通道，令塑封壓機(jī)溫差小于設(shè)定容差。圖7為功率器件塑封系統(tǒng)PLC溫度控制電路圖。

圖6 控制現(xiàn)場(chǎng)溫控結(jié)構(gòu)圖

圖7 塑封系統(tǒng)PLC溫度控制電路圖

4.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

常見的PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方法有圖解法編程（包括梯形圖法、邏輯流程圖法、時(shí)序流程圖法和步進(jìn)順控法）、經(jīng)驗(yàn)法編程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程等[10]。設(shè)計(jì)的自動(dòng)控溫定位塑封系統(tǒng)選用的是梯形圖法，這種最方便的編程方法是一種用梯形圖語(yǔ)言，模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方式。其圖形及元件名稱均與繼電器控制電路十分相近。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于可以把原繼電器控制電路轉(zhuǎn)化成 PLC梯形圖語(yǔ)言。

為了提高系統(tǒng)可靠性，在軟件設(shè)計(jì)上采用了數(shù)字濾波和軟件容錯(cuò)。在采樣周期內(nèi)，用采樣值計(jì)算加權(quán)平均值作為濾波值，濾波現(xiàn)場(chǎng)的模擬量信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量信號(hào)，存入PLC中，根據(jù)濾波值濾去噪聲信號(hào)獲得所需的有用信號(hào)，進(jìn)行系統(tǒng)控制。在程序執(zhí)行過程中，一旦發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)故障或錯(cuò)誤，系統(tǒng)即通過程序判斷造成錯(cuò)誤的原因是主要故障還是次要故障，并分別做出停機(jī)和相應(yīng)子程序處理。系統(tǒng)還可對(duì)重要的開關(guān)量輸入信號(hào)或易形成抖動(dòng)的檢測(cè)或控制回路采用軟件延時(shí)，對(duì)同一信號(hào)多次讀取，結(jié)果一致，才確認(rèn)有效，消除偶發(fā)干擾的影響。

5 結(jié) 語(yǔ)

目前市場(chǎng)中功率器件應(yīng)用極為廣泛，為了適應(yīng)現(xiàn)代便攜式電子產(chǎn)品等應(yīng)用領(lǐng)域不斷小型化的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)代功率器件封裝技術(shù)不斷改進(jìn)，新型封裝形式不斷涌現(xiàn)。為了提高各種封裝形式的可靠性和穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了一種可應(yīng)用于各種封裝形式的功率器件自動(dòng)控溫定位塑封系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵塑封工藝設(shè)備溫度的均勻和穩(wěn)定，提高塑封模具壓合精度，從而提高良品率，降低設(shè)備損耗，具有極其重要的應(yīng)用價(jià)值。基于PLC控制系統(tǒng)的自動(dòng)控溫定位塑封系統(tǒng)的研究和實(shí)現(xiàn)對(duì)提升功率器件封裝的效率有著重要意義。

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