面向電子器件平行封裝的精密微電阻縫焊電源設計

熊明權，張瑞，黃海松，楊凱

(貴州大學，現代制造技術教育部重點實驗室，貴陽 550025)

0 前言

電阻縫焊是指將一對圓盤狀滾輪作為電極，通過滾輪壓緊工件、滾輪轉動驅動工件運動，通過電源施加連續或斷續焊接能量，在壓力和能量作用下形成熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法。電阻縫焊具有操作簡單、設備成本低、易于實現自動化等優點，被廣泛應用于油桶、罐頭罐、暖氣片等密封容器的薄板焊接和電子器件封裝工藝[1-4]。

近年來，隨著電子器件微型化發展，為實現焊縫密封性優異、焊點一致性高和外觀美觀，要求焊接過程中焊接能量、時間和脈沖頻率更加精密可控。目前，縫焊電源多采用多脈沖恒流輸出，能量輸出方式單一，無法實現分流狀態下的能量補償[5-8]。工作頻率是逆變電源的重要指標，工作頻率越高，電源動態響應速度越快、能量和時間控制更精細，電源開關損耗越高[9-11]。目前，電阻縫焊逆變電源工作頻率多為1～5 kHz，電源輸出脈沖放電時間較長（＞ 2 ms），難以滿足1 ms內的高速焊接放電需求。因此，為滿足上述要求，有必要研制一種高頻逆變精密微電阻縫焊電源。

文中基于電子器件平行封裝微電阻焊接機理分析縫焊電源的負載特性，并提出多階段脈沖輸出波形控制方案。基于全橋逆變和全波整流電路設計電源主電路拓撲，采用有限雙極性方法實現功率開關器件的高頻軟開關，降低開關損耗。基于高性能雙MCU控制器設計嵌入式控制系統，具備電壓、電流、功率等多種能量輸出控制模式，并實現焊接過程能量曲線的可視化監控。基于模糊PID控制算法，實現負載變化條件下高速脈沖輸出能量的高一致性。通過電源輸出電特性測試和電子晶振微電阻縫焊工藝試驗，驗證電源輸出的精確可控性與負載適應性。

1 電源負載特性及其波形控制方案

1.1 電源負載特性分析

圖1為電子器件平行縫焊模型與成形機理。電子元器件平行封裝模型與工作示意圖如圖1a所示，在真空或保護氣體環境下，將電子器件（石英晶體、微電子傳感器和光電子等）放入底座后、在底座上方加蓋板，通過對底座和蓋板的接觸部位進行電阻縫焊實現電子器件的氣密性封裝。

圖1 電子器件平行縫焊模型與成形機理

蓋板與金屬外框進行縫焊時，利用2個微型平行圓錐形滾輪作為正負電極，通過電極在蓋板與金屬外框的接觸區域施加微小壓力，并將脈沖焊接電流從正電極通過蓋板和底座到達負電極形成電流回路，在流經蓋板與電極接觸處產生焦耳熱，使蓋板與金屬外框之間局部熔融形成焊點；通過匹配控制滾輪轉速與放電脈沖頻率，使前后焊點疊搭在一起，形成一條魚鱗狀的焊縫，如圖1b所示。

由圖1可知，蓋板和底座縫焊的起始和結束位置位于器件的邊角處，存在重復焊接的現象，此位置對單次焊接脈沖能量要求較低。縫焊前期由于熱量累積較少，并且相鄰焊點的距離較小，分流現象嚴重，需要較大的穩定輸出脈沖能量[12]。焊接過程中滾輪在焊點的停留時間較短，焊點處的散熱條件較差，長時間保持較大脈沖能量輸出易造成嚴重的熱量積累，影響焊點的一致性，甚至出現燒穿、過熱組織等缺陷，后期應適當降低脈沖能量。熔核成形過程中，隨著滾輪離開焊接區域，熔核區域壓力不斷減小，易產生縮孔，盡管前一個焊點的縮孔被后一個焊點的熔化金屬填充，但最后一個焊點的縮孔是難以避免的，縮孔的出現會導致焊縫的密封可靠性降低，通過在收尾部分逐漸降低焊接能量可解決縮孔問題[13-14]。

1.2 電源輸出波形控制方案

通過電源負載特性分析可知，焊接過程中焊點分流、熱積累及焊接位置的差異，各焊點所需焊接脈沖能量不同，為得到一致性好的魚鱗狀焊縫，電源輸出脈沖能量需要階段調整。文中采用圖2所示的電源輸出波形控制方案，該方案將焊接過程分為上升、穩定Ⅰ、下降Ⅰ、穩定Ⅱ、下降Ⅱ5個階段，每個階段的脈沖個數（n1～n5）、脈沖能量（I1～I4）、脈沖放電時間（th）和脈沖間隔時間（tc）都可進行精密調節。

圖2 電源輸出波形控制示意圖

圖2所示波形控制方案中，上升階段對應縫焊起始階段，針對重復焊接的問題，為避免過熔，起始焊接脈沖能量（I1）較低；縫焊前期，為減小分流現象的影響，脈沖能量逐漸增加至較大的脈沖能量值（I2），后保持穩定（穩定階段Ⅰ），此時焊接區域熱量積累較少，進入熱平衡階段，持續穩定的脈沖能量輸出可保證較優的熔核一致性；為解決持續較大能量輸出導致的熱積累嚴重問題，逐漸降低脈沖能量至I3，恢復至熱平衡，減小熱積累對焊縫的影響；達到熱平衡后，繼續保持穩定的脈沖電流進行焊接（穩定階段Ⅱ），保證熔核質量；下降階段Ⅱ對應縫焊結束階段，與縫焊起始階段相似，通過逐漸降低電流，避免收尾處過熔，同時解決最后一個焊點出現縮孔的問題。

2 電源系統設計

2.1 電源整體方案設計

為實現對焊接過程脈沖能量、脈沖時間、脈沖放電頻率等參數的精確控制，電源采用的設計技術指標見表1。

表1 電源設計技術指標

基于表1的技術指標，論文設計的電源總體系統方案如圖3所示。包括主電路和控制系統兩部分，其中主電路包括單相整流電路、濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、全波輸出整流電路；控制系統包含硬件電路和軟件設計，硬件電路主要包含最小控制系統、供電電路、反饋信號采樣電路、IGBT驅動電路、人機交互系統、通信電路、異常保護電路、輸入輸出電路等。其中，人機交互系統采用8英寸彩色觸摸屏實現工藝參數顯示、修改和存儲，可實現焊接電流、電壓、功率和電阻曲線的實時顯示。

圖3 電源總體系統框架

2.2 主電路設計

電源的主電路拓撲如圖4所示，單相220 V電壓輸入后經整流濾波輸入IGBT全橋逆變電路轉換為10 kHz方波電壓，后經變壓器T降壓后進行全波整流，輸出脈沖直流電壓用于焊接。為降低高頻開關損耗和抑制高頻變壓器占空比丟失，全橋逆變電路采用有限雙極性控制策略，具體電路工作模態分析見文獻[15-17]。為抑制變壓器偏磁現象，變壓器初級串聯電容隔離直流分量。

圖4 主電路拓撲結構

2.3 控制系統軟件設計

為實現對電源輸出能量、脈沖頻率的精準控制，電源采用基于雙MCU架構的STM32H745芯片作為控制核心，M4內核用于工藝參數儲存、過程數據采集、處理、存儲與通信，M7內核用于電源的反饋控制、故障診斷與保護。系統軟件采用模塊化設計，以滿足不同焊接工藝要求，系統軟件總體框圖如圖5所示，通過主程序對各功能模塊的調用，實現了焊接工藝時序、信號采樣及處理、多模式控制、外部通信、故障診斷等功能的協調工作。

圖5 系統軟件總體框圖

2.4 脈沖能量反饋控制算法

電阻焊過程是典型的時變非線性系統，電源負載變化較大，系統輸出存在較大的偏差，若使用常規的PID控制，會造成積分積累，出現較大超調量，且調整時間較長，無法滿足焊接電源快速、穩定、精準的輸出要求。

模糊自適應PID能根據實際的焊接情況，運用模糊推理，實現不同負載特性下的PID參數自整定，減小超調量，縮短調整時間，可較大地提升控制系統的負載適應性。

電源采用的控制算法框圖如圖6所示，當輸入誤差變化量e(t)和誤差變化率ec(t)后，經過模糊推理得出被控對象的模糊值，使用加權平均法進行解模糊，得出精確輸出值。最后將模糊控制器輸出的ΔKp，ΔKi，ΔKd與初始PID參數相加，得出調整后的控制參數Kp，Ki，Kd實現PID參數的自整定。

圖6 控制算法框圖

3 試驗結果與分析

3.1 試驗平臺與試驗方法

為驗證電源的輸出控制精度、穩定性及控制算法的可靠性，基于大功率模擬負載（500 μΩ，5 000 W），高分辨率示波器（DSO-X 2002 A）、數據處理軟件（Origin）等搭建測試平臺，采集不同控制模式及工藝參數的負載電流、電壓數據，利用Origin軟件對不同控制模式下單脈沖及遞增脈沖輸出時的輸出特性進行分析。

3.2 電源輸出特性分析

3.2.1 不同控制模式下單脈沖電特性分析

不同控制模式下電源輸出脈沖電特性曲線如圖7所示。恒流控制模式下（圖7a），隨著輸出電流快速達到設定值，電壓和功率先升高再緩降達到穩定，由Q=I2Rt可知開始時負載電阻溫度升高，電阻變大，因此輸出電壓會在輸出電流達到穩定后繼續上升；恒壓控制模式下（圖7b），電流和功率曲線在上升的過程中沒有過沖現象，但上升過程比較緩慢，這是由于輸出負載的擾動需要轉換為輸出電壓的擾動才能對電壓信號進行采樣反饋來進行控制，導致系統響應速度較慢；恒功率控制模式（圖7c），通過對電壓和電流的反饋，實現功率的穩定輸出。同時可以看出這3種控制模式下輸出能量在1 ms內調控到設定值，目前有關縫焊電源的輸出調控時間為2 ms[14]，相比之下，所研制的電源在輸出調控時間上有一定的提升，并且無振蕩現象，輸出穩定，易于實現精確控制。焊接能量由焊接電流決定，但對于不平整的焊接面，恒流模式易產生飛濺，因此恒流模式適用于焊接面平整、接觸電阻小及焊接時間短的焊件。由Q=U2/Rt可知，恒壓模式可以解決長時間焊接導致的熱積累問題，同時可以解決非平整面使電流密度大導致的飛濺問題，適用于焊接時間長、熱積累明顯的焊接中。恒功率模式輸出穩定，適用于長時間、電極及焊件熱量對焊接區影響較大的場合中。因此，焊接電源實現了在不同控制模式下的短時間脈沖能量精確控制，適用于微小零部件的精密焊接。

圖7 不同控制模式下電源輸出脈沖電特性曲線

3.2.2 電流遞增輸出模式脈沖電流峰值控制

圖8為電流遞增輸出模式下的脈沖電流輸出曲線，以分析電源在連續脈沖輸出時的穩定性及驗證模糊自適應PID控制算法的控制效果。

圖8 電流遞增輸出模式下脈沖電流峰值效果對比

圖8a為模糊自適應PID控制下的電流遞增輸出波形，從100 A開始，以100 A為步長，逐漸遞增至2 800 A，可以看出電流輸出穩定，過沖現象不明顯；圖8b為傳統PID控制下的輸出波形，輸出電流同樣能達到輸出設定值，但隨著輸出電流的逐漸遞增，出現不同程度的過沖現象。

圖8c為模糊PID與傳統PID的輸出脈沖電流曲線對比，脈沖電流值分別為500 A，1 000 A，1 500 A，初始PID參數以500 A輸出電流進行整定，隨著輸出電流的逐漸增大，傳統PID控制出現過沖現象，對峰值電流的抑制效果較差，而模糊自適應PID控制無明顯過沖現象，較好地抑制了峰值電流，這是由于傳統PID無法隨負載特性的變化對PID參數進行自整定，導致積分積累，使系統超調加大，出現振蕩，而模糊自適應PID控制以誤差及誤差變化率作為輸入，能快速的響應輸出變化，對PID參數進行模糊推理，動態地適應負載特性變化，有效地抑制過沖現象及振蕩。

圖8d為模糊PID與傳統PID控制算法的峰值電流與設定電流的差值曲線，傳統PID的峰值電流差值隨著輸出的逐漸增加而增大，而模糊自適應PID的峰值電流差值比較穩定，對峰值電流的控制效果較好。因此，模糊自適應PID有效的抑制了多階段輸出時的峰值電流，無明顯過沖，使得在連續多階段輸出時輸出能量穩定、精準。

3.3 石英晶體電子封裝工藝應用

采用表2中的焊接工藝參數對尺寸為9mm×9mm的晶振進行平行縫焊試驗，以檢驗電源的穩定性及負載適應性，電源輸出采用恒流脈沖控制模式。

表2 石英晶體電子封裝工藝參數

圖9為石英晶體實際焊接時的電特性曲線，圖9a為實際焊接脈沖電流進行有效值處理后進行擬合得到的曲線，圖9b為實際脈沖電流有效值與設定值的偏差曲線，可以看出在連續輸出下，輸出波形沒有出現異常波動，有效值偏差率保持在±0.5%以內，穩定性好。

圖9 石英晶體電子封裝過程電特性曲線

石英晶體電子封裝效果如圖10所示，圖10a為石英晶振樣品，圖10b和圖10c為焊接試樣的焊縫效果圖，可以看出，焊縫表面光滑，成形均勻，魚鱗紋清晰，相鄰焊縫間距達微米級，保證了焊縫的致密性，且沒有明顯的焊接缺陷。在實際焊接中，可根據實際的焊接需求對工藝參數進行調整，以得到優質的焊縫。

圖10 石英晶體電子封裝效果圖

4 結論

（1）研制了一種多輸出模式的精密微電阻縫焊電源，其最大輸出電流3 000 A，逆變頻率10 kHz，能在1 ms內實現穩定輸出，控制響應速度快、負載適應性強。

（2）采用模糊自適應PID控制算法，有效地解決了傳統PID控制在多階段焊接過程中由于積分積累出現過沖的問題，提高了控制系統的穩定性。

（3）對石英晶體進行縫焊試驗，輸出電流有效值偏差率在±0.5%以內，相鄰熔核堆疊距離達到24 μm精度，獲得了較優質的魚鱗紋焊縫。