（检测技术与自动化装置专业论文）超声波铝线焊线机焊压系统的设计与研究.pdf

超声波铝线焊线机焊压系统的设计与研究 摘要 本论文主要讨论了一个智能化、系统化、小型化和多功能化的焊压测控系 统的研发，使其具备了高精度、多参数设置、高灵敏度、用户界面友好等功能， 完成i c 封装设备超声波铝线焊线机焊接过程的控制。 文章针对了超声焊压过程的原理和过程参数的信号特点，设计了智能化焊 压测控系统系统处理、控制核心采用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片，采用硬件与软件 相结合的方法实现了模拟信号的放大、滤波、模数转换和数字信号处理。并采 用了串口r s 一2 3 2 通讯，有效地解决了上位机与下位机之关系，使系统具有功耗 低、性能好、可靠性高等特点。 系统软件设计上采用了w i n d o w s 环境下的v i s u a lc + + 语言，并用模块化设计 思想将数据采集、存储、显示等功能作为子程序模块被主程序调用，运用指令 兄余、软件陷阱等技术，提高系统软件的可靠性和抗干扰能力。 同时也就如何将先进的控制算法应用到实际工作作出了尝试，并将非线性控 制系统的模糊控制算法应用于实际之中，进行了试验验证，取得了较好的效果。 关键词：测控技术超声波焊接串行通信抗干扰 d e s i g na n d r e s e a r c ho fu l t r a s o n i cw i r e - b o n d i n g p r o c e s sc o n t r o l s y s t e m i na iw i r e b o n d i n g m a c h i n e a b s t r a c t t h i sp a p e rl a y se m p h a s i su po nt h er & do ft h ec o m p u t e rm e a s u r ea n dc o n t r o l s y s t e mw h i c h i s s m a r t ，s y s t e m a t i c a l ，s m a l l s i z ea n dm u l t i f u n c t i o n a l t h i s i n s t r u m e n th a ss u c ha d v a n t a g e s a sh i g hp r e c i s i o n ，h i g hs e n s i t i o n v i t y ， m u l t i p a r a m e t e rs e t t i n ga n df r i e n d l yi n t e r f a c e p e r f o r mu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n g p r o c e s sc o n t r o li nu l t r a s o n i cw i r eb o n d e r t h i sp a p e rs t u d y st h ep r i n c i p l eo fu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n ga n d i m p o r t a n t p r o c e s sp a r a m e t e rs i g n a l sc h a r a c t e r i s t i c s ，a n dd e s c r i b e sas m a r tw i r e - b o n d i n g m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e md e s i g nb a s eo nt h e m t h ec p uu s e di nt h i ss y s t e mi s t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a ，t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ei n t e g r a t e dt of u l f i l lt h e f o l l o w i n gf u n c t i o n ：a m p l i f i n gs i g n a l ，f i l t e r i n gw a v e s ，c o n v e r t i n ga n a l o gs i g n a lt o d i g i t a ls i g n a l c o m m u n i c a t i o nw i t hr s - 2 3 2l i n k su p t h em a s t e rc p ua n dt h es a v e c p u t h e s em a k et h es y s t e ml o w e r p o w e rc o n s u m p t i o na n dh i g h e rr e l i a b i l i t y t h e a p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sb a s eo nv i s u a lc + + u n d e r t h ew i n d o w s d a t a a c q u i s i t i o n ，d a t as t o r a g e ，r e s u l td i s p l a ya r ep r o g r a m m e d i ns u b p r o c e d u r ea n d a l l o c a t e db ym a i n p r o c e d u r e i n s t r u c t s u p e r f l u o n sa n ds o f t w a r et r a pe n h a n c e t h er e l i a b l i t ya n da b i l i t yo f r e s i s t i n g - - d i s t u r bo f t h es y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h i sp a p e rt r i e st os o l v et h ep r o b l e mh o wt ou s et h ea d v a n c e d a r i t h m e t i ci n t op r a c t i c e a n di tu s e st h ea r i t h m e t i co ff u z z yc o n t r o li n t op r a c t i c ea n d h a v et e s t s t h er e s u l ti ss a r i s f y i n g k e y w o r d s ：m e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e mu l t r a s o n i cw i r eb o n d i n g s e r i a lc o m m u n i c a t i o n r e s i s t i n g - - d i s t u r b 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 揣乡巾励戈多农援， 委员： 睁牵惠刽烬欲赦悛 肖事嘎 剔矾f 7 仔薄锌 1 u 合担天 铷赶 易阮，古 脓 焘鬈 锻 压堰 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金g b 王些盍堂或其他教育机构的学位或证书而经用过的材 料。与我一同1 二作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意。 学位论文作者签字：置耍，签字日期：眵年孑月，二日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒自b 王、业塞芏有关保留、使用学位论文的规定。有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权盒 g g 王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：孩盛， 签字日期：莎年寻月占日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编； 铸澎鳓 致谢 本文是在我的导师陈荣保副教授的悉心指导下完成的。感谢柴老 师在论文和课题的各个环节都给与我很多的指导和帮助，使得我的论 文得以顺利完成。论文的选题、研究工作的深入以及论文的撰写和修 改都凝聚了恩师的心血。陈老师渊博的学识、严谨的作风、敏捷的思 维、谦虚的态度，尤其是理论联系实际、学以致用的精神，将使我终 生难忘。陈老师对我学习和工作的悉心教诲和严格要求，不但使我在 学业上取得了很大的进步，而且明确了我今后的努力和发展方向。在 此，对陈老师表示我衷心的敬意和感谢。 论文研究的过程中，经常得到了姜宏波教授工作上的指导和生活 上的帮助，在课题研究困难的时候给予帮助，使我在工作中增强了信 心。在这里我要对姜老师说一句谢谢。 感谢深圳翠涛电子科技有限公司的领导和职员在课题研究和生活 上给予的指导和帮助，致使论文能够顺利完成。 感谢谢震师兄在我的课题研究和论文完成的过程中给予的无私帮 助和悉心指导。 感谢我的学友钱自拓、赵锐、袁潜、张建、李栋梁等同学对我的 关心和帮助。 感谢我的女友马友花一直以来在学业和生活上给予的支持和帮 助。 感谢文中引用过文献的所有作者们，感谢所有关心、支持和帮助 过我的老师、同学和朋友们!。 在我的求学生涯中，我的父母和家人付出了无数的辛勤和汗水， 他们给予我的鼓励和关怀，他们为我所做的一切，都无法用语言来表 达。 吴杰 2 0 0 5 年3 月于工大 第一章绪论 1 1 课题研究的背景与意义 在全球工业领域中，电子工业的增长最快，平均每年综合增长率为6 ， 目前其年生产值已超过了l 万亿美元，一年大约6 的年度价格降幅，使每年 销售净率达到1 2 左右，这比世界平均国民生产总值2 的年增长率高六倍。 中国是集成电路产品的消费大国，占到世界总产量的1 5 ；但中国又是集成电 路的生产小国，在产量t 占3 ，销售额上只占0 7 6 ，存在着巨大的供求矛 盾，国外市场十分看好中国的集成电路行业，未来三到五年内将是中国集成电 路发展的黄金时期；中国集成电路的消费将在未来五年内保持1 5 的增长速 度，生产将达到年3 0 左右的增长速度。中国半导体产业越来越受到国家的重 视，中国政府制定并实施了“九五”、“十五”计划以及“9 0 8 ”、“9 0 9 ”1 c 重 大f ：程，先后建立了多条集成电路生产线。 集成电路的生产制造包括i c 设计、i c 前工序制造、i c 后工序封装三大工 序。i c 的设计、制造公司主要分布在美国、中国台湾及日本等地区。近年来 半导体封装工业已经开始在中国蓬勃兴起和发展，将对中国工业技术的提高又 很大的推动作用。它的经济价值也是相当可观的，随着竞争的不断加剧，使得 价格不断下降，成本不断压缩，原先使用的s m t 封装形式使得成本居高不下， 所以越来越多厂家转向邦定( b o n d i n g ) 的形式。因为采用邦定的形式，不但可以 使成本大大地降低，还可以实现小批量生产，非常适合低端电子产品更新周期 短的特点。邦定封装的设备主要有焊线机和封胶机。 上个世纪八十年代后期，焊线机的生产研发主要分布在美国、日本及香港 及话欧等发达国家地区，且价格都非常高，我国完全依赖进口设备，大大制约 了我国半导体制造业的发展。为了填补国内空白，改变落后的状态，现在一些 国内半导体设备制造商通过自行研发，成功研制生产了半自动超声波铝线焊线 机，精度与国外机型相当，而价格大大低于国外同类机型，取得了良好的销售 成绩。但由于近几年新型电子产品的高性能化、小型化、并且产量急剧上升， 现有的设备已不能完全满足客户产品的要求，必须对原有的设备进行技术改造， 使其成为能够进行更细间距、更高精度、更高速度的电子封装。要想加快加工 的速度，保证加工产品的质量，提高设备的整体性能，必须了解焊线机芯片打 线过程的原理机制，针对焊线机焊压部分的机械结构和信号特点，及时准确地 控制其过程，保证加工产品的质量和产量。具有很强的社会实践意义；由于其 精密的机械构造、复杂的控制过程及信号微小的特点，与许多微机械系统等其 它的很多机电一体化设备有一定的类似性，具有一定的代表性，具有很强研究 价值和应用意义。 1 2 课题背景知识 l 、铝线超声波焊接( w ir e b o n d i n g ) 技术 超声波焊接技术，又称为芯片打线技术。是一种初级内部互连方法，是连 到实际的裸片表面或器件逻辑电路的最初一级的内部互连方式，这种连接方式 把逻辑讯号或晶片的电讯号与外界连起来。包括铝线焊接与金线焊接，本文仅 研究铝线焊接。超声焊过程是一种不同于热焊的固态焊接过程，是在压力和超 声波能量的共同作用下将芯片内部电路用细铝线与封装管脚连接，金属电子共 享或原子相互扩散，形成焊点。在整个焊接过程中，焊接压力促使焊线与工件 变形，超声波能量打破铝氧化层，消除表面粗糙度，产生的热能加速原子相互 扩散，使连接处形成焊点。它用于晶片到基板、基板到基板或者基板到封装管 脚的连接。 2 超声波铝线焊线机( a 1w i r eg o n d i n gm a c h i n e ) 超声波铝线焊线机，又称超声波铝线邦定机，是一款在压力和超声波能量共 同作用下用细小的铝线连接芯片电极与p c 8 板相应的焊盘，从而实现芯片与线 路板电极之间的电气与机械上连接的高科技机电一体化设备。就它的控制系统 而言包括焊压控制系统、运动控制系统及图像采集系统，如图1 1 所示。 图1 1 超声波铝线焊线机控制结构框图 焊压控制系统主要负责准确采集过程参数量如压力、功率等信号，经过计 算机的数据处理，控制焊压过程的稳定性，保证焊接质量；运动控制模块主要 负责接收电机轴上的传感器信号，进而控制电机达到协调各轴运动，使焊接自 动完成；图像采集模块主要负责完成焊点自动对位，存储图像及模式识别。由 于要满足焊接工艺的复杂性，焊接对象的特殊性要求，必须保证整个焊线过程 高速准确的运行。 1 3 计算机测控技术的研究与发展 测控技术是基于计算机的测量与控制的技术，包括测量采集、控制、计算 机管理与操作及测控软件。随着微电子技术和计算机技术的发展，测控技术这 些年来在微电子技术和计算机技术的发展，测控技术进来在技术上有了非常大 的发展和进步，这些发展和进步主要表现在两个方面：一方面是数据采集和控 制部件技术的进步，另一方面是测控系统技术的进步。 从部件技术上，由于微电子技术的迅速发展，各种集成电路的集成度越来 越高，性能越来越好。以前测控系统中各主要部件如信号调理器、多种模拟开 关、a d 转换器，d a 转换器等，在很多时候由分立元件或者小规模集成电路组 成，集成度不高，可靠性较差。现在，数据采集系统中某一部分的功能都可以 在一片集成电路中完成，其可靠性和性能大大提高。以进行a d 转换的a d 芯 片为例，目前的m d 芯片在分辨率上最高可以达到2 0 2 4 b i t s ；在转换速度上， 8 位和1 2 位的a d c 的转换速度可以达到每秒上百兆，速度的提高极大的拓展了 数据采集和控制技术的应用范围，可以对更高频的数字信号进行计算机处理。 不仅如此，目前电路集成度越来越高，出现了多个部件集成于一个芯片的集成 电路的产品，甚至出现了将传感器信号调理、模拟开关、采样保持器、a d 集 成在一个模块中的产品，甚至集成了c p u ，以进行测量信号的预处理。这种产 品的测量输出就已经是数字信号，即智能化数字传感器，输出的数字信号可以 通过网络线，或者串行、并行总线方便地送入计算机。 数据采集和控制部件技术的发展，尤其是计算机技术的飞速发展也促进了 测控系统技术的发展。在系统技术发展过程中，出现了许多新的测试方法和概 念，测控技术与计算机同步发展，计算机与测控技术相结合，使测控器进入了 智能化时代，使得高精度测量、实时测量和智能控制成为现实，已在工业实际 中产生巨大的经济效益。但由于测量领域不断扩大，参数范围不断延伸，很多 情况下被检测的信息属于微弱信号，如生物医学、精密仪器仪表、微机械、航 天航空、军事等领域，往往与其它背景物理量掺杂在一起，淹没在各类的复杂 信号中，同时工业过程机理复杂，往往具有非线性、分布参数、大系统等特点， 会给模型的建立和控制算法的实现带来一定的困难。如何设计一个高性能地测 量控制系统有效地提取、检测这类微弱信号，结合先进控制策略使工业过程得 到及时、有效地控制是非常值得研究的。 1 4 课题的研究内容 本课题来源于2 0 0 2 年深圳市产学研联合开发重点项目“半导体后工序封装 设备( 统一编号2 0 0 2 1 8 0 ) ”的子项目“超声波铝线焊线机焊压系统的开发与研 究”，针对于超声波铝线焊压技术的特点，设计了一个小体积、低功耗、具有丰 富外设的超声波铝线焊接压力反馈控制系统。研究内容包括以下几个方面： 1 、根据超声波铝线焊接信号特点，完成了以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心的超声 铝线焊压控制系统的硬件设计。其中包括： ( 1 ) 中心控制器i ) s p 最小系统模块设计； ( 2 ) 构建了可采集微弱压力信号的输入通道模块； ( 3 ) 完成了人机接口电路设计及上位机与下位机通信接口模块开发等。 2 、针对现场干扰源较多的情况，采用了一系列硬件、软件抗干扰技术，减 少干扰对焊压测控系统的影响。 3 、编写简洁、方便的友好界面。 4 、完成上位机与下位机的串行通信及下位机系统等中断子程序软件设计。 5 、了解邦定机芯片打线过程的原理机制，针对邦定机焊压部分的机械结构 和信号特点，对整个控制过程进行先进控制策略的研究验证。 第二章超声波铝线焊压控制系统组成结构及信号特性分析 2 1 超声焊机焊压部分的主要结构 如图2 1 所示，超声波焊机的焊压部分主要包括超声波信号源( 未表明) ， 抉能器及振动结构。换能器中的压电晶体有两个电极，超声波信号源驱动电压 v d 通到大的一块电极上，驱动压电晶体作超声振动。这个振动经变幅杆传递和 放大送到焊针上，并将纵波变成了焊针上的横波，焊针的下端为压刀，这里是 驻波的波腹。压刀将焊丝压在座上，由于超声的作用就完成了焊接。 图2 1 超声焊机的主要部件结构示意图 ( 1 ) 压电晶体( 2 ) 安装环( 3 ) 变幅杆( 4 ) 压刀 ( 5 ) 焊线( 6 ) 底序( 7 ) 下界面( 8 ) 上界面 2 2 超声波铝线焊压动作过程 超声波焊压是在常温下利用超声机械振动带动金属丝与膜进行摩擦，使氧 化膜破碎，纯净的金属表面相互接触，通过摩擦产生的热量使金属之间发生扩 散，实现连接。可以适合细丝、粗丝以及金属扁带，不必外部加热。对器件无 热影响，可以实现在玻璃、陶瓷上的连接，适用于微小区域的连接。焊接的整 个过程如图2 2 所示，通常分为以下几个步骤。 1 ) 铝线穿过配有超声波换能器的焊针的小孔，当线夹关闭时，线稍稍突出 焊针顶端，此时焊针位于第一焊点正上端( 图2 2 ( a ) ) ； 2 ) 焊针随着邦头( 焊接工具上部统称邦头) 向下运动，以事先软件设定的焊 接压力( 通常为2 5 0 m n ) 挤压至焊接表面，以预设的焊压时间( 通常5 0 m s ) 焊压，同时施放超声波能量，形成第一焊点( 图2 2 ( b ) ) ； 3 ) 线夹打开，当铝线从线圈( 未标出) 送出时，焊针以预设的线弧高度提 起( 图2 2 ( c ) ) ； 4 ) 邦头移动到第二焊点( 图2 2 ( d ) ) ； 5 ) 线夹关闭，焊针再次将铝线焊压到焊接表面，形成线弧( 从第三步到此 时间隔通常1 0 0 m s ) ，施加超声波能量，完成第二焊点( 图2 2 ( e ) ) ； 6 ) 扯线过程：线夹闭合，沿4 5 度角向上拉扯，使铝线脱离第二焊点 ( 图2 2 ( f ) ) ； 7 ) 送线过程：焊针提起，送线装置使铝线稍稍突出焊针顶端，使邦定机可 以进行下一根线的焊接( 图2 2 ( g ) ) 。 篓嚣舟点 。孟磊喜愚。， 舟接工且 向上挺起 彤睦缝 超声渡概动 图2 2 超声波铝线焊压过程 2 3 超声波铝线邦定技术的原理机制 为了控制和提高超声焊接的焊点质量，我们着手研究了它们的机制，建立 了超声焊接模型，从而初步弄清了焊接过程的变化规律。自从1 9 5 7 年b e l l 实 验室公布了第一项关于超声波铝线焊接技术的成果，超声波铝线焊接技术得到 了飞速的发展及广泛的应用，很多科学家对此做了大量的研究工作，特别 h a r m a n g g ，h o r s t i n g c w 等人于7 0 年代曾详细研究过超声焊技术，取得了 一定的进展，他们的认识可以归纳为如下内容： 6 ( 1 ) 焊接中的发热对焊点的形成不起重要作用。他们测量了焊点温升为8 0 2 0 0 。c ，并用液氮( 一1 9 5 ) 中成功的超声焊接证实了上述论点。 ( 2 ) 超声使金属软化的效率极高。金属吸收超声波能量可以形成大量的自由 位错，从而使金属软化。以a 1 为例，产生同样的软化所需要的超声能量 仅为热能的1 0 倍。 ( ： ) 线的变形是焊接( 键台) 过程中的关键因素。在压力作用下超声波能量 使金属线软化和变形。变形使丝表面积增大。因而挣破界面的氧化层形 成新生清洁表面，并使线的清洁表面与底座金属的新生清洁表面间产生 原子缴接触。这种清洁接触面的扩大和面间原子阃的相互扩散就形成了 焊区，由于焊区一周的变形量最大，这里最先形成微焊点，这些微焊点 增多就连成线和面。这样，就形成了通常见到的围绕在焊区周围的一条 椭圆形焊带，这条焊带才是焊区中真正发生焊接的区域。焊区中部通常 都没有发生真正的连接，这是由于线的形变未能使这一区域的线表面积 有明显的增加，也有可能是氧化层残留物的原因。 ( 4 ) 超声焊接中有两个界面。“压刀一线”界面即上界面和“线一底座”界面 即下界面。试验证实，超声焊时下界面没有相对位移。只有上界面存在 压刀和线之间的相对运动。 ( 5 ) 内引线一端已焊好再作第二端焊接时，焊线上获得的超声振动常会伤害 第一焊点，造成跟部强度下降，严重时会造成断裂。 但此后对焊接机制的认识进展不大，目前仍没有完全符合焊接机制的固定 模式，所以把超声波焊接技术看为一门技术而并非一门科学。从现象学的角度 看，把这种焊接机理分为以下三个阶段，其中第二神又可以进一步划分三种情 况( 如图2 3 ) ，这种模式得到广泛的认同。 1 探索性下降与预变形阶段 焊针底部的压刀把焊线压到焊接表面，压刀在铝线接触焊接表面时使铝线 在某种程度上压碎或预变形，由于表面氧化层的存在铝线和焊接表面不会粘合。 这种变形对焊接质量的好坏起关键作用，如果变形过大或过小，铝线和焊盘的 金属结构分布将大大改变从而影响焊接的质量。 2 超声波作用( u l t r a s o u n do n ) 阶段 ( 1 ) 清除阶段( c l e a n i n gp h a s e ) 超声波换能器施加超声波能量，使压刀及铝线逐渐在焊点附近移动产生平 行于焊接表面的振荡摩擦力。表面摩擦产生热量，使铝线软化，在静态焊压力 作用下吸收并传递超声波能量，打破氧化层进入到铝线和焊盘的金属层内，为 固态焊接做准备； ( 2 ) 焊接阶段( b o n d i n gp h a s e ) 随着温度的逐渐升高，焊接表面的外围形成了大量的微焊接大大影响了表 面摩擦运动，周期性的超声波摩擦力产生了一个向下力的分量使铝线产生塑性 变形，在焊接压力的作用下增大接触表面，形成焊点。此过程表面温度继续升 高，焊接强度不断增大； ( 3 ) 回火阶段( t e m p e r i n g p h a s e ) 在此状态下( 通常温度7 0 8 0 。c ) 铝线没有明显的表形，超声波能量防止 焊点变脆，稳固焊点的形成。 3 焊接过度( o v e r b o n d i n g ) 阶段 如果超声波能量施加时问过长或焊接压力过大会产生疲劳断裂例如焊点破 碎( s m a s h b o n d ) 。 锚线变形度 探索性下 j 鏖与预变 发起声波 捍接 彤 ：过度 ：襞釜 靖脒 盘篓! j 一 一一 状态 一 捧- t蝗格7 整个系统的工作原理如图2 4 所示： 图24 焊压控制系统工作原理图 在整个系统中，d s p 主要完成对象参数的检测、对执行机构的控制、以及 现场操作台的实时显示、键盘参数输入的功能，上位机完成测控参数分析、算 法实现及远程监控，d s p 与工控机可分别采用r s 一2 3 2 总线标准进行串行通信。 2 5 焊压过程中控制参数对焊点质量造成的影响 在系统设计过程中，我们从实际应用出发，对受控对象的焊接压力，焊压 时间及施加超声波功率三个参数对焊点好坏造成的影响进行了考察，并根据这 些特性来完成该控制系统的软硬件设计。 判断一个焊点好坏一般通过测量焊点大小和测试焊接强度来判断。因此在 这里通过三个参数和焊接强度的关系来说明三个参数对焊点好坏的影响。如图 2 5 所示，该曲线分别是在两个参数恒定，而另一个变化获得的焊点焊接强度与 超声波功率、焊压时间和焊接压力的关系曲线，同时也代表了焊点焊接强度与 焊线变形宽度的关系。随着三个参数值的增大，焊压强度增大，焊盘越不容易 脱落，但同时由于焊线变形，焊线与焊盘的连接越脆弱，焊接失败的形式从焊 盘脱落转变为焊线断裂模式，最大焊接强度处于两种失败模式重叠区域，在焊 盘脱落区域和焊线变形宽度为正常两倍的焊线断裂区域时焊接合格率最小，焊 接合格率最大区域并不是在最大焊接强度时，而是在焊线断裂区域，并随着焊 接强度的增大，焊接合格率增大。我们的任务也就是控制这些参数，使焊接质 量达到最佳状况。 占 鼻 鼻缝 点t 螺太 拉拉 蛋伸 度量 废 茸 身 七 苎辜；鐾望i 毳之# 它衍 十参薮璺恒定) 图2 5 焊点挑拉强度与三个参数或焊线变形度的关系 这三个重要参数可以通过通过调节焊压螺线管电流调节电磁力的大小进而 控制焊接压力、调节超声波信号源的功率和频率来完成。对于焊压过程自动控 制系统的要求是：在焊线尺寸、封装尺寸及焊针型号等外部条件一定时，应使三 个参数各自保持不变，及时地补偿系统的内部扰动。这些内部扰动包括超声波 换能器与压刀的阻抗引起超声功率的变化，以及由于电压波动引起的压力，功 率的变化等。在外部条件变化的外扰作用时，则应使参数量成比例地改变，既 要适应外部条件变化要求，又要使三个被调量：焊接压力、超声波功率及焊压时 间保持在允许范围内。 2 6 焊压过程自动控制的难点 由于焊压控制系统是一个复杂的多变量控制系统，各个变量之间互相耦合， 所以实现自动控制有一定的难度。邦定机实现焊压控制时存在如下难以克服的 问题： ( 1 ) 系统存在严重耦合。例如：焊接压力的变化对其它两个回路都产生影响。 正如前面超声波焊压原理机制讲到的，焊接压力的扰动极大地影响了超 声波能量的吸收及传递，而超声波能量的改变又势必将导致焊压变形度 的改变，要得到有足够焊压强度的焊点，必须改变焊压时间； ( 2 ) 由于晶片尺寸、几何形状及表面氧化状况的变化给系统带来了不确定性， 焊点间距、焊线尺寸的不断交化也构成系统的不确定性： 1 0 ( 3 ) 由传感器的采集到执行器的控制，回路存在时滞。该种时滞包括测量滞 后、过程延迟和传输时滞。且从控制角度分析更为困难的是，该种时滞 的大小还随晶片尺寸及材料的变化而变化； ( 4 ) 被控对象往往具有非线性特性，严格地说，所有被控对象的动态特性都 呈现非线性特性，只是程度不同而已。该系统中的非线性凶素主要存在 于两个部分。一部分是用以实现检测和控制的设备仪表和执行机构中的 非线性。如力应变片的大应变状态下，电机的负载特性等。它们属于典 型非线性特性。另一部分存在于对象本身，由超声波焊压技术的过程本 身决定的，在实验过程中，此类非线性在系统的非线性特性中占有决定 作用，因此在分析中着重加以分析。 2 7 小结 本章分析了超声波焊压的原理机制及焊压的动作过程，发现邦定机的焊压 控制系统是一个非线性的复杂控制对象，影响它的因素很多且各个因素之间存 在耦合诸因素中焊接压力、超声波功率及焊压时间的变化对焊压质量的影响最 大并定性地研究了它们之间以及它们与焊压质量好坏之间的相互影响关系，由 此结论可通过调节这三个过程参数来控制焊压质量，从而解决了由于各种扰动 而引起的焊压质量性能发生变化的问题。此章结尾强调了焊压过程自动控制的 难点，为后面智能控制策略的提出做了铺垫。 第三章控制系统硬件设计 本章主要介绍控制系统的硬件设计。控制系统硬件部分主要由工控机和焊 压系统控制器组成。工控机选择研祥i p c 8 l o 工控机，性能稳定，可满足要求， 控制器为一个智能测控仪器，由t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s p 控制器及外围电路组成。 工控机和d s p 控制器通过r s 2 3 2 一c 完成串口通信。硬件设计时，为了便于调试， 采用模块化设计，主要包括中心控制器模块、输入通道模块、输出通道模块、 人机接口模块、通信模块、电源电路模块和报警指示模块等七个部分。如图3 1 所示。 r 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j i 一 图3 1 控制系统硬件方框图 其中： 1 、中心控制模块上图中虚线框图内的部分，由1 6 位低功耗d s p t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 及两片存储器c y 7 c 1 0 2 1 b v 3 3 组成。输入通道模块实现对过 程参数模拟量及数字量的采集。 2 、输出通道模块由焊接压力控制电路和超声波信号源电路组成。 3 、人机交互模块l c d 显示电路、球控器接口电路组成。 4 、通信模块d s p 与工控机进行串行通信传输数据。 5 、电源电路模块向系统提供3 3 v 、5 v 、1 2 v 、1 5 v 、+ 2 4 v 等电源。 6 、报警指示模块在系统出现故障时，可进行光报警，显示故障类别。 3 1 中心控制模块 由于整个邦定机要求焊压精度较高，该控制系统对采集的数据处理采用浮 点运算，而后还要进行控制算法计算。所以该系统对中心控制器的要求很高， 中心控制器的选择是否合适，直接影响到控制系统的实时性。本文的控制系统 选用了t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 作为系统核心控制模块。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 芯片是t i 公 司的c 2 0 0 0 系列中近期推出的一款专用于电机控制的芯片，具有集成度高、速 度快等优点。下面是t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 适合本系统的主要特点： 1 、用高性能静态c m o s 技术，使得供电电压降为3 、3 v ，减小了控制器的功耗；指 令周期缩短到2 5 n s ( 4 0 m h z ) ，同时采用改进的哈佛总线结构，使用独立的 总线来访问程序和数据存储空间，提高了控制器的实时控制能力。 2 、顺序控制采用四级流水线作业，具有六个外部中断源和八级硬件堆栈：指令 丰富，具有单周期循环指令，单周期乘加指令和快速f f t 变换寻址能力，3 2 位的算术逻辑单元和累加器，1 6 位1 6 位的专用硬件乘法器，使的一次或多 次乘法运算可以在个单指令周期内产生带符号或无符号的3 2 位乘积，从而 极大提高了系统的运算性能和运算速度。 3 、片内配置了一个具有内置采样和保持的l6 通道的双1 0 位a d c 内核。a d c 的转 换时间( s h + 转换) 可达3 7 5 n s 。具有自动排序功能，通过软件编程次 最多可执行1 6 个通道的“自动转换”。每个通道的转换结果都有一个专用寄 存器进行存储，因此，实际运行时程序可以直接从寄存器中读出数据，丽不 用考虑a d c 转换器的控制问题使用这个片内转换器，不必要在片外扩展同类 的器件，可以很方便的将系统中的多路模拟信号输入片内供c p u 处理。 4 、4 1 个可编程复用i 0 端口，方便进行外围扩展，通过m c r a 、m c r b 、m c r c 三个i 0 复用控制寄存器可以选择各i 0 7 i 脚的功能，然后再设霞p a d a t d i r 等六个数据和方向寄存器，就可以决定该引脚的输入输出方向以及引脚信号 的高低状态。 5 、两个事件管理器中有1 2 路p w m 发生器，4 个1 6 位通用定时计数器，6 路比较 单元，6 路捕捉单元，4 路q e p 单元，使用这些单元电路，事件管理器模块可 产生脉宽、时间可调的脉冲信号控制本系统的焊接时间。 6 、片内具有串行通讯接口s c i 和同步串行口s p i ，用以实现d s p 与异步外设之间 的串行通信。s c i 模块以标准的n r z ( n o n r e t u r n 。t o z e r o ) 格式发送、接收数 据，且数据传输速率可编程，最大可达6 2 5 k b s 。s c i 模块的发送器和接收器 都是双缓冲的，各自具有独立的工作使能和中断控制位，可单独或同时工作 在全双工模式。本系统设计使用s c i 接口按照r s 一2 3 2 标准与外部设备通信。 7 、3 2 k 字1 6 位片内f l a s he e p r o m ，5 4 4 字1 6 位片内r a m ，2 2 4 k 字1 6 位最 大可寻址存储空间，且片上f l a s h 中的代码可以加密，这些存储器集成度高， 运行速度快。功耗和成本较低且使用方便，有助于提高系统的整体性能。 另外t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 引脚较少，价格适中，正因为t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 具有以 上所列举的诸多特点，所以可阻方便有效的完成信号处理实时实现许多复杂的 控制算法等功能，降低系统的复杂性，提高系统的性价比。该模块的设计工作， 主要是完成d s p 本身硬件配置包括i o 引脚功能分配、中断配置，为满足系统 要求在其外围扩展程序存储器和数据存储器，以及时钟电路，仿真接口电路 等。d s p 内部功能结构及外部硬件设置见图3 2 。 图3 2t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 硬件功能配羞图 ( 1 ) 中断设置 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 把各种事件中断均分配在i n t l 一i n t 6 中，其优先级从高到低排 列。在每个i n t 中，可能会由几个事件引发，它通过中断矢量值来区分发生的中断是 那个事件引起的，用户必须在自己的中断处理程序中加以判断并作相应处理。对事件 优先级的设定会影响其中断分配，所以中断的设置必须根据各功能的重要性考虑，并 且要避免各功能间发生冲突。本系统中共设定的部分中断如表3 1 表3 1 系统中断设置 中断名 c p u 中断矢量设备中断矢量 s p i i n ti n t l0 0 0 5 h t 1 p i n ti n t 20 0 2 7 h t 4 u f 工n ti n t 30 0 3 b h t 4 0 f i n ti n t 3 0 0 3 c h r x i n ti n t 50 0 0 6 h ( 2 涉 扩存储器 焊压控制系统要求处理的数据量大且对实时性要求高，而d s p 内部的数据存 储器容量不能满足要求，因此系统外扩高速大容量的程序存储器和数据缓冲存 储器。d s p 的数据存储空间和程序存储空间是分开的，在扩展片外存储器的时候， 需要用到d s p 特殊的存储器控制信号。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 可扩展的外部程序存储 器总共1 9 2 k 字：6 4 k 字程序存储器，6 4 k 字数据存储器，6 4 k 字i o 寻址空间。由于 芯片内部有5 4 4 字的双端口数据程序r a m ，3 2 k 的f l a s he 2 p r o m ，2 k 的单口 r a m ( s a r a m ) ，因此只要部分r a m 即可构成需要的最小系统。 本系统采用高速s r a m c y 7 c 1 0 2 l b v 3 3 ，它是c y p r e s s 公司生产的高性能 c m o s 芯片，容量为6 4 k * 1 6 位，其存取速率可达1 0 n s ，其速度与t m s 3 2 0 1 f 2 4 0 7 a 的速度相匹配，d s p 可以全速运行，无需插入等待状态。而且它的工作电压为 3 3 v ，也与d s p 的i o 电平相匹配，无需电平转换接口电路。t r s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 可以 外扩的数据空间为6 4 k 字，因此系统采用两片c y 7 c 1 0 2 1 b v 3 3 分别扩展p m ，d m 。 将t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 的d s ( p s ) 信号接到c e ，将r d 信号接到o e ，将b h e ，b l e 接地， 这是一种简单的扩展片：g b r a m 的接法。如图3 3 所示： 图3 3 外扩数据存储器原理图 但由于t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 片上的存储资源的使用，对于外扩的6 4 k 程序存储 空间，真正使用到的只有3 2 k ，外扩的6 4 k 数据空间也不会被全部使用。 ( 3 ) 时钟电路 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的时钟可采用无源晶振或者有源晶振。采用无源晶振时， d s p 内部振荡器被激活。t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 提供了两个时钟管脚x t a l l 和 x t a l 2 ，x t a l l 又称c l k i n ，是一个输入管脚，而x t a l 2 是一个输出管脚。为 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 产生并提供时钟的电路方案有两种：方案一是使用4 脚卧式晶振 此时x t a l l 脚悬空，晶振输出送入x t a l 2 脚，如图3 4 所示： 图3 4t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 时钟电路原理图t 另一种方案是采用立式晶振，从x t a l 2 脚送入一个频率与立式晶振标称值相 同的时钟信号，如图3 5 所示： 图3 5t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 时钟电路原理图2 方案一接线简单，本系统中采用了该方案，使用标称值为1 0 m h z 的卧式晶振。 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 内部有锁相环电路，通过对系统配置寄存器s c s r l 的设置，可 选择相应的倍频系数，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 的工作频率为外时钟乘以倍频系数。本 应用中设置倍频系数为2 ，即设置c l k p s 2 = c l k p s i = o ，c l k p s o = i ，系统工作 频率为2 0 m h z ( 4 ) j t a g 接口 t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 配有i e e e 标准的j t a g 仿真接口。为t 能利用仿真器对d s p 进行 调试，必须将d s p 的仿真接口信号引到一个标准插座上，接线方法参考3 t a g 信号 定义，对应起来连接即可。由于实际开发中使用的仿真器到电路板距离不远( 小 于1 5 厘米) ，所以采用了如图3 6 所示的电路接法。 图3 6t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 aj t a g 接口电路 需要指出的是，t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 采用的是3 3 v 工作电压，因此对仿真接口 中的e m u 0 信号和e m u l 信号采用了上拉电阻以增强驱动。 3 2 输入通道模块 该模块主要包括模拟信号采集通道和数字信号采集通道。 3 2 1 模拟信号采集通道 实现对过程参数焊接压力、超声波换能器输出功率等模拟量的采集，采集 后经a d c 变成微机能识别和处理的数字量，并保证一定的精度和速度。 3 2 1 1 焊接压力检测 在超声波铝线焊压过程中，可能出现由于压力过小丽出现弱焊或脱焊现象， 或由于压力过大而使焊点变形量过大，造成焊点强度下降或跟部断裂的现象， 即使是微弱的压力信号变化也会直接影响焊线变形量，进而影响焊接的质量， 同时测力传感器提取的被测信号多为模拟信号，且多为毫伏级，不可避免的带 有噪声。根据测量信号的特点，为了提高测量精度，满足传感器输出的微小信 号在各种状态下的放大调节，同时能够有效地抑制干扰信号，可靠地检测出压 力信号，常常需要高精度的测量放大器和合适的滤波器。因事先不知道被测信 号的大小，用微控制器来检测，从而控制放大器的放大倍数，能将信号调到最 佳，获得最佳测量数据。又因为不知控制系统中激励信号的频率以及在不同的 环境条件下的干扰情况，因此，为了实现大动态范围、多干扰因素的检测系统 的智能化，程控放大与程控滤波是必然的选择，以实现软件与硬件有机地结合。 1 力传感器的选择与安装 焊接压力非常小，不能够直接提取需要用特定的传感器将被测信息转化为 检测仪器可以识别的电压信号，为了为后续抑制干扰处理的简化，性能良好的 传感器必不可少，我们选用的清华力合科技有限公司的量程一百克的电阻应变 片力传感器，它体积小，便于安装，具有很高的灵敏度( i m v v ) ，能够响应微 弱信号的微小变化，检测范围内，有较好的线性度( v r 盯10 0 0 量程8 vr e f 2 妈越咀o l o 量程x16 酬皿1 0 0 程控变增益的实现方法：首先假设输入信号大于v 闻( 即量程x 1 ) ，进行 数据采集，将采集数值进行必要的计算，结果与参考电压v 。, f l 进行比较，若 采集值大于vr e t - 1 就采用量程xl 档。反之，继续与参考电压v 。：进行比较， 直到采集数值大于下一档的满度值。这样所选量程必然是处在最适合该采集值 的量程档内。 4 压力信号的程控滤波 传感器经信号放大输出的信号往往夹杂有噪声和虚假信号，为提取有用信 号成份，必须进行滤波处理。在用硬件电路实现的滤波器中，以r c 网络与运算 放大器构成的“r c 有源滤波器”使用最为广泛。这种滤波器对固定