LTCC專用燒結(jié)設(shè)備溫度串級控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

龍占勇，鄧斌，羅心蕾

(1.中國電子科技集團(tuán)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(shù)是近年發(fā)展起來令人矚目的整合組件技術(shù)，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(yōu)良的高頻、高品質(zhì)因子和高速傳輸特性及成本低、生產(chǎn)周期快、批量大等特點(diǎn)，因此它正逐漸用于取代傳統(tǒng)的PCB板。燒結(jié)是LTCC的生產(chǎn)工藝流程中重要的一環(huán)，它是將經(jīng)過層壓的多層基板坯體放入燒結(jié)爐中，進(jìn)行排膠和燒結(jié)成型。排膠是有機(jī)粘合劑汽化和燒除的過程，排膠工藝對LTCC基板的質(zhì)量有著嚴(yán)重影響。排膠不充分，燒結(jié)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(shù)的關(guān)鍵是燒結(jié)曲線和爐膛溫度的均勻性。燒結(jié)時升溫速度過快，會導(dǎo)致基板的平整度差和收縮率大。爐膛溫度的均勻性差，燒結(jié)后基板收縮率的一致性也差。燒結(jié)溫度一般在800～950℃之間。導(dǎo)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(jìn)行燒結(jié)。因此LTCC專用燒結(jié)設(shè)備是LTCC生產(chǎn)工藝中最重要的設(shè)備之一，溫度控制是LTCC低溫?zé)Y(jié)設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。

由于簡單PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)、控制效果良好等優(yōu)點(diǎn)，因此工業(yè)控制中普遍采用簡單PID控制。但簡單PID控制應(yīng)用于動態(tài)特性復(fù)雜、擾動比較頻繁、控制質(zhì)量要求高的場合往往性能欠佳，對工況的適應(yīng)性較差，因此該設(shè)備溫控采用串級控制方法。

1 LTCC專用設(shè)備電氣及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成

電氣控制系統(tǒng)主要對象為主加熱器、4路氣體預(yù)熱器、氣路送氣系統(tǒng)、爐壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)、臺車升降系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。采用PC+PLC的控制方案，組成典型的集散控制系統(tǒng)，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(tǒng)由OMRON-CJ1M-PLC核心部件組成，實(shí)現(xiàn)臺車升降、溫度、壓力、工藝氣體流量等控制。上位機(jī)采用研華15英寸觸摸平板工業(yè)PC，與PLC進(jìn)行實(shí)時通信、提供人機(jī)界面操作平臺。

1.1 溫度控制系統(tǒng)的描述

LTCC專用燒結(jié)設(shè)備溫度控制系統(tǒng)由發(fā)熱體、測溫?zé)崤肌囟茸兯湍K、溫控儀、SCR電壓調(diào)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(diào)壓器采用四川英杰電器KTY1S-75A型號的SCR電壓調(diào)整器，整個系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 溫控系統(tǒng)框圖

圖1中，主控?zé)崤嘉挥诠ぜ浇瑴y得溫度即為工件的實(shí)際溫度，該溫度也是設(shè)備溫度均勻性的考核溫度，通過熱電偶將溫度信號轉(zhuǎn)變成電信號進(jìn)入溫控儀的輸入一，副控?zé)崤嘉挥诩訜崞鞲浇皶r測量溫度的變化波動，能迅速調(diào)整加熱器的輸出，克服進(jìn)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(jīng)過熱偶變送器轉(zhuǎn)換成4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)信號后進(jìn)入溫控儀的輸入二，LTCC專用燒結(jié)設(shè)備溫度串級系統(tǒng)框圖見圖2。

圖2 LTCC專用燒結(jié)設(shè)備溫度串級控制系統(tǒng)框圖

按上述設(shè)計(jì)，當(dāng)加熱電壓波動，而進(jìn)氣流量和進(jìn)氣溫度保持穩(wěn)定，即在圖2中干擾f1(t)為零，只有f2(t)出現(xiàn)，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(diào)節(jié)器及時調(diào)整加熱電壓使T2(t)很快回到原先穩(wěn)定值。如果干擾量小，經(jīng)過副回路調(diào)節(jié)后，一般影響不到爐膛總體溫度T1(t)；當(dāng)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(chǎn)生一定影響，但引起的偏差幅度要比單回路系統(tǒng)小得多，此時再通過主調(diào)節(jié)器改變副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值X2(t)進(jìn)行進(jìn)一步調(diào)節(jié)，可完全消除干擾的影響，使被控參數(shù)T1(t)回復(fù)到設(shè)定值。

由于副回路控制通道環(huán)節(jié)少，時間常數(shù)小，反應(yīng)靈敏。所以當(dāng)干擾進(jìn)入副回路時，串級系統(tǒng)可以獲得比單回路系統(tǒng)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(zhì)量。

若系統(tǒng)的干擾只是進(jìn)氣流量或進(jìn)氣溫度出現(xiàn)波動，而加熱電壓保持穩(wěn)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(diào)節(jié)器改變副調(diào)節(jié)器的設(shè)定值X2(t)，副調(diào)節(jié)器根據(jù)X2(t)的變化調(diào)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(fù)到設(shè)定值，在串級系統(tǒng)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(shù)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(tǒng)后，由于引入了副回路，不僅能迅速克服副回路內(nèi)的干擾，也能加速克服主回路的干擾。副回路具有先調(diào)，粗調(diào)和快調(diào)的作用，主回路具有后調(diào)、細(xì)調(diào)和慢調(diào)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(bǔ)充，使控制質(zhì)量顯著提高，能很好滿足設(shè)備指標(biāo)要求。

1.2 主副調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)規(guī)律的確定

在該控制系統(tǒng)中，主、副調(diào)節(jié)器所起的作用不同。主調(diào)節(jié)器起定值控制作用，副調(diào)節(jié)器起隨動控制作用。主控參數(shù)爐膛溫度是LTCC燒結(jié)的主要控制指標(biāo)，它關(guān)系到LTCC的質(zhì)量，工藝上要求非常嚴(yán)格，且控制通道容量滯后比較大，所以主調(diào)節(jié)器選用PID調(diào)節(jié)，以保證主變量的控制品質(zhì)。

對于串級控制，穩(wěn)定副參數(shù)并不是目的。控制副參數(shù)是為了保證和提高主參數(shù)的控制質(zhì)量，對副參數(shù)的要求一般不嚴(yán)格，可以在一定范圍內(nèi)變化，允許有殘差，因此，副調(diào)節(jié)器選擇P調(diào)節(jié)就可滿足要求，一般不引入積分I和微分D因?yàn)橐敕e分調(diào)節(jié)會延長調(diào)節(jié)過程，減弱副回路的快速性，而引入微分作用時，當(dāng)主回路輸出稍有變化，就會引起調(diào)節(jié)輸出大幅度的變化，對系統(tǒng)的穩(wěn)定不利。

對于副調(diào)節(jié)器，當(dāng)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(yīng)該減小，加在負(fù)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(diào)節(jié)器為反作用方式。

對于主調(diào)節(jié)器，當(dāng)副參數(shù)(爐壁溫度)升高時，主參數(shù)(爐膛工件溫度)也升高。所以主調(diào)節(jié)器也為反作用。

2 設(shè)備研制結(jié)果

本設(shè)備研制完成現(xiàn)場運(yùn)行，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)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(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)小。

圖3 工藝曲線跟蹤性

3 結(jié)論

本文所設(shè)計(jì)的LTCC專用燒結(jié)設(shè)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(tǒng)，基于精確數(shù)學(xué)模型的常規(guī)控制難以保證爐膛內(nèi)溫度均勻性的要求，用串級控制可以達(dá)到較好的控制效果。在系統(tǒng)的調(diào)試過程和現(xiàn)場的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)系統(tǒng)的控制方案合理，跟蹤性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，超調(diào)量小；(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)；(3)系統(tǒng)控制功能強(qiáng)，控制效果好；(4)人機(jī)界面友好，操作人員操作方便，滿足設(shè)計(jì)要求。

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