基于FPGA的氧化擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)研究

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引言

氧化擴(kuò)散爐的溫度控制一直是半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)的要點(diǎn)，在科技不斷進(jìn)步的背景下，半導(dǎo)體技術(shù)也在不斷進(jìn)步，集成電路更近換代周期縮短，而各類新型集成電路的性能優(yōu)化的同時(shí)，也對(duì)相關(guān)的工藝、技術(shù)和質(zhì)量控制提出了更高的要求。因此很有必要開(kāi)展氧化擴(kuò)散爐溫度控制系統(tǒng)研究，以此來(lái)為集成電路產(chǎn)品的生產(chǎn)和創(chuàng)新提供助力。

1 溫度測(cè)控方案設(shè)計(jì)

氧化擴(kuò)散爐的作用不僅是加熱，還在于溫度控制，因此需要設(shè)計(jì)一個(gè)具有加熱、溫度測(cè)控、實(shí)時(shí)顯示的系統(tǒng)方案。

（1）加熱方案設(shè)計(jì)。氧化擴(kuò)散爐的爐體主要負(fù)責(zé)擴(kuò)散環(huán)節(jié)加熱，設(shè)計(jì)為三段電加熱方式，所有加熱爐絲的電源都互不相干，彼此獨(dú)立，溫度控制主要依靠比例控制器。三段加熱的功率都較大，而電壓很低，爐口的功率和電壓分別是1.5千瓦和23伏，爐中分別是2.1千瓦和33伏，爐尾與爐口相同。過(guò)往依靠晶閘管調(diào)相加熱方式，這種加熱方式雖然能夠有效提升電網(wǎng)功率因數(shù)，但是整體上看系統(tǒng)效率較低。本文設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)電源加熱方式，通過(guò)半橋逆變開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行加熱，成本低效率高。

（2）系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)。系統(tǒng)進(jìn)行分為測(cè)溫、控溫、加熱和其他幾部分內(nèi)容，測(cè)溫需要進(jìn)行溫度信號(hào)采集、處理及轉(zhuǎn)換，控溫的關(guān)鍵在于FPGA核心單元，加熱為半橋逆變及其驅(qū)動(dòng)電路，剩下的就是其他部分。

進(jìn)行系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)，先借助S型熱電偶實(shí)現(xiàn)溫度采集，明確測(cè)溫范圍和相應(yīng)電壓。為避免干擾信號(hào)，要采取電路濾波設(shè)計(jì)，為了保證熱電勢(shì)，還要設(shè)計(jì)熱電偶的冷端補(bǔ)償。再以A/D轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳輸，使其到達(dá)FPGA控制系統(tǒng)。系統(tǒng)控制板為FPGA開(kāi)發(fā)板，主要是具有PWM脈沖信號(hào)發(fā)生器、增量PID控制器和數(shù)據(jù)分析和處理輸出功能。PWM從FPGA發(fā)出，借助半橋逆變電路實(shí)現(xiàn)加熱調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)溫度控制。此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)還包括電源供電設(shè)計(jì)、用按鍵來(lái)溫度設(shè)置、用LCD顯示來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度實(shí)時(shí)顯示，當(dāng)溫度過(guò)高時(shí)，保護(hù)電路將發(fā)揮作用[1]。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

（1）FPGA控制電路。首先要選擇合適的FPGA芯片，綜合效率、功能、能耗和價(jià)格進(jìn)行綜合考慮，最終選擇了Altera的Cyclone Il系列EP2C8Q208C8芯片。進(jìn)行時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)，以50MHZ有源晶振為系統(tǒng)時(shí)鐘，采取單端時(shí)鐘信號(hào)，系統(tǒng)時(shí)鐘從CLKO引腳輸入，同時(shí)將其他不用的時(shí)鐘引腳接地。EPGA供電電路主要是芯片的輸出和輸入、可編程邏輯、可編程鎖相環(huán)三部分進(jìn)行供電。程序下載及配置電路主要借助AS和JTAG兩種配置模式。FLASH數(shù)據(jù)存儲(chǔ)電路主要芯片采用3.3V單電源供電，數(shù)據(jù)存取時(shí)間為90ns,支持TTL邏輯電平，4M化it的芯片容量。

（2）溫度采集電路。熱電偶是溫度采集中的關(guān)鍵元件，能夠進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)化，需要合理選擇合適的熱電偶。熱電偶根據(jù)偶絲材質(zhì)區(qū)分型號(hào)，型號(hào)不同輸出熱點(diǎn)是也有差異，同時(shí)熱電偶還有分度號(hào)上的差異，進(jìn)行熱電偶選擇時(shí)先要看型號(hào)，再要看分度號(hào)和防爆、精度的等級(jí)，接著要考慮安裝固定形式、保護(hù)管材質(zhì)、長(zhǎng)度或插入深度。

（3）信號(hào)調(diào)理電路。信號(hào)調(diào)理分為放大濾波和冷端補(bǔ)償兩部分。放大濾波需要合適的儀表放大器增加分辨率，同時(shí)還要設(shè)計(jì)低通濾波電路來(lái)進(jìn)行干擾信號(hào)抑制，要明確電壓。冷端補(bǔ)償包括冰點(diǎn)槽法、熱電勢(shì)修正法、電橋補(bǔ)償法、補(bǔ)償導(dǎo)線法、軟件補(bǔ)償法等，其中軟件補(bǔ)償法具有成本低、難度小的優(yōu)點(diǎn)，為本設(shè)計(jì)采用。

（4）A/D轉(zhuǎn)換電路。A/D轉(zhuǎn)換電路主要是將采集的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)化為能夠被FPGA處理的數(shù)字信號(hào)。要綜合分辨率、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換時(shí)間和線性度等參數(shù)因素選擇合適的A/D轉(zhuǎn)換器，系統(tǒng)要求分辨率在0.16mV以上，根據(jù)此選擇相應(yīng)的A/D轉(zhuǎn)換芯片，并明確電壓設(shè)計(jì)電路。

（5）半橋逆變電路。選擇合適的電路元器件。對(duì)于二極管，要考慮電流電壓的波動(dòng)和裕量，明確電壓、電源最大功率和最大輸入電流，以便選擇合適的輸入整流橋。對(duì)于輸入濾波電容，通過(guò)計(jì)算得出直流輸入電壓的相關(guān)數(shù)據(jù)，明確輸入電容大小。此外還要明確IGBT、變壓器、輸出整流元件、輸出濾波元件以及散熱片面積[2]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

（1）增量PID控制器。在很多控制系統(tǒng)中都會(huì)應(yīng)用到數(shù)字PID，這主要是結(jié)合控制對(duì)象構(gòu)件數(shù)學(xué)模型，并借助對(duì)比例、微分、積分系數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制。本系統(tǒng)采取增量PID控制器，同時(shí)借助FPGA的LPM宏模塊對(duì)其做出設(shè)計(jì)，以便避免微處理時(shí)出現(xiàn)程序跑飛的情況，提升增量PID控制器的應(yīng)用效果。

（2）PWM信號(hào)發(fā)生器。PWM技術(shù)能夠借助數(shù)字輸出實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路的控制，將信號(hào)用數(shù)字形式進(jìn)行傳送，具有抑制諧波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，是測(cè)量。通信等行業(yè)中的常用技術(shù)。PWM的單片機(jī)在應(yīng)用中存在一定的局限，會(huì)影響系統(tǒng)的抗干擾能力，或者導(dǎo)致系統(tǒng)癱瘓。因此，要將PWM控制器與FPGA系統(tǒng)結(jié)合，解決原本的隱患，是其能夠更好地發(fā)揮作用。

（3）Nios Ⅱ嵌入式處理器系統(tǒng)。Nios Ⅱ軟核處理器成本較低、性能高、可配置、生命周期長(zhǎng)、易于開(kāi)發(fā)升級(jí)，具有良好的應(yīng)有優(yōu)勢(shì)。在使用時(shí)，需要結(jié)合系統(tǒng)方案對(duì)處理器進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，要合理設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘和添加系統(tǒng)CPU，還要結(jié)合硬件電路情況增加外設(shè)以及設(shè)置中斷請(qǐng)求和系統(tǒng)起始地址。

（4）系統(tǒng)控制程序。系統(tǒng)控制程序設(shè)計(jì)包括A/D轉(zhuǎn)換器、液晶屏顯示、和按鍵驅(qū)動(dòng)程序三方面內(nèi)容，對(duì)于A/D轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)要借助三次傳輸進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，對(duì)于液晶屏顯示驅(qū)動(dòng)程序要在相應(yīng)的軟件中完成C語(yǔ)言，并在Nios Ⅱ編程，對(duì)于按鍵驅(qū)動(dòng)程序，要形成矩形鍵盤(pán)并檢測(cè)調(diào)整。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，集成電路產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量與溫度因素息息相關(guān)，做好溫度控制是提升產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量和效率的重要措施。不斷更新發(fā)展的集成電路需要更加優(yōu)質(zhì)的設(shè)備和工藝的支持才能夠從設(shè)計(jì)落實(shí)成為產(chǎn)品，氧化擴(kuò)散爐作為重要設(shè)備需要得到優(yōu)化。