射頻識(shí)別(RFID)是一種利用射頻通信實(shí)現(xiàn)非接觸式自動(dòng)識(shí)別的技術(shù)，是21世紀(jì)最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[1]。RFID標(biāo)簽批量生產(chǎn)通常采用基于各項(xiàng)異性導(dǎo)電膠(ACA)固化的倒裝鍵合工藝實(shí)現(xiàn)芯片與柔性基板的互連[2]。標(biāo)簽封裝設(shè)備通常包括基板輸送、檢測(cè)、點(diǎn)膠、貼裝和熱壓五個(gè)工藝模塊[3]。熱壓模塊主要是對(duì)聯(lián)結(jié)基板天線和芯片的導(dǎo)電膠進(jìn)行熱壓固化。

　　ACA主要由基體和導(dǎo)電顆粒組成[4],其固化過(guò)程中，固化的溫度對(duì)芯片與天線互連的機(jī)械性能和電氣性能有重要影響[5-6]。溫度和固化時(shí)間對(duì)導(dǎo)電膠的連接性能有決定性作用[7]。熱壓溫度決定了導(dǎo)電膠的固化程度以及芯片和天線基板的連接強(qiáng)度，在很大程度上決定了芯片讀寫(xiě)效果的好壞。為了提高標(biāo)簽生產(chǎn)效率，一般采用多套熱壓頭同時(shí)對(duì)多個(gè)芯片進(jìn)行熱壓，多點(diǎn)溫度的精度、穩(wěn)定性和一致性是控制關(guān)鍵。需要設(shè)計(jì)一種適用于RFID標(biāo)簽生產(chǎn)ACA固化的多路溫度控制方案。

　　1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　根據(jù)導(dǎo)電膠工藝參數(shù)和連接性能，確定設(shè)計(jì)方案的溫度控制范圍為 0～300 ℃，控制精度±1 ℃，溫升時(shí)間在5 min以內(nèi)，固化加熱時(shí)間10 s。針對(duì)多路溫控系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計(jì)了可以同時(shí)控制多達(dá)64路通道的系統(tǒng)構(gòu)架，同時(shí)針對(duì)多路控制的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了8個(gè)溫控卡和多個(gè)接口卡的結(jié)構(gòu)方案。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該溫控系統(tǒng)采用8塊溫控板，1~4、5~8號(hào)分別對(duì)上、下32路加熱頭進(jìn)行溫控;上部分采用一塊電源控制板和一塊通信接口板，分別控制1~4號(hào)溫控板的電源、作為多機(jī)通信接口;下部分采用一塊通信接口/電源控制板，對(duì)5~8號(hào)溫控板的電源、通信作統(tǒng)一管理;通用監(jiān)控板對(duì)1~8號(hào)溫控板進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示;整體采用一塊電源接口板，對(duì)溫控系統(tǒng)全局供電。在硬件上，選用C8051F020單片機(jī)為核心的硬件部分，對(duì)溫度采集電路、加熱驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)電路等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。同時(shí)，進(jìn)行了溫度數(shù)據(jù)采集以及濾波算法的軟件實(shí)現(xiàn)，在控制算法上采用積分分離式PID控制，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

　　2 多路溫控系統(tǒng)核心電路設(shè)計(jì)

　　2.1溫度采集電路

　　溫度采集模塊的原理一般是熱電偶、熱電阻等輸出的電壓、電流信號(hào)經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后,將測(cè)量數(shù)據(jù)送進(jìn)單片機(jī)分析處理,將測(cè)量結(jié)果存于外存儲(chǔ)器中[8]。熱電偶的溫度特性曲線比熱電阻差，精度、響應(yīng)速度也不及熱電阻，所以選用熱電阻中的鉑電阻溫度傳感器(PT100)。PT100具有測(cè)量精度高、長(zhǎng)期復(fù)現(xiàn)性好、測(cè)量范圍廣等特性，廣泛用于工業(yè)測(cè)溫、計(jì)量和校準(zhǔn)[9]。

　　所選擇的溫控系統(tǒng)測(cè)溫對(duì)象為64個(gè)熱壓頭工作面，將PT100嵌入式裝在熱壓頭端部。溫度采集電路原理圖如圖2所示，該電路功能是將PT100(Rt)的輸出電壓進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后與溫度值對(duì)應(yīng)起來(lái)，即0~300 ℃線性化對(duì)應(yīng)到0~3 V，以供單片機(jī)采集。采用兩線制不平衡電橋測(cè)量電路，測(cè)量PT100隨溫度變化的毫伏信號(hào)輸出，再經(jīng)過(guò)放大和A/D轉(zhuǎn)換，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行電壓信號(hào)的采集并完成電壓與溫度之間對(duì)應(yīng)關(guān)系運(yùn)算和處理。根據(jù)控制要求對(duì)每個(gè)元器件取值。其中PT100阻值Rt隨時(shí)間變化。電路簡(jiǎn)化后得到電壓關(guān)系：

     其中。

　　可以看出，電路的輸出信號(hào)與傳感器電阻值變化量有著很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，線性度達(dá)到±0.02%FS。

　　2.2 加熱驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

　　熱壓模塊中，發(fā)熱芯安裝在熱壓頭腔內(nèi)，需在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片和導(dǎo)電膠的加熱固化。選用MCH氧化鋁陶瓷微型發(fā)熱芯作為發(fā)熱元件，嵌在熱壓端底部進(jìn)行熱量傳輸，額定電壓36 V，功率45 W。溫控系統(tǒng)控制對(duì)象為64個(gè)MCH氧化鋁陶瓷發(fā)熱芯。

　　圖3為加熱驅(qū)動(dòng)電路原理圖。采用了場(chǎng)效應(yīng)管進(jìn)行功率的放大，通過(guò)控制輸出的高低電平的占空比來(lái)控制發(fā)熱芯的電源通斷。采用光耦減小外界干擾將驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)的輸出口隔離;光耦管腳接單片機(jī)I/O信號(hào)。當(dāng)HEAT1端輸入低電平時(shí)，光耦導(dǎo)通，場(chǎng)效應(yīng)管處于“開(kāi)”狀態(tài)，此時(shí)發(fā)熱芯上得到36 V的壓降而升溫;否則，發(fā)熱芯失電降溫。這樣單片機(jī)I/O輸出的高/低電平信號(hào)就被轉(zhuǎn)換為36 V電壓的PWM波,兩者頻率一致,實(shí)現(xiàn)了功率的放大。

　　2.3 單片機(jī)主電路

　　C8051F是模擬性能很好的8位單片機(jī)，集成了豐富的模擬資源，可實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換;在內(nèi)置12位的8通道A/D轉(zhuǎn)換器的情況下,采集溫度0～300 ℃，則A/D分辨率為300/212=0.05 ℃，滿足系統(tǒng)控制精度要求。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓由單片機(jī)內(nèi)產(chǎn)生或由外部輸入，由跳線進(jìn)行選擇，電路使用的靈活性高。

　　C8051F020單片機(jī)模擬電壓源接3 V電壓。MCU內(nèi)部有一個(gè)使用系統(tǒng)時(shí)鐘的可編程看門(mén)狗定時(shí)器(WDT)，當(dāng)看門(mén)狗定時(shí)器溢出，WDT 將強(qiáng)制CPU進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。為了防止復(fù)位，在溢出前由應(yīng)用軟件重新觸發(fā)WDT，如果系統(tǒng)出現(xiàn)了軟/硬件錯(cuò)誤不能重新觸發(fā)WDT，則WDT將溢出并產(chǎn)生復(fù)位，以此防止系統(tǒng)失控。

　　2.4 存儲(chǔ)器電路的設(shè)計(jì)

　　C8051F020 單片機(jī)自帶64 KB的Flash存儲(chǔ)器，可以用來(lái)做程序存儲(chǔ)，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。為了存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)，另外擴(kuò)展了一個(gè)EEPROM存儲(chǔ)器AT93C46，如圖4所示，具有1 KB的存儲(chǔ)空間，低功耗、低電壓、電可擦除，可重復(fù)寫(xiě) 100 萬(wàn)次，采用 SPI 四線制連接，傳輸速度快。SPI是全雙工總線，即在發(fā)送的同時(shí)也能接收數(shù)據(jù)，因此有MOSI控制線、MISO控制線、SCK時(shí)鐘線和NSS片選線。

　　3 軟件設(shè)計(jì)

　　3.1 溫度數(shù)據(jù)采集

　　溫度采集及控制是在定時(shí)器中斷下完成的。每塊溫控卡同時(shí)控制8個(gè)熱壓頭，控制方式采用循環(huán)方式。溫度數(shù)據(jù)采集的控制流程圖如圖 5所示。每次定時(shí)器中斷開(kāi)始后，程序先循環(huán)讀取8路鉑電阻的電壓，轉(zhuǎn)換為溫度值后，再分別進(jìn)行PID運(yùn)算，然后根據(jù)各通道的運(yùn)算結(jié)果，首先判斷溫度是否出現(xiàn)異常，若有過(guò)熱發(fā)生，則發(fā)出報(bào)警并切斷電源，否則分別控制各發(fā)熱芯的PWM占空比，對(duì)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

　　3.2 濾波算法設(shè)計(jì)

　　A/D采樣在運(yùn)行時(shí)受信號(hào)源本身、傳感器、外界環(huán)境等因素影響，輸入通道采集的模擬輸入量會(huì)不可避免混進(jìn)了干擾信號(hào),這些干擾會(huì)影響到數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，從而對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成不良影響。實(shí)際中采用的是利用數(shù)字濾波的軟件方式，對(duì)原始的采樣信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)和轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性[10]。本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器精度約為0.05 ℃，外界環(huán)境的干擾較多，選取滑動(dòng)平均濾波方式。該算法可以很好地改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。其計(jì)算公式為：

　　其中, n為該區(qū)域中點(diǎn)的總個(gè)數(shù)，x為第k次取值。

　　3.3 積分分離PID控制算法

　　普通PID控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是消除靜差，提高控制精度。但在控制過(guò)程的啟動(dòng)、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時(shí)，短時(shí)間內(nèi)的輸出偏差非常大，PID運(yùn)算中積分累計(jì)結(jié)果可能導(dǎo)致控制量不正常，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)振蕩，產(chǎn)生嚴(yán)重危害[11]。

　　為彌補(bǔ)普通PID控制算法的不足，采用積分分離式PID控制算法。根據(jù)實(shí)際情況,人為設(shè)定閾值ε>0;當(dāng) error(k)>ε時(shí)，采用PD控制，避免產(chǎn)生過(guò)大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng);當(dāng) error(k)≤ε時(shí)，采用PID控制，以保證控制精度。積分分離控制算法可表示為：

　　根據(jù)積分分離式PID控制算法得到其程序框圖如圖6所示。

　　4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　4.1 多路溫度實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　選取1~4號(hào)溫控板的32個(gè)通道，測(cè)試在目標(biāo)溫度為180 ℃時(shí)升溫時(shí)間、溫度過(guò)沖以及波動(dòng)情況。數(shù)據(jù)表明溫度控制精度、波動(dòng)性及穩(wěn)定時(shí)間均達(dá)到要求。隨機(jī)選取了其中4組進(jìn)行結(jié)果反映，數(shù)據(jù)如表1所示。

　　數(shù)據(jù)顯示,各通道對(duì)應(yīng)熱壓頭的溫度響應(yīng)時(shí)間在2 min內(nèi)，升溫穩(wěn)定時(shí)間在2.5 min內(nèi)小于5 min，升溫過(guò)沖低于10%;穩(wěn)定之后，溫度波動(dòng)均在1 ℃以內(nèi)，控制精度達(dá)到±1 ℃的要求。

　　4.2 試驗(yàn)產(chǎn)品9662性能測(cè)試結(jié)論

　　結(jié)合9662標(biāo)簽的各項(xiàng)工藝參數(shù),在RFID標(biāo)簽封裝設(shè)備的熱壓模塊進(jìn)行測(cè)試。9662標(biāo)簽尺寸為75 mm×23 mm，標(biāo)簽上天線為蝕刻鋁箔，配置芯片型號(hào)為美國(guó)Alien公司的H3。華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合武漢華威科智能技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)生產(chǎn)的DIII型RFID標(biāo)簽生產(chǎn)裝備中，熱壓模塊均采用了本文上述多路溫控方案——使用該平臺(tái)完成9662標(biāo)簽生產(chǎn)測(cè)試。

　　在標(biāo)簽檢驗(yàn)方面，首先對(duì)連續(xù)生產(chǎn)的2萬(wàn)多個(gè)標(biāo)簽進(jìn)行讀通率的檢測(cè)，標(biāo)簽產(chǎn)品讀通率達(dá)到99.85%。

　　然后,采用Alien超高頻讀寫(xiě)器ALR-9900進(jìn)行標(biāo)簽靈敏度測(cè)試。靈敏度測(cè)試是直接測(cè)試標(biāo)簽的讀距，與理想曲線進(jìn)行比較。標(biāo)簽距離測(cè)試中，在860 MHz~960 MHz之間，20組樣品讀距均保持在8 m以上，性能較好。如圖7所示，隨機(jī)選取了3組曲線進(jìn)行結(jié)果反映。

　　最后，使用推拉力測(cè)試儀CONDOK70進(jìn)行推拉力測(cè)試。鏟除天線上已ACA固化好芯片所需要的剪切強(qiáng)度均值為1.2 kgF，范圍為1.1~1.4 kgF，滿足行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)(≥1 kgF);外觀檢測(cè)如圖8所示，熱壓痕跡一致，鍵合點(diǎn)位置準(zhǔn)確、膠體分布均勻,整體外觀良好。

　　由以上檢測(cè)結(jié)果可以得出，標(biāo)簽良品率在99.85%以上，芯片在基板上的鍵合凸點(diǎn)較為一致，讀距均達(dá)到8 m以上，破壞性剪切力范圍為1.1~1.4 kgF，符合要求。因此，該多路溫控方案能保證多個(gè)熱壓頭溫度控制的一致性與穩(wěn)定性，滿足熱壓工藝需求。

　　RFID芯片封裝過(guò)程中，溫度和固化時(shí)間對(duì)導(dǎo)電膠連接性能有決定性作用。熱壓溫度決定了導(dǎo)電膠的固化程度以及芯片和天線基板的連接強(qiáng)度。本文在RFID標(biāo)簽封裝設(shè)備ACA熱壓固化模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套多路溫度控制系統(tǒng)。在完成相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)之后，對(duì)系統(tǒng)溫度情況進(jìn)行了驗(yàn)證，并且結(jié)合試驗(yàn)產(chǎn)品9662標(biāo)簽，進(jìn)行了產(chǎn)品工藝參數(shù)的相關(guān)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明， 溫度穩(wěn)定時(shí)間在5 min內(nèi)， 多路溫度控制精度達(dá)到±1℃的要求，控溫范圍0~300℃，滿足ACA固化需求;所試驗(yàn)產(chǎn)品UHF標(biāo)簽9662標(biāo)簽良品率達(dá)99.85%以上，芯片鍵合點(diǎn)、破壞性剪切力、讀距均達(dá)到要求，整體結(jié)果符合要求。本文提出的方案滿足RFID標(biāo)簽制備ACA熱壓固化工藝中對(duì)多路溫度控制的要求，系統(tǒng)成本較低，具有很強(qiáng)的移植性，滿足于不同的工業(yè)生產(chǎn)需要，為其他多路溫度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供參考。