功率器件自動控溫定位塑封系統(tǒng)的設計

余駿華+孫力+全慶霄

摘 要： 為了滿足功率器件不同封裝形式可靠性和穩(wěn)定性的需求，對功率器件封裝的塑封系統(tǒng)進行研究。設計塑封壓機集成接口和PLC溫度控制電路，實現功率器件塑封壓機溫度控制；研發(fā)光電傳感器、接近傳感器以及螺旋測試頭集合形成的塑封模具定位傳感結構，結合PLC定位電路設計，實現了功率器件塑封模具定位。對關鍵的PLC和觸摸屏組合控制系統(tǒng)進行了探索，系統(tǒng)已投入實際應用，效果良好。

關鍵詞： 功率器件； 封裝； 溫度控制； 定位

中圖分類號： TN305.94?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）14?0116?04

隨著以計算機、網絡通信、消費類電子產品和汽車電子為代表的4C市場和電源驅動領域朝著小外型、大功率的方向發(fā)展，作為關鍵的核心電子元器件，現代功率器件也朝著大功率、小型化、高頻化的趨勢快速發(fā)展[1?2] ，這對功率器件的封裝提出了更高的要求。

目前主流功率器件封裝形式有：TO，SOP，DIP，PDFN，QFN[3]，為了確保這些器件的穩(wěn)定性和可靠性，封裝過程中的控溫和定位顯得尤為重要。通過塑封系統(tǒng)自動控溫定位結構的設計，實現不同封裝形式功率器件可靠性和穩(wěn)定性的提升[4] 。本文成果已應用于江陰蘇陽電子股份有限公司多類產品實際封裝。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用的PLC控制系統(tǒng)由CP1H?XA40DT?D PLC和TPC1062KS觸摸屏組成，配合塑封壓機集成接口設計、PLC控溫設計、PLC定位設計、光電傳感系統(tǒng)嵌入，在觸摸屏上實時顯示塑封壓機溫度并實現溫差預警反饋和定位不準預警反饋[5?6]。原理框圖如圖1所示。

圖1 自動控溫定位塑封系統(tǒng)原理框圖

2 半導體塑料封裝壓機自動溫度切換系統(tǒng)

2.1 塑封壓機集成接口系統(tǒng)設計

作為功率器件封裝關鍵的塑封工序，塑封系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度直接影響了功率器件的性能。半導體塑料封裝壓機需要安裝精密塑封模具以進行手動塑料封裝，一副模具一般需要16～20個加熱棒，壓機有32個加熱通道，可以方便更換。傳統(tǒng)塑封壓機中模具加熱棒與壓機加熱棒接口一一對接，壓機加熱棒通道與熱電偶通道一一對應，該對接方式直接造成壓機內部連線過多，引起安全隱患。

為了解決上述問題，設計了一種包括上模、下模、壓機加熱棒集成接口以及壓機熱電偶集成接口的塑封壓機系統(tǒng)。上模及下模的單獨加熱棒接口集合成一個整體加熱棒接口，上模及下模的單獨熱電偶接口集合成一個整體熱電偶接口，整體加熱棒接口與加熱棒接口通過加熱棒連接線連接，整體熱電偶接口與熱電偶接口通過熱電偶連接線連接。由于系統(tǒng)將傳統(tǒng)的多條單線連接改成整體接口連接，使得半導體塑料封裝壓系統(tǒng)連線簡單、不容易造成連線接頭脫落，更換塑封模具便捷。

2.2 PLC溫度控制設計

設計的塑封壓機系統(tǒng)除了將壓機的多個單通道結合在一起，還在PLC智能反饋系統(tǒng)中增加自動變換通道程序，若某個通道低于設定溫度一定時間，PLC自動切換下一個閑置通道。通過觸摸屏輸入、PLC反饋、模塊集成的方法實現溫度的切換控制。

PLC溫度控制系統(tǒng)通過觸摸屏設定加熱溫度、加熱脈沖、高低溫度報警值和計時時間等相關參數，實現對壓機的溫度控制。在實際應用中，塑封壓機加熱開啟2 h后切換通道系統(tǒng)開啟，若某個通道出現異常（≠175 ℃，溫差>3 ℃），PLC立即開始200 s計時，在計時期內該通道溫度如仍未達設定值，該通道將被關閉，同時開啟下一個閑置通道，重新加溫。最終塑封壓機溫度維持在報警值3 ℃以內，從而保證塑封過程中的恒定高溫。該系統(tǒng)可應用于不同封裝形式，圖2為本系統(tǒng)PLC溫度控制原理圖，圖3為實際塑封壓機觸摸屏溫度及PID顯示界面圖。

3 半導體塑料封裝壓機智能定位系統(tǒng)

本系統(tǒng)設有光電傳感器、接近傳感器以及螺旋測試頭，可利用螺旋測試頭高精度的測量尺寸來調節(jié)接近傳感器與工作臺的配合。上、下工作平臺之間連接有4根導柱，將電子光纜感應尺設置于導柱的外側，接近傳感器設置在導柱內側，螺旋測試頭位于接近傳感器的底部。當下工作臺上升時，4個導柱上的接近傳感器可感應下工作臺是否到達設定位置，電子光纜感應尺讀取下模到導柱的距離，如未達設定值，光電傳感器將輸出電平信號，經電路轉換后，一路信號直接觸發(fā)PLC安全控制點，有效阻止模具的開合；另一路信號輸出至LED指示燈，提示此時工作臺未能到達設定位置，圖4為塑封模具定位原理圖。該系統(tǒng)具有智能定位的功能，觸摸屏可實時顯示4個導柱是否在設定位置，如有報警，可迅速反映定位異常的傳感器方位，便于及時處理，可以有效避免模具損壞或者報廢。圖5為本系統(tǒng)觸摸屏定位顯示界面。

圖2 本系統(tǒng)PLC溫度控制原理圖

圖3 塑封壓機觸摸屏溫度及PID顯示界面

4 軟PLC系統(tǒng)研究

為了實現塑封系統(tǒng)控溫定位的智能反饋，需要設計一種實時監(jiān)控的現場控制系統(tǒng)，可編程邏輯控制器（Programmable Logical Controller，PLC）以微處理器為基礎，采用可編程的存儲器，用于其內部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數與算術操作等面向用戶的指令，并通過數字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產過程[7?8]；所以在功率器件塑封系統(tǒng)設計中，采用PLC與觸摸屏組成的控制系統(tǒng)實現自動控溫和定位功能。

圖4 塑封模具定位原理圖

圖5 觸摸屏定位顯示界面

4.1 控制現場結構

本文采用CP1H?XA40DT?D PLC和TPC1062KS觸摸屏組成系統(tǒng)控制現場的電動閥、電磁閥、電動機、溫度控制器和定位控制器等執(zhí)行機構。以溫度控制為例，CP1H?XA40DT?D通過模擬量輸入模塊和溫度傳感器采集現場的溫度信號，信號通過PLC上的A/D轉換、數值變換傳送到觸摸屏上，觸摸屏顯示實時的溫度值和PID值；且PID參數可以通過觸摸屏進行設置，觸摸屏給PLC發(fā)送指令，以控制現場的執(zhí)行機構[9]。控制現場溫控結構如圖6所示。

4.2 控制系統(tǒng)電路設計

為了實現PLC對塑封壓機溫度和模具定位的控制，必須設計相應的控制電路。PLC控制系統(tǒng)的控制電路主要由輸入電路、PLC、輸出電路3個部分組成。輸入電路主要有按鈕、開關、模擬量、人機界面等；輸出電路主要有電磁閥、指示燈、接觸器等。PLC控制系統(tǒng)根據輸入電路得到的信號，執(zhí)行PLC程序，從而控制輸出電路的電器元件驅動設備的機械結構，最終滿足控制塑封壓機溫度和模具定位的要求，完成系統(tǒng)控制。以溫度控制為例，通過觸摸屏設定標準塑封壓機溫度（175 ℃），通過PLC程序判斷壓機溫度是否在容差范圍內（3 ℃），若超出容差，則發(fā)出信號反饋至觸摸屏，同時調整加熱通道，令塑封壓機溫差小于設定容差。圖7為功率器件塑封系統(tǒng)PLC溫度控制電路圖。

圖6 控制現場溫控結構圖

圖7 塑封系統(tǒng)PLC溫度控制電路圖

4.3 控制系統(tǒng)軟件設計

常見的PLC控制系統(tǒng)軟件設計方法有圖解法編程（包括梯形圖法、邏輯流程圖法、時序流程圖法和步進順控法）、經驗法編程、計算機輔助設計編程等[10]。設計的自動控溫定位塑封系統(tǒng)選用的是梯形圖法，這種最方便的編程方法是一種用梯形圖語言，模仿繼電器控制系統(tǒng)的編程方式。其圖形及元件名稱均與繼電器控制電路十分相近。這種方法的優(yōu)點在于可以把原繼電器控制電路轉化成 PLC梯形圖語言。

為了提高系統(tǒng)可靠性，在軟件設計上采用了數字濾波和軟件容錯。在采樣周期內，用采樣值計算加權平均值作為濾波值，濾波現場的模擬量信號經A/D轉換后變?yōu)閿底至啃盘?，存入PLC中，根據濾波值濾去噪聲信號獲得所需的有用信號，進行系統(tǒng)控制。在程序執(zhí)行過程中，一旦發(fā)現現場故障或錯誤，系統(tǒng)即通過程序判斷造成錯誤的原因是主要故障還是次要故障，并分別做出停機和相應子程序處理。系統(tǒng)還可對重要的開關量輸入信號或易形成抖動的檢測或控制回路采用軟件延時，對同一信號多次讀取，結果一致，才確認有效，消除偶發(fā)干擾的影響。

5 結 語

目前市場中功率器件應用極為廣泛，為了適應現代便攜式電子產品等應用領域不斷小型化的發(fā)展趨勢，現代功率器件封裝技術不斷改進，新型封裝形式不斷涌現。為了提高各種封裝形式的可靠性和穩(wěn)定性，設計了一種可應用于各種封裝形式的功率器件自動控溫定位塑封系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實現關鍵塑封工藝設備溫度的均勻和穩(wěn)定，提高塑封模具壓合精度，從而提高良品率，降低設備損耗，具有極其重要的應用價值。基于PLC控制系統(tǒng)的自動控溫定位塑封系統(tǒng)的研究和實現對提升功率器件封裝的效率有著重要意義。

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