一種激光選區(qū)BGA型芯片智能溫控返修系統(tǒng)

萬(wàn)洪波,周 杰,柳 邦,張浩然,瞿少成

(1.華中師范大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢 430079; 2.湖北三江航天紅峰控制有限公司，湖北 孝感 432000)

0 引言

隨著科技發(fā)展的進(jìn)步，激光已經(jīng)從一個(gè)遙不可及的高科技產(chǎn)品慢慢步入人們的生活當(dāng)中，激光技術(shù)的應(yīng)用已被廣泛關(guān)注。中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)在先進(jìn)激光制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會(huì)上提出將智能制造、電子、航空航天、國(guó)防軍工等產(chǎn)業(yè)與激光技術(shù)相結(jié)合，合力打造高規(guī)格、高水平的先進(jìn)激光制造業(yè)并推進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

電子制造技術(shù)飛快發(fā)展，集成電路及其相關(guān)技術(shù)發(fā)展逐步趨向于高密度，尤其以球柵陣列封裝(BGA,ball grid array)芯片為代表，底部焊點(diǎn)直徑越來(lái)越小，焊點(diǎn)數(shù)量越來(lái)越多。因此，該種元器件返修成為行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。韓滿林等人研究了一種利用紅外對(duì)BGA芯片進(jìn)行拆除和利用預(yù)成型方式對(duì)芯片進(jìn)行植球焊接。中船重工集團(tuán)倪宏俊對(duì)BGA返修過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)介紹，提出使用熱氣流的方式對(duì)器件進(jìn)行局部加熱，并依據(jù)不同規(guī)格的芯片更換不同的熱風(fēng)嘴尺寸。劉焱、明正東等人研發(fā)了一種帶視覺(jué)功能的BGA返修臺(tái)，首先，選擇與被拆B(yǎng)GA芯片口徑大小合適的熱風(fēng)頭；然后，將被拆電路板固定在特制治具上；最后，使用視覺(jué)對(duì)中系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)BGA芯片的拆解與焊接。

BGA芯片的返修是一項(xiàng)技術(shù)性與技巧性都很強(qiáng)的操作，而常規(guī)基于熱風(fēng)紅外加熱的拆解與焊接方式存在以下局限性，第一，附帶效應(yīng)明顯：熱風(fēng)加熱裝置的熱影響范圍較大，容易對(duì)周圍的元器件造成影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成周圍元器件虛焊或者脫焊；第二，無(wú)法精確定位：熱風(fēng)的加熱裝置的對(duì)位采取人為觀察，對(duì)位時(shí)間較長(zhǎng)、精度差，極大地降低了返修效率；第三，無(wú)法實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)：熱風(fēng)的溫度控制僅限于出口處風(fēng)的溫度，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件精確測(cè)溫，無(wú)法較好的實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)。針對(duì)以上問(wèn)題，將激光加熱技術(shù)與BGA返修相結(jié)合，通過(guò)高精度的紅外測(cè)溫儀檢測(cè)器件表面的實(shí)時(shí)溫度，基于激光選區(qū)光束整形技術(shù)、模糊控制技術(shù)、PID控制技術(shù)，基于Windows操作系統(tǒng)，運(yùn)用MFC框架設(shè)計(jì)出一種激光選區(qū)BGA型芯片智能溫控返修系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體框架

在BGA型芯片返修過(guò)程中，一般采用熱風(fēng)槍或者紅外對(duì)器件進(jìn)行局部加熱，人工觀察達(dá)到解焊狀態(tài)，迅速用鑷子取下芯片，這種方法存在加熱溫度、加熱范圍、加工時(shí)間不可控等因素。為了降低熱風(fēng)槍的熱影響范圍、提高出風(fēng)口與器件表面的對(duì)位精度、實(shí)現(xiàn)對(duì)器件表面加熱溫度可控，設(shè)計(jì)了一種激光選區(qū)BGA型芯片智能溫控返修系統(tǒng)，該系統(tǒng)整體拓?fù)鋱D如圖1所示。

圖1 BGA型芯片返修溫控系統(tǒng)拓?fù)鋱D

系統(tǒng)主要由上位工控機(jī)控制平臺(tái)、固高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、光束整形系統(tǒng)、溫度采集系統(tǒng)、激光控制系統(tǒng)、影像定位系統(tǒng)六部分組成。在上位工控機(jī)控制平臺(tái)上基于Windows系統(tǒng)開(kāi)發(fā)BGA型芯片返修軟件控制系統(tǒng)，包括影像定位與監(jiān)測(cè)、電機(jī)參數(shù)設(shè)定、激光加熱參數(shù)設(shè)定、溫度監(jiān)測(cè)與曲線顯示、電機(jī)位置調(diào)整、傳送帶運(yùn)動(dòng)控制、文件保存與調(diào)用、工站切換、管理權(quán)限切換等。固高運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要對(duì)光斑中心電機(jī)、光斑位置電機(jī)、光闌尺寸電機(jī)、吸嘴位置電機(jī)、焦距位置電機(jī)、三段式機(jī)械傳動(dòng)電機(jī)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)加工器件精準(zhǔn)定位及加工。光束整形系統(tǒng)是由準(zhǔn)直鏡、光柵、電動(dòng)光闌和調(diào)焦機(jī)構(gòu)組成，根據(jù)器件的尺寸大小自動(dòng)調(diào)節(jié)光斑尺寸，同時(shí)調(diào)整物料表面能量分布。溫度采集系統(tǒng)采用高精度的紅外測(cè)溫儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)器件表面的溫度，并將溫度反饋給上位機(jī)，通過(guò)處理器進(jìn)行分析，通過(guò)固高控制卡輸出信號(hào)控制激光輸出功率。CCD相機(jī)輔助定位，觀察待拆解的器件形狀大小是否和光斑一致，并且可根據(jù)人為在畫(huà)面中繪畫(huà)形狀，相機(jī)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別定位，另外可觀測(cè)器件“塌陷”過(guò)程。BGA型芯片智能返修軟件系統(tǒng)采用MFC設(shè)計(jì)可行的GUI，并使用C++語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)控制程序，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光加工過(guò)程實(shí)時(shí)控制與監(jiān)測(cè)。

2 溫度控制器設(shè)計(jì)

激光選區(qū)BGA型芯片智能溫控返修系統(tǒng)是通過(guò)激光選區(qū)光斑照射的方式對(duì)芯片表面加熱升溫，經(jīng)高精度的紅外測(cè)溫儀對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)溫度實(shí)時(shí)采集，與設(shè)定的最佳溫度比對(duì)，再將結(jié)果反饋給處理器，不斷的調(diào)整激光輸出功率，從而使芯片表面溫度控制在最佳范圍內(nèi)。溫度控制是BGA型芯片自動(dòng)化返修過(guò)程中的關(guān)鍵，采用傳統(tǒng)的閾值控制、PID控制或模糊控制難以滿足時(shí)變非線性系統(tǒng)控制要求，為此，基于PID控制和Fuzzy控制各自優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用Fuzzy控制動(dòng)態(tài)調(diào)整PID控制中、與3個(gè)參數(shù)的Fuzzy-PID控制器。

2.1 Fuzzy-PID溫度控制器基本結(jié)構(gòu)

Fuzzy-PID溫度控制器主要由自整定PID控制器和模糊控制器組成。Fuzzy-PID溫度控制器結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 Fuzzy-PID溫度控制器結(jié)構(gòu)圖

模糊控制器是由輸入量模糊化、建立模糊規(guī)則庫(kù)、模糊推理決策、解模糊組成。自整定PID控制器是比例控制單元、積分控制單元、微分控制單元組成，憑借其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)整方便在工業(yè)控制中廣泛應(yīng)用，連續(xù)控制系統(tǒng)的理想PID控制輸出一般形式為：

(1)

其中:

K

為比例系數(shù)，

T

為積分時(shí)間常數(shù)，

T

為微分時(shí)間常數(shù)，

u

(

t

)表示PID控制器的輸出信號(hào)，

e

(

t

)表示設(shè)定最佳值與實(shí)時(shí)檢測(cè)值的差值。

2.2 Fuzzy-PID控制器的模糊規(guī)則

2.2.1 輸入輸出變量模糊化

設(shè)定與監(jiān)測(cè)溫度差值設(shè)為偏差

e

，溫度差變化率設(shè)為偏差變化率

ec

，將

e

、

ec

變量作為模糊控制器的輸入，PID控制器的3個(gè)參數(shù)

K

、

K

、

K

變化量作為模糊控制器的輸出。定義

e

、

ec

、

K

、

K

、

K

的模糊論域分別為：[-6，6]、[-6，6]、[-4，4]、[-0.3，0.3]、[-0.5，0.5]，在

e

的論域上定義語(yǔ)言變量偏差

E

，在

ec

的論域上定義語(yǔ)言變量誤差變化

EC

，輸入輸出變量的模糊語(yǔ)言值均設(shè)為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}，記為{

NB

、

NM

、

NS

、

ZO

、

PS

、

PM

、

PB

}。

2.2.2 確定隸屬度函數(shù)

隸屬度函數(shù)是模糊控制的應(yīng)用基礎(chǔ)，正確構(gòu)造隸屬度函數(shù)是用好模糊控制的關(guān)鍵。一般遵循，溫差波動(dòng)范圍大選擇低分辨率，溫差波動(dòng)范圍小選擇高分辨率。為了保證溫控系統(tǒng)穩(wěn)定性、魯棒性，溫度控制器中

e

與

ec

的隸屬度函數(shù)設(shè)計(jì)為圖3所示。其中模糊控制器3個(gè)輸出變量

K

、

K

、

K

的隸屬度函數(shù)曲線除論域范圍不一樣，其它與圖3一致。

圖3 e,ec的隸屬度函數(shù)曲線

2.2.3 建立模糊控制表

通過(guò)相關(guān)專家學(xué)者經(jīng)驗(yàn)和BGA型芯片激光選區(qū)溫控返修裝置實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)觀測(cè)，推理得出3個(gè)參數(shù)調(diào)控規(guī)則如表1所示。

表1 Kp、Kd、Ki調(diào)控規(guī)則表

在滿足BGA芯片正常返修的前提下，制定了Fuzzy-PID溫度控制器邏輯規(guī)則表，如表2～4所示。

表2 Kp的模糊控制表

表3 Ki的模糊控制表

表4 Ko的模糊控制表

2.3 PID控制器參數(shù)自整定的模糊推理

依據(jù)PID控制器3個(gè)參數(shù)

K

、

K

、

K

的模糊控制表，得出二維輸入的模糊規(guī)則，每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)49條模糊規(guī)則：if

E

is

E

and

EC

is

EC

then(

K

is

p

)(

K

is

I

)(

K

is

D

)其中:

i

，

j

=1,2,…,7，

E

表示偏差的模糊子集，

E

表示偏差變化率的模糊子集，

P

表示表2中

K

的所有模糊子集，

I

表示表3中

K

的所有模糊子集，

D

表示表4中

K

的所有模糊子集?？捎媚：蛄康牡芽柗e表示模糊關(guān)系

R

描述為：

R

=(

E

×

EC

)×

U

(2)

式中，(

E

×

EC

)為由模糊關(guān)系矩陣(

E

×

EC

)

n

×

m

構(gòu)成的

nm

維行向量，

U

表示模糊控制器某一個(gè)輸出矩陣。將模糊控制規(guī)則看作是或的關(guān)系，按照上述推理方法，求出每條規(guī)則對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系，得出

K

、

K

、

K

控制規(guī)則對(duì)應(yīng)的模糊關(guān)系

Q

、

T

、

S

為：

Q

=

Q

∪

Q

∪

Q

…∪

Q

(3)

T

=

T

∪

T

∪

T

…

TQ

(4)

S

=

S

∪

S

∪

S

…

SQ

(5)

再按照模糊關(guān)系合成運(yùn)算法則，得出模糊控制器輸出模糊集

U

、

U

、

U

分別為：

U

=(

E

×

EC

)·

Q

(6)

U

=(

E

×

EC

)·

T

(7)

U

=(

E

×

EC

)·

S

(8)

式中，“·”為模糊矩陣合成運(yùn)算。類似于普通矩陣乘積運(yùn)算，只是把乘積運(yùn)算換成“取小”，把加法運(yùn)算換成“取大”。

依據(jù)模糊控制關(guān)系矩陣和模糊決策，對(duì)輸出結(jié)果進(jìn)行解模糊，使得到的

K

、

K

、

K

為精確值，采用重心法對(duì)模糊控制向量的模糊判決清晰化，得出模糊控制器輸出如下：

(9)

(10)

(11)

式中，

μ

(

P

)、

μ

(

I

)、

μ

(

D

)分別表示

K

、

K

、

K

模糊分類的隸屬函數(shù)。

2.4 Fuzzy-PID 控制器的具體實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)采用激光加熱技術(shù)，激光加工溫控系統(tǒng)的傳遞函數(shù)可近似為一階慣性環(huán)節(jié)和滯后環(huán)節(jié)的形式。系統(tǒng)傳遞函數(shù)模型為：

(12)

式中，

K

為被控對(duì)象增益系數(shù)，

T

為被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)，

τ

為被控對(duì)象滯后時(shí)間。通過(guò)常用的階躍響應(yīng)法對(duì)BGA型芯片溫控返修系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，再通過(guò)Cohn-Coon公式求解參數(shù)，得出

K

=0

.

74，

T

=16

.

5，

τ

=1.8。根據(jù)系統(tǒng)函數(shù)，在Simulink中搭建Fuzzy-PID控制器數(shù)學(xué)模型，其仿真模型圖如圖4所示。

圖4 Fuzzy-PID仿真模型圖

PID控制器具體實(shí)現(xiàn)是采用增量式數(shù)字PID算法，其形式為：

Δu

(

k

)=

u

(

k

)-

u

(

k

-1)=

K

[

e

(

k

)-

e

(

k

-1)]+

K

e

(

k

)+

K

[

e

(

k

)-2

e

(

k

-1)+

e

(

k

-2)]

(13)

根據(jù)動(dòng)態(tài)參數(shù)特性法和工程經(jīng)驗(yàn)法對(duì)PID控制器進(jìn)行參數(shù)整定和調(diào)節(jié)，最終確定實(shí)驗(yàn)中初值的

K

=3、

K

=2

.

25、

K

=0.4。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 影像定位單元程序設(shè)計(jì)

該單元主要作用方便觀察器件加工整個(gè)過(guò)程及對(duì)器件表面進(jìn)行定位，在相機(jī)視場(chǎng)中觀察到待加工器件，將其移到視場(chǎng)中心，運(yùn)用鼠標(biāo)左鍵圍繞待加工器件邊緣畫(huà)矩形，電動(dòng)光闌系統(tǒng)根據(jù)像素坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，將光斑運(yùn)動(dòng)到待加工器件位置，并且光斑大小形狀與其一致，從而減少加工過(guò)程中對(duì)其它器件的熱影響，實(shí)現(xiàn)區(qū)域化加工。影像定位程序流程如圖5所示。

圖5 影像定位程序流程圖

3.2 全自動(dòng)化控制程序設(shè)計(jì)

工業(yè)產(chǎn)品日趨自動(dòng)化，本系統(tǒng)對(duì)于同種形狀大小的BGA型芯片，加工前調(diào)整一次激光加工參數(shù)和電機(jī)參數(shù)，后續(xù)加工直接可調(diào)用模板參數(shù)，整個(gè)流程即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。

首先，選擇自動(dòng)模式，打開(kāi)模板參數(shù)，開(kāi)始上料投板，到達(dá)加工段，傳感器探測(cè)治具達(dá)到預(yù)定位置，檢測(cè)到位觸發(fā)氣動(dòng)夾具進(jìn)行夾持。

其次，加工裝置自動(dòng)定位到待加工器件位置，電動(dòng)光闌自動(dòng)調(diào)節(jié)光斑，使其完全覆蓋待加工器件外輪廓。

然后，調(diào)用工站模式，依據(jù)預(yù)定溫度曲線對(duì)待返修器件進(jìn)行加工，直到加工完成。

最后，若是拆解工站，啟動(dòng)氣動(dòng)裝置將拆解后的器件放到指定位置，解除夾持，治具運(yùn)動(dòng)至冷卻下料段進(jìn)行冷卻，若是焊接工站，直接觸發(fā)氣動(dòng)夾具擋板下移，解除夾持，治具運(yùn)動(dòng)至冷卻下料段進(jìn)行冷卻。系統(tǒng)全自動(dòng)化流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)全自動(dòng)化流程圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

BGA型芯片返修軟件系統(tǒng)包括圖像模塊、溫度監(jiān)控模塊、電壓轉(zhuǎn)換模塊、運(yùn)動(dòng)控制模塊、調(diào)試功能模塊、數(shù)據(jù)分析模塊、其它模塊。

圖像模塊具有圖像旁軸校正、圖像采集、虛擬框定位功能；溫度監(jiān)控模塊具有中心點(diǎn)溫度反饋、邊緣點(diǎn)溫度反饋功能；電壓轉(zhuǎn)換模塊具有通過(guò)電壓的變化量化激光功率的變化；運(yùn)動(dòng)控制模塊具有光路運(yùn)動(dòng)控制、三段式傳送帶運(yùn)動(dòng)控制、拆解裝置運(yùn)動(dòng)控制功能；調(diào)試模塊具有升溫參數(shù)設(shè)置、電機(jī)位置參數(shù)設(shè)置、各電機(jī)微調(diào)功能；數(shù)據(jù)分析模塊具有對(duì)保存的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看分析功能；其它模塊具有文件保存與調(diào)用、工作模式切換、權(quán)限切換、工站切換功能。系統(tǒng)軟件控制界面圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件控制界面圖

在圖7中，①表示菜單欄模塊，包括文件、分析、測(cè)試、圖像、工作模式、權(quán)限設(shè)置、工站選擇；②表示實(shí)時(shí)溫度—時(shí)間曲線模塊，將③中記錄的數(shù)據(jù)，進(jìn)行曲線分析，更能直面的觀察溫度隨時(shí)間的變化；③表示加熱過(guò)程時(shí)間、溫度、功率列表實(shí)時(shí)顯示模塊，此模塊顯示加熱時(shí)間、采集到的溫度變化以及當(dāng)時(shí)的激光輸出功率變化，便于對(duì)芯片的加熱過(guò)程分析；④表示相機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊，該模塊用來(lái)觀察加熱的整個(gè)過(guò)程；⑤表示像素坐標(biāo)和實(shí)際坐標(biāo)實(shí)時(shí)顯示模塊；⑥表示光斑位置、光斑中心等電機(jī)調(diào)節(jié)模塊；⑦表示運(yùn)動(dòng)流程控制模塊，該模塊包括上料、加熱、停止加熱、下料、解焊、傳送帶停、電機(jī)急停。⑧表示升溫參數(shù)設(shè)置、電機(jī)參數(shù)設(shè)置模塊，根據(jù)不同的作用對(duì)象設(shè)置不同的參數(shù)。依次對(duì)以上模塊進(jìn)行功能測(cè)試，均能滿足要求。

在升溫段，激光參數(shù)設(shè)置中的升溫速率是判斷激光功率大小變換的重要指標(biāo)。設(shè)定升溫速率后，實(shí)時(shí)檢測(cè)實(shí)際升溫速率，若在設(shè)定升溫速率變換范圍內(nèi)，激光輸出功率保持不變；若大于設(shè)定升溫速率上限，激光輸出功率按照功率減量降低；若小于設(shè)定升溫速率下限，激光輸出功率按照功率增量增加。

在保溫段，運(yùn)用設(shè)計(jì)的Fuzzy-PID控制器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制。對(duì)不同的升溫速率作A、B兩組測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖8 升溫速率為“5”系統(tǒng)測(cè)試圖

圖9 升溫速率為“15”系統(tǒng)測(cè)試圖

從系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果上看，A組測(cè)試時(shí)長(zhǎng)大約125 s，B組測(cè)試時(shí)長(zhǎng)大約150 s。升溫速率可通過(guò)升溫段的傾斜角觀察出，和預(yù)測(cè)的結(jié)果保持一致。升溫速率設(shè)置越小，實(shí)際溫度上升越快；升溫速率設(shè)置越大，實(shí)際溫度上升越慢。在保溫段，運(yùn)用Fuzzy-PID控制器后，觀察到溫度曲線平滑穩(wěn)定，誤差小，從而實(shí)現(xiàn)了熱影響范圍可控、芯片對(duì)位精準(zhǔn)、加熱溫度閉環(huán)的BGA型芯片智能返修系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)了解BGA型芯片返修臺(tái)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，分析此種類型芯片返修的技術(shù)需求，基于激光選區(qū)和Fuzzy-PID溫控技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種激光選區(qū)BGA型芯片智能溫控返修系統(tǒng)。通過(guò)在Windows操作系統(tǒng)下，采用MFC編寫(xiě)軟件控制系統(tǒng)的GUI，采用C++編寫(xiě)上位機(jī)控制與監(jiān)測(cè)軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫度、激光、電機(jī)、相機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單、運(yùn)行穩(wěn)定、時(shí)延較短、自動(dòng)化程度高，且可控性強(qiáng)，對(duì)BGA型芯片的返修具有良好的實(shí)用價(jià)值。在后續(xù)工作中，對(duì)拆解與焊接操作步驟進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出更加簡(jiǎn)單、可靠、穩(wěn)定的返修系統(tǒng)。