基于AD630的阻抗在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁 毅，紀(jì)青松，崔 潔

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十五研究所，北京100176)

自20世紀(jì)90年代以來，作為IT 產(chǎn)業(yè)動(dòng)力源的微電子產(chǎn)業(yè)得到了飛速發(fā)展，其中芯片封裝產(chǎn)業(yè)變得更為重要，引線鍵合機(jī)在電子封裝過程中有著重要的地位，引線鍵合技術(shù)具有生產(chǎn)成本低，精度高，以及焊點(diǎn)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，成為芯片后封裝的主流工藝。在鍵合過程中，對(duì)芯片引腳阻抗的實(shí)時(shí)監(jiān)測具有十分重要的意義。交流阻抗法，是用一種以小振幅的正弦波電流或電壓信號(hào)作激勵(lì)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擾動(dòng)，然后測定其響應(yīng)信號(hào)的測量方法。交流阻抗法是在一個(gè)穩(wěn)態(tài)下施加一個(gè)小的擾動(dòng)，是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)方法。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可避免擾動(dòng)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，使擾動(dòng)與系統(tǒng)的響應(yīng)之間保持近似的線性關(guān)系，從而使測量結(jié)果的數(shù)學(xué)處理變得簡單[2-4]。

1 阻抗模型的建立及其意義

阻抗模型包含可以表示測量芯片引腳性能的大量信息，建立正確的芯片引腳阻抗模型具有重要意義。由電子學(xué)知識(shí)我們知道滿足阻抗三個(gè)基本條件的電學(xué)元件只有三種：電阻、電容、電感。芯片的每一個(gè)引腳都具有特定的阻抗，或者說每個(gè)引腳具有特定的傳遞函數(shù)，在控制理論中研究者用傳遞函數(shù)來描述對(duì)物理系統(tǒng)的擾動(dòng)與物理系統(tǒng)響應(yīng)之間的關(guān)系，故當(dāng)給每個(gè)傳遞函數(shù)不同的引腳施加相同的擾動(dòng)后所得到的響應(yīng)肯定是不同的，由此可以得到如下結(jié)論：擾動(dòng)施加在每個(gè)引腳上的響應(yīng)與擾動(dòng)施加在阻抗無窮大的引腳上的響應(yīng)是不同的，這便是阻抗模型在引線鍵合過程中的意義所在。可以通過對(duì)不同模型響應(yīng)的變化來判斷焊線是否成功，焊線不成功阻抗為無窮大，焊線成功后阻抗明顯降低。圖1為電阻和電容并聯(lián)的阻抗譜圖，圖2為電阻和電感并聯(lián)的阻抗譜圖，圖3為某芯片引腳的等效電路，圖4為某芯片引腳的阻抗譜圖。

圖1 (RC)阻抗復(fù)平面圖

圖2 (RL)阻抗復(fù)平面圖

圖3 某芯片引腳的阻抗模型

圖4 某芯片引腳阻抗譜圖

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及測量原理

在提出阻抗測量的基本思想和設(shè)計(jì)原理之后，需要對(duì)阻抗監(jiān)測系統(tǒng)有一個(gè)總體的規(guī)劃，具體表現(xiàn)為比較大的模塊設(shè)計(jì)，阻抗測量頻率的選取以及信號(hào)的大小等參數(shù)指標(biāo)的設(shè)計(jì)。具體到電路的設(shè)計(jì)上，作者參考了近幾年主要內(nèi)阻測試電路以及原理，具體實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)大擾動(dòng)源信號(hào)范圍，增加CPLD 控制以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)控制?？傮w規(guī)劃主要模塊包括四部分：

（1）信號(hào)發(fā)生模塊，該模塊主要產(chǎn)生需要的交流信號(hào)；

（2）相關(guān)運(yùn)算電路模塊，由AD630 實(shí)現(xiàn)；

（3）信號(hào)采集模塊，相關(guān)運(yùn)算之后產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)過濾波和放大后輸入A/D；

（4）信號(hào)處理及上下位機(jī)通信模塊。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 測量系統(tǒng)框架圖

2.1 信號(hào)發(fā)生模塊

在阻抗測量中，通常采用對(duì)被測物體施加小信號(hào)交流電流信號(hào)，測量其兩端電壓信號(hào)。為了準(zhǔn)確測量阻抗，對(duì)不同的模型可能采用不同信號(hào)頻率，為此設(shè)計(jì)多達(dá)5 種不同的頻率，經(jīng)檢驗(yàn)?zāi)軡M足本常見的芯片檢測。交流信號(hào)源模塊通過DDS 產(chǎn)生正弦電壓信號(hào)。DDS（Direct Digital Synthesizer）是采用數(shù)字化技術(shù)，通過控制相位的變化速度，具有低成本、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，可以直接產(chǎn)生各種不同頻率信號(hào)的一種頻率合成方法。DDS 的基本結(jié)構(gòu)如圖6所示，它主要由控制字、相位累加器、波形存儲(chǔ)器即正弦ROM 表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。

圖6 DDS 原理圖

AD9834 是一款75 MHz、低功耗DDS 器件，能夠產(chǎn)生高性能正弦波和三角波輸出。AD9834 提供相位調(diào)制和頻率調(diào)制功能，頻率寄存器為28位；時(shí)鐘速率為75 MHz，可以實(shí)現(xiàn)0.28 Hz 的分辨率。同樣，時(shí)鐘速率為1 MHz 時(shí)，AD9834 可以實(shí)現(xiàn)0.004 Hz 的分辨率。影響頻率和相位調(diào)制的方法是通過串行接口加載寄存器，然后通過FSELECT/PSELECT 引腳切換寄存器。AD9834 通過一個(gè)三線式串行接口寫入數(shù)據(jù)。該串行接口能夠以最高40 MHz 的時(shí)鐘速率工作，并且與DSP 和微控制器標(biāo)準(zhǔn)兼容。該器件采用2.3 V 至5.5 V 電源供電。模擬和數(shù)字部分彼此獨(dú)立，可以采用不同的電源供電；其具體電路如圖7。

圖7 AD9834 產(chǎn)生頻率可變信號(hào)電路圖

2.2 相關(guān)運(yùn)算及相敏檢波器

相關(guān)反映了兩個(gè)函數(shù)由一定關(guān)系，如果兩個(gè)函數(shù)的乘積對(duì)時(shí)間的積分不為零，則表明這兩個(gè)函數(shù)相關(guān)。相關(guān)按概念分為自相關(guān)和互相關(guān)，微弱信號(hào)中一般采用抗干擾能力強(qiáng)的互相關(guān)檢測。

放大后的參考信號(hào)為：

其中A 為放大器增益。

經(jīng)被測物體后放大電壓為：

其中B 為放大器增益，n(t)為噪聲。電路設(shè)計(jì)如圖6。

利用相關(guān)運(yùn)算法進(jìn)行計(jì)算，原理如下：

設(shè)X(t)是伴有噪聲的周期信號(hào)，即：

其中，S(t)為有用信號(hào)，其幅值為A，角頻率為ω，初相角φ，N(t)為隨機(jī)噪聲。

參考正弦信號(hào)為：Y(t)=B sinω(t+τ)，其中τ是時(shí)間位移。則兩者的相關(guān)函數(shù)為：

由于參考信號(hào)Y(t)與隨機(jī)噪聲N(t)互不相關(guān)，所以Rny(τ)=0，于是有：Rxy(τ)=cos(ωt+φ)，從而得出Rxy(τ)正比于有用信號(hào)的幅值。

鎖相放大器的核心部分是相敏檢波器（phase-sensitive detector，簡稱PSD），也有稱它為混頻器（mixer），它實(shí)際上是一個(gè)乘法器。加在信號(hào)輸入端的信號(hào)經(jīng)濾波器會(huì)晤調(diào)諧放大器后加到PSD的一個(gè)輸入端。在參考輸入端加一個(gè)與被測信號(hào)頻率相同的正弦波（或方波）信號(hào)，經(jīng)觸發(fā)整形和移相變成方波信號(hào)，加到PSD 的另一個(gè)輸入端。

相關(guān)器采用AD 公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度的平衡調(diào)制器，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr 薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性。它的信號(hào)處理應(yīng)用包括平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢測、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大和方波乘法等。AD630 邏輯圖如圖8所示，其內(nèi)部可以被認(rèn)為是集成了兩個(gè)前置放大器，一個(gè)用來選通前置放大器的精密比較器，一個(gè)作為多路選擇開關(guān)以及輸出級(jí)積分運(yùn)算放大器。擁有高切換速度和快速穩(wěn)定的線性放大器，由于比較器的響應(yīng)時(shí)間快速，可使開關(guān)失真降至最低。此外，還有極低的通道間串?dāng)_。AD630 通常用于高精度的信號(hào)處理以及動(dòng)態(tài)范圍寬的儀器設(shè)備。在鎖相放大電路中，當(dāng)其用作同步解調(diào)器時(shí)，可以恢復(fù)在100 dB 噪聲背景下的微弱信號(hào)，其電路連接見圖9。

圖8 AD630 原理圖

圖9 AD630 電路圖

圖10 AD630 輸入及輸出波形圖

3 結(jié)果及分析

該系統(tǒng)在生產(chǎn)線已經(jīng)連續(xù)使用一年時(shí)間，效果良好，起到了監(jiān)控效果，圖11是某芯片在焊接過程中系統(tǒng)監(jiān)測到的阻抗變化，也可以將數(shù)據(jù)通過串口或者網(wǎng)口傳送給上位機(jī)，更加方便的使用。

圖11 芯片焊接過程系統(tǒng)監(jiān)測圖

4 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)采用DSP 與CPLD 作為核心處理器，在數(shù)據(jù)處理上有較大優(yōu)勢(shì)，完全可以滿足封裝設(shè)備高速化的要求，且外圍電路設(shè)計(jì)比較簡單，可以進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展。該監(jiān)測具有體積小、質(zhì)量輕、智能化特性，可移植性好等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)然設(shè)計(jì)中存在一些問題，如：某些芯片引腳阻抗很大，超過了20 MΩ，這時(shí)候系統(tǒng)監(jiān)測便失去了作用。一些阻抗模型中存在容性或感性成分比較明顯時(shí)，高頻率是有用的，但這也對(duì)系統(tǒng)測量帶寬提出了更高的要求。

[1]胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[2]薛定宇.控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[3]董艷陽.自動(dòng)阻抗測量儀工作原理及阻抗測量方法[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2002，5(163)：24-26.

[4]貝文頓.數(shù)據(jù)處理與誤差分析[M].北京：知識(shí)出版社，1986.

[5]張佳民，趙莎.基于DDS 技術(shù)的蓄電池內(nèi)阻測量方法的研究[J].儀表技術(shù)與傳感器，2008(9)：81-82.

[6]孫傳友，孫曉斌，張一.感測技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.

[7]余成波，陶艷紅.數(shù)字信號(hào)處理及MATLAB 實(shí)現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2008.