面向電子器件平行封裝的精密微電阻縫焊電源設(shè)計(jì)

熊明權(quán)，張瑞，黃海松，楊凱

(貴州大學(xué)，現(xiàn)代制造技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴陽(yáng) 550025)

0 前言

電阻縫焊是指將一對(duì)圓盤(pán)狀滾輪作為電極，通過(guò)滾輪壓緊工件、滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)工件運(yùn)動(dòng)，通過(guò)電源施加連續(xù)或斷續(xù)焊接能量，在壓力和能量作用下形成熔核相互搭疊的密封焊縫的焊接方法。電阻縫焊具有操作簡(jiǎn)單、設(shè)備成本低、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于油桶、罐頭罐、暖氣片等密封容器的薄板焊接和電子器件封裝工藝[1-4]。

近年來(lái)，隨著電子器件微型化發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)焊縫密封性優(yōu)異、焊點(diǎn)一致性高和外觀美觀，要求焊接過(guò)程中焊接能量、時(shí)間和脈沖頻率更加精密可控。目前，縫焊電源多采用多脈沖恒流輸出，能量輸出方式單一，無(wú)法實(shí)現(xiàn)分流狀態(tài)下的能量補(bǔ)償[5-8]。工作頻率是逆變電源的重要指標(biāo)，工作頻率越高，電源動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度越快、能量和時(shí)間控制更精細(xì)，電源開(kāi)關(guān)損耗越高[9-11]。目前，電阻縫焊逆變電源工作頻率多為1～5 kHz，電源輸出脈沖放電時(shí)間較長(zhǎng)（＞ 2 ms），難以滿足1 ms內(nèi)的高速焊接放電需求。因此，為滿足上述要求，有必要研制一種高頻逆變精密微電阻縫焊電源。

文中基于電子器件平行封裝微電阻焊接機(jī)理分析縫焊電源的負(fù)載特性，并提出多階段脈沖輸出波形控制方案?；谌珮蚰孀兒腿ㄕ麟娐吩O(shè)計(jì)電源主電路拓?fù)?，采用有限雙極性方法實(shí)現(xiàn)功率開(kāi)關(guān)器件的高頻軟開(kāi)關(guān)，降低開(kāi)關(guān)損耗。基于高性能雙MCU控制器設(shè)計(jì)嵌入式控制系統(tǒng)，具備電壓、電流、功率等多種能量輸出控制模式，并實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程能量曲線的可視化監(jiān)控。基于模糊PID控制算法，實(shí)現(xiàn)負(fù)載變化條件下高速脈沖輸出能量的高一致性。通過(guò)電源輸出電特性測(cè)試和電子晶振微電阻縫焊工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證電源輸出的精確可控性與負(fù)載適應(yīng)性。

1 電源負(fù)載特性及其波形控制方案

1.1 電源負(fù)載特性分析

圖1為電子器件平行縫焊模型與成形機(jī)理。電子元器件平行封裝模型與工作示意圖如圖1a所示，在真空或保護(hù)氣體環(huán)境下，將電子器件（石英晶體、微電子傳感器和光電子等）放入底座后、在底座上方加蓋板，通過(guò)對(duì)底座和蓋板的接觸部位進(jìn)行電阻縫焊實(shí)現(xiàn)電子器件的氣密性封裝。

圖1 電子器件平行縫焊模型與成形機(jī)理

蓋板與金屬外框進(jìn)行縫焊時(shí)，利用2個(gè)微型平行圓錐形滾輪作為正負(fù)電極，通過(guò)電極在蓋板與金屬外框的接觸區(qū)域施加微小壓力，并將脈沖焊接電流從正電極通過(guò)蓋板和底座到達(dá)負(fù)電極形成電流回路，在流經(jīng)蓋板與電極接觸處產(chǎn)生焦耳熱，使蓋板與金屬外框之間局部熔融形成焊點(diǎn)；通過(guò)匹配控制滾輪轉(zhuǎn)速與放電脈沖頻率，使前后焊點(diǎn)疊搭在一起，形成一條魚(yú)鱗狀的焊縫，如圖1b所示。

由圖1可知，蓋板和底座縫焊的起始和結(jié)束位置位于器件的邊角處，存在重復(fù)焊接的現(xiàn)象，此位置對(duì)單次焊接脈沖能量要求較低?？p焊前期由于熱量累積較少，并且相鄰焊點(diǎn)的距離較小，分流現(xiàn)象嚴(yán)重，需要較大的穩(wěn)定輸出脈沖能量[12]。焊接過(guò)程中滾輪在焊點(diǎn)的停留時(shí)間較短，焊點(diǎn)處的散熱條件較差，長(zhǎng)時(shí)間保持較大脈沖能量輸出易造成嚴(yán)重的熱量積累，影響焊點(diǎn)的一致性，甚至出現(xiàn)燒穿、過(guò)熱組織等缺陷，后期應(yīng)適當(dāng)降低脈沖能量。熔核成形過(guò)程中，隨著滾輪離開(kāi)焊接區(qū)域，熔核區(qū)域壓力不斷減小，易產(chǎn)生縮孔，盡管前一個(gè)焊點(diǎn)的縮孔被后一個(gè)焊點(diǎn)的熔化金屬填充，但最后一個(gè)焊點(diǎn)的縮孔是難以避免的，縮孔的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致焊縫的密封可靠性降低，通過(guò)在收尾部分逐漸降低焊接能量可解決縮孔問(wèn)題[13-14]。

1.2 電源輸出波形控制方案

通過(guò)電源負(fù)載特性分析可知，焊接過(guò)程中焊點(diǎn)分流、熱積累及焊接位置的差異，各焊點(diǎn)所需焊接脈沖能量不同，為得到一致性好的魚(yú)鱗狀焊縫，電源輸出脈沖能量需要階段調(diào)整。文中采用圖2所示的電源輸出波形控制方案，該方案將焊接過(guò)程分為上升、穩(wěn)定Ⅰ、下降Ⅰ、穩(wěn)定Ⅱ、下降Ⅱ5個(gè)階段，每個(gè)階段的脈沖個(gè)數(shù)（n1～n5）、脈沖能量（I1～I(xiàn)4）、脈沖放電時(shí)間（th）和脈沖間隔時(shí)間（tc）都可進(jìn)行精密調(diào)節(jié)。

圖2 電源輸出波形控制示意圖

圖2所示波形控制方案中，上升階段對(duì)應(yīng)縫焊起始階段，針對(duì)重復(fù)焊接的問(wèn)題，為避免過(guò)熔，起始焊接脈沖能量（I1）較低；縫焊前期，為減小分流現(xiàn)象的影響，脈沖能量逐漸增加至較大的脈沖能量值（I2），后保持穩(wěn)定（穩(wěn)定階段Ⅰ），此時(shí)焊接區(qū)域熱量積累較少，進(jìn)入熱平衡階段，持續(xù)穩(wěn)定的脈沖能量輸出可保證較優(yōu)的熔核一致性；為解決持續(xù)較大能量輸出導(dǎo)致的熱積累嚴(yán)重問(wèn)題，逐漸降低脈沖能量至I3，恢復(fù)至熱平衡，減小熱積累對(duì)焊縫的影響；達(dá)到熱平衡后，繼續(xù)保持穩(wěn)定的脈沖電流進(jìn)行焊接（穩(wěn)定階段Ⅱ），保證熔核質(zhì)量；下降階段Ⅱ?qū)?yīng)縫焊結(jié)束階段，與縫焊起始階段相似，通過(guò)逐漸降低電流，避免收尾處過(guò)熔，同時(shí)解決最后一個(gè)焊點(diǎn)出現(xiàn)縮孔的問(wèn)題。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 電源整體方案設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程脈沖能量、脈沖時(shí)間、脈沖放電頻率等參數(shù)的精確控制，電源采用的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表1。

表1 電源設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

基于表1的技術(shù)指標(biāo)，論文設(shè)計(jì)的電源總體系統(tǒng)方案如圖3所示。包括主電路和控制系統(tǒng)兩部分，其中主電路包括單相整流電路、濾波電路、全橋逆變電路、高頻變壓器、全波輸出整流電路；控制系統(tǒng)包含硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，硬件電路主要包含最小控制系統(tǒng)、供電電路、反饋信號(hào)采樣電路、IGBT驅(qū)動(dòng)電路、人機(jī)交互系統(tǒng)、通信電路、異常保護(hù)電路、輸入輸出電路等。其中，人機(jī)交互系統(tǒng)采用8英寸彩色觸摸屏實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)顯示、修改和存儲(chǔ)，可實(shí)現(xiàn)焊接電流、電壓、功率和電阻曲線的實(shí)時(shí)顯示。

圖3 電源總體系統(tǒng)框架

2.2 主電路設(shè)計(jì)

電源的主電路拓?fù)淙鐖D4所示，單相220 V電壓輸入后經(jīng)整流濾波輸入IGBT全橋逆變電路轉(zhuǎn)換為10 kHz方波電壓，后經(jīng)變壓器T降壓后進(jìn)行全波整流，輸出脈沖直流電壓用于焊接。為降低高頻開(kāi)關(guān)損耗和抑制高頻變壓器占空比丟失，全橋逆變電路采用有限雙極性控制策略，具體電路工作模態(tài)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[15-17]。為抑制變壓器偏磁現(xiàn)象，變壓器初級(jí)串聯(lián)電容隔離直流分量。

圖4 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出能量、脈沖頻率的精準(zhǔn)控制，電源采用基于雙MCU架構(gòu)的STM32H745芯片作為控制核心，M4內(nèi)核用于工藝參數(shù)儲(chǔ)存、過(guò)程數(shù)據(jù)采集、處理、存儲(chǔ)與通信，M7內(nèi)核用于電源的反饋控制、故障診斷與保護(hù)。系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，以滿足不同焊接工藝要求，系統(tǒng)軟件總體框圖如圖5所示，通過(guò)主程序?qū)Ω鞴δ苣K的調(diào)用，實(shí)現(xiàn)了焊接工藝時(shí)序、信號(hào)采樣及處理、多模式控制、外部通信、故障診斷等功能的協(xié)調(diào)工作。

圖5 系統(tǒng)軟件總體框圖

2.4 脈沖能量反饋控制算法

電阻焊過(guò)程是典型的時(shí)變非線性系統(tǒng)，電源負(fù)載變化較大，系統(tǒng)輸出存在較大的偏差，若使用常規(guī)的PID控制，會(huì)造成積分積累，出現(xiàn)較大超調(diào)量，且調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法滿足焊接電源快速、穩(wěn)定、精準(zhǔn)的輸出要求。

模糊自適應(yīng)PID能根據(jù)實(shí)際的焊接情況，運(yùn)用模糊推理，實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載特性下的PID參數(shù)自整定，減小超調(diào)量，縮短調(diào)整時(shí)間，可較大地提升控制系統(tǒng)的負(fù)載適應(yīng)性。

電源采用的控制算法框圖如圖6所示，當(dāng)輸入誤差變化量e(t)和誤差變化率ec(t)后，經(jīng)過(guò)模糊推理得出被控對(duì)象的模糊值，使用加權(quán)平均法進(jìn)行解模糊，得出精確輸出值。最后將模糊控制器輸出的ΔKp，ΔKi，ΔKd與初始PID參數(shù)相加，得出調(diào)整后的控制參數(shù)Kp，Ki，Kd實(shí)現(xiàn)PID參數(shù)的自整定。

圖6 控制算法框圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)與試驗(yàn)方法

為驗(yàn)證電源的輸出控制精度、穩(wěn)定性及控制算法的可靠性，基于大功率模擬負(fù)載（500 μΩ，5 000 W），高分辨率示波器（DSO-X 2002 A）、數(shù)據(jù)處理軟件（Origin）等搭建測(cè)試平臺(tái)，采集不同控制模式及工藝參數(shù)的負(fù)載電流、電壓數(shù)據(jù)，利用Origin軟件對(duì)不同控制模式下單脈沖及遞增脈沖輸出時(shí)的輸出特性進(jìn)行分析。

3.2 電源輸出特性分析

3.2.1 不同控制模式下單脈沖電特性分析

不同控制模式下電源輸出脈沖電特性曲線如圖7所示。恒流控制模式下（圖7a），隨著輸出電流快速達(dá)到設(shè)定值，電壓和功率先升高再緩降達(dá)到穩(wěn)定，由Q=I2Rt可知開(kāi)始時(shí)負(fù)載電阻溫度升高，電阻變大，因此輸出電壓會(huì)在輸出電流達(dá)到穩(wěn)定后繼續(xù)上升；恒壓控制模式下（圖7b），電流和功率曲線在上升的過(guò)程中沒(méi)有過(guò)沖現(xiàn)象，但上升過(guò)程比較緩慢，這是由于輸出負(fù)載的擾動(dòng)需要轉(zhuǎn)換為輸出電壓的擾動(dòng)才能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采樣反饋來(lái)進(jìn)行控制，導(dǎo)致系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢；恒功率控制模式（圖7c），通過(guò)對(duì)電壓和電流的反饋，實(shí)現(xiàn)功率的穩(wěn)定輸出。同時(shí)可以看出這3種控制模式下輸出能量在1 ms內(nèi)調(diào)控到設(shè)定值，目前有關(guān)縫焊電源的輸出調(diào)控時(shí)間為2 ms[14]，相比之下，所研制的電源在輸出調(diào)控時(shí)間上有一定的提升，并且無(wú)振蕩現(xiàn)象，輸出穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)精確控制。焊接能量由焊接電流決定，但對(duì)于不平整的焊接面，恒流模式易產(chǎn)生飛濺，因此恒流模式適用于焊接面平整、接觸電阻小及焊接時(shí)間短的焊件。由Q=U2/Rt可知，恒壓模式可以解決長(zhǎng)時(shí)間焊接導(dǎo)致的熱積累問(wèn)題，同時(shí)可以解決非平整面使電流密度大導(dǎo)致的飛濺問(wèn)題，適用于焊接時(shí)間長(zhǎng)、熱積累明顯的焊接中。恒功率模式輸出穩(wěn)定，適用于長(zhǎng)時(shí)間、電極及焊件熱量對(duì)焊接區(qū)影響較大的場(chǎng)合中。因此，焊接電源實(shí)現(xiàn)了在不同控制模式下的短時(shí)間脈沖能量精確控制，適用于微小零部件的精密焊接。

圖7 不同控制模式下電源輸出脈沖電特性曲線

3.2.2 電流遞增輸出模式脈沖電流峰值控制

圖8為電流遞增輸出模式下的脈沖電流輸出曲線，以分析電源在連續(xù)脈沖輸出時(shí)的穩(wěn)定性及驗(yàn)證模糊自適應(yīng)PID控制算法的控制效果。

圖8 電流遞增輸出模式下脈沖電流峰值效果對(duì)比

圖8a為模糊自適應(yīng)PID控制下的電流遞增輸出波形，從100 A開(kāi)始，以100 A為步長(zhǎng)，逐漸遞增至2 800 A，可以看出電流輸出穩(wěn)定，過(guò)沖現(xiàn)象不明顯；圖8b為傳統(tǒng)PID控制下的輸出波形，輸出電流同樣能達(dá)到輸出設(shè)定值，但隨著輸出電流的逐漸遞增，出現(xiàn)不同程度的過(guò)沖現(xiàn)象。

圖8c為模糊PID與傳統(tǒng)PID的輸出脈沖電流曲線對(duì)比，脈沖電流值分別為500 A，1 000 A，1 500 A，初始PID參數(shù)以500 A輸出電流進(jìn)行整定，隨著輸出電流的逐漸增大，傳統(tǒng)PID控制出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象，對(duì)峰值電流的抑制效果較差，而模糊自適應(yīng)PID控制無(wú)明顯過(guò)沖現(xiàn)象，較好地抑制了峰值電流，這是由于傳統(tǒng)PID無(wú)法隨負(fù)載特性的變化對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行自整定，導(dǎo)致積分積累，使系統(tǒng)超調(diào)加大，出現(xiàn)振蕩，而模糊自適應(yīng)PID控制以誤差及誤差變化率作為輸入，能快速的響應(yīng)輸出變化，對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行模糊推理，動(dòng)態(tài)地適應(yīng)負(fù)載特性變化，有效地抑制過(guò)沖現(xiàn)象及振蕩。

圖8d為模糊PID與傳統(tǒng)PID控制算法的峰值電流與設(shè)定電流的差值曲線，傳統(tǒng)PID的峰值電流差值隨著輸出的逐漸增加而增大，而模糊自適應(yīng)PID的峰值電流差值比較穩(wěn)定，對(duì)峰值電流的控制效果較好。因此，模糊自適應(yīng)PID有效的抑制了多階段輸出時(shí)的峰值電流，無(wú)明顯過(guò)沖，使得在連續(xù)多階段輸出時(shí)輸出能量穩(wěn)定、精準(zhǔn)。

3.3 石英晶體電子封裝工藝應(yīng)用

采用表2中的焊接工藝參數(shù)對(duì)尺寸為9mm×9mm的晶振進(jìn)行平行縫焊試驗(yàn)，以檢驗(yàn)電源的穩(wěn)定性及負(fù)載適應(yīng)性，電源輸出采用恒流脈沖控制模式。

表2 石英晶體電子封裝工藝參數(shù)

圖9為石英晶體實(shí)際焊接時(shí)的電特性曲線，圖9a為實(shí)際焊接脈沖電流進(jìn)行有效值處理后進(jìn)行擬合得到的曲線，圖9b為實(shí)際脈沖電流有效值與設(shè)定值的偏差曲線，可以看出在連續(xù)輸出下，輸出波形沒(méi)有出現(xiàn)異常波動(dòng)，有效值偏差率保持在±0.5%以內(nèi)，穩(wěn)定性好。

圖9 石英晶體電子封裝過(guò)程電特性曲線

石英晶體電子封裝效果如圖10所示，圖10a為石英晶振樣品，圖10b和圖10c為焊接試樣的焊縫效果圖，可以看出，焊縫表面光滑，成形均勻，魚(yú)鱗紋清晰，相鄰焊縫間距達(dá)微米級(jí)，保證了焊縫的致密性，且沒(méi)有明顯的焊接缺陷。在實(shí)際焊接中，可根據(jù)實(shí)際的焊接需求對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，以得到優(yōu)質(zhì)的焊縫。

圖10 石英晶體電子封裝效果圖

4 結(jié)論

（1）研制了一種多輸出模式的精密微電阻縫焊電源，其最大輸出電流3 000 A，逆變頻率10 kHz，能在1 ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定輸出，控制響應(yīng)速度快、負(fù)載適應(yīng)性強(qiáng)。

（2）采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，有效地解決了傳統(tǒng)PID控制在多階段焊接過(guò)程中由于積分積累出現(xiàn)過(guò)沖的問(wèn)題，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）對(duì)石英晶體進(jìn)行縫焊試驗(yàn)，輸出電流有效值偏差率在±0.5%以內(nèi)，相鄰熔核堆疊距離達(dá)到24 μm精度，獲得了較優(yōu)質(zhì)的魚(yú)鱗紋焊縫。