CN101118448A - 一种多路高精度温度控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多路高精度温度控制器，由接口板和温度控制板组成，用于倒装键合热压固化。温度控制板包括采集模块、驱动模块、存储器模块、控制模块、通讯模块和电源模块。工控机设定热压头工作温度，通过接口板和通讯模块将设定值输出到控制模块。采集模块将铂热电阻采集的热压头温度值输出到控制模块，同时对传感器的温度特性进行线性化处理。控制模块将温度设定信号与采集的温度信号相比较，其差分信号经过PID运算产生控制信号输出到驱动模块。驱动模块采用PWM方式控制场效应管驱动热压头的发热元件。本发明可在0～300℃温度变化范围对热压头实现±1℃的温度控制精度，并可通过扩展接口板、温度控制板和热压头最多实现对2048个热压头的温度控制。
Description
技术领域
本发明属于半导体封装装备制造领域，具体涉及一种多种高精度温度控制器，它尤其适用于倒装键合机热压固化过程对多个热压头的高精度温度控制，也适用于其它需要高精度温度控制的仪器和装备制造领域。
背景技术
倒装键合(Flip Chip)是芯片以凸点阵列结构与基板直接安装互连的一种方法，主要有热超声键合、再回流焊、导电胶键合等工艺过程。其中，导电胶键合基于各向同性导电胶(Isotropic Conductive Adhesive，ICA)、各向异性导电胶(Anisotropic Conductive Adhesive，ACA)和不导电胶(NonConductive Adhesive，NCA)等，具有工艺简单、低温连接、适应柔性基板、绿色环保等特点，实现了电子元器件大批量、低成本、高效封装，已广泛应用于射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)电子标签封装等领域。
使用导电胶进行芯片互连时，首先在相应的凸点和焊盘之间涂覆适量的导电胶，然后利用热、光或微波使胶固化，并通过施加一定的压力使其导电粒子和芯片凸点及基板焊盘之间形成导电通路，以实现芯片和基板之间的机械与电气连接。在导电胶热压固化过程中，热压头的温度控制精度直接影响芯片的封装质量、可靠性和效率。如果温度过低，导电胶将不能融化完全，影响粘接质量；如果温度过高，则会超过基板承受温度，导电胶因融化速度过快而使导电粒子分布不均匀，同时会使导电粒子破裂。上述情况都会影响导电胶互连的机械强度和电气连接可靠性。另外，由于导电胶加热固化所需时间较长(10～15s)，通常采用多个热压头同时对多个芯片加热的并行作业方式来提高生产效率。因此，设计一个用于导电胶热压固化过程的多路高精度温度控制器对于导电胶键合工艺实现十分重要，也是RFID倒装键合装备研发的难点之一。
已有的温度控制器设计方案(如专利文献03224231.X，CN2072244U，CN1453674A等)在0～100℃温度变化范围内可以实现较高的控制精度，但不能满足导电胶热压固化所需的0～300℃温度变化范围内±1℃的控制精度要求。现有的多路温度控制方案大多采用多个单路温度控制器组合的方式实现，存在结构复杂、体积较大、成本高等不足，不能满足RFID倒装键合装备的低成本、高效产生要求。
发明内容
本发明的目的在于克服以上困难，提供一种多路高精度温度控制器，该温度控制器在0～300℃温度变化范围内同时对多个热压头实现±1℃的控制精度，并可以很方便地扩充到对高达2048个热压头的温度控制。
本发明提供的多路高精度温度控制器，其特征在于：该温度控制器包括有1～32块接口板，每块接口板连接有1～8块温度控制板，每块温度控制板用于连接1～8个热压头；所述温度控制板通过所述接口板与工控机连接，对热压头进行温度控制；所述温度控制板包括存储器模块、通讯模块、控制模块、驱动模块、电源模块和采集模块；其中，
所述通讯模块通过串口通讯实现接口板与工控机的双向通讯，并与所述控制模块双向通讯，实现对热压头工作温度的设定；
所述采集模块用于连接热压头，实时测量热压头的温度，将温度信号转换成电压信号，并进行校正，输出电压值给所述控制模块；
所述控制模块采用单片机，用于接收所述通讯模块发送的设定温度值，它接收所述采集模块发送的温度采集信号，将采集温度与设定温度值进行对比，计算出脉冲宽度调制的占空比，并输出给所述驱动模块；
所述驱动模块根据所述控制模块输出的脉宽宽度调制波，控制热压头中发热元件的电流导通，实现加热控制；
所述电源模块为所述控制模块提供电压；
所述存储器模块与所述控制模块连接，用于掉电状态下的系统数据存储。
本发明具有以下优点：
(1)本发明在采集模块中对温度传感器进行线性化处理，控制模块使用PWM控制方式，实现温度信号的高精度控制；当控制模块选用内置12位AD转换器的单片机时，可以实现温度信号的高精度采集。
(2)本发明采用接口板、温度控制板和热压头等模块化组合方式实现对高达2048个热压头的温度控制，并通过串口通讯实现温度控制板、接口板、工控机之间的通讯，能方便地应用于多点、阵列式以及温度场控制。
(3)本发明具有自保护功能。在温度失控时，系统会给工控机传送报警信号，并自行切断加热电源，以确保加热头不会因为过热而损坏。
附图说明
图1为本发明温度控制器与工控机、热压头连接示意图。
图2为温度控制器的温度控制板模块组成示意图。
图3为温度控制板的采集模块电路图。
图4为温度控制板的驱动模块电路图。
具体实施方式
以下结合附图和实例对本发明作进一步详细的描述。
本发明温度控制器包括接口板和温度控制板二部分，接口板最多可以扩展到32个，每个接口板可以连接1～8个温度控制板，每个温度控制板又可以控制1～8个热压头。如图1所示，接口板11与温度控制板211、...、21m连接，...，接口板1n、...、1n与温度控制板2n1、...、2nk连接；温度控制板211与热压头4111、...、411i连接，...，温度控制板21m与热压头41m1、...、41mj连接，...，温度控制板2n1与热压头4n11、...、4n1p连接，...，温度控制板2nk与热压头4nk1、...、4nkq连接；其中，n的取值范围为1至32，m，k，i，j，p和q的取值范围为1至8。为表述方便，下文中将接口板1n、...、1n统称为接口板1，将温度控制板211、...、2nk统称为温度控制板2，热压头4111、...、4nkq统称为热压头4。
工控机3设定热压头4工作温度，温度控制板2通过接口板1与工控机3实现串口通讯，对热压头4进行温度控制。通过扩展接口板1、温度控制板2和热压头4最多可以实现对2048个热压头的温度控制。
如图2所示，温度控制板2包括存储器模块2A、通讯模块2B、控制模块2C、驱动模块2D、电源模块2E和采集模块2F。
通讯模块2B通过接口板1与工控机3双向通讯，并与控制模块2C双向通讯，实现对热压头4工作温度的设定。
采集模块2F与热压头4连接，实时测量热压头4的温度，将温度信号转换成电压信号，并进行校正，输出电压值给控制模块2C。采集模块2F可采用铂热电阻等温度传感器。
控制模块2C接收通讯模块2B发送的设定温度值，以及采集模块2F发送的采集信号，将采集温度与设定温度值进行对比，应用PID控制算法计算出PWM(脉冲宽度调制)的占空比，输出PWM给驱动模块2D。
驱动模块2D根据控制模块2C输出的PWM波，经过光电隔离后驱动场效应管来控制热压头4中发热元件的电流导通，实现精确的加热控制。
电源模块2E与控制模块2C相连，为控制模块2C提供±12VDC，5VDC和3.3VDC电压，保障系统正常运行。
存储器模块2A与控制模块2C连接，用于掉电状态下的系统数据存储。
本发明的工作原理如下：工控机设定热压头工作温度，通过接口板和通讯模块将设定值输出到控制模块。采集模块将铂热电阻采集的热压头温度值转换为电压值输出到控制模块单片机内置的AD转换器，同时对传感器的温度特性进行线性化处理。控制模块将温度设定信号与采集的温度信号相比较，其差分信号经过PID运算产生控制信号输出到驱动模块。驱动模块采用PWM方式控制场效应管驱动热压头的发热元件。存储器模块用于掉电状态下的系统数据存储，电源模块为整个系统提供电源。本发明与铂热电阻配套使用，可在0～300℃温度变化范围对热压头实现±1℃的温度控制精度，并可通过扩展接口板、温度控制板和热压头最多实现对2048个热压头的温度控制。
下面举例说明温度控制板主要模块的具体实现方式：
本发明温度控制板2的采集模块2F是采用以电桥、正负反馈电阻和放大器电路组成的温度变送电路。本发明可与铂热电阻温度传感器配套使用，将温度信号转换为电压信号。如图3所示，R21、R22、R23和RPt构成测量桥电路。其中，Vin是桥电路的输入电压，R21和R22是桥臂的限流电阻，RPt是铂热电阻，R23是比较电阻。铂热电阻RPt一端接地，另一端V2依次串接电阻R24、R28和R29，进入运算放大器U21的正向输入端。在R24和R28之间，接入接地滤波电容C21，在R28和R29之间，接入接地滤波电容C22。比较电阻R23一端接地，另一端V1串接电阻R25后，进入运算放大器U21的负输入端。运算放大器U21的输出端Vo串接正反馈电阻R26后，接入电桥输出端V2。运算放大器U21的输出端串接负反馈电阻R27后，接在电阻R25与运算放大器U21的负输入端之间。
采集模块2F电路的工作原理如下：当RPt受热时，电桥输出端V2会随RPt温度变化而变化。V2和V1组成差动信号反映RPt温度变化值，输入到运算放大器U21，使差动信号放大到控制模块2C允许的输入范围内(本发明中电压范围取0～3VDC)。在图3所示实施方案中，RPt上的压降V2首先经过电阻R24限流和电容C21滤波，然后再次经过电阻R28限流和电容C22滤波，最后经过电阻R29限流后进入运算放大器U21的正端。电桥比较电阻R23上的压降V1，经过电阻R25限流后，直接输入U21的负端。运算放大器U21输出电压Vo到控制模块2C的AD转换器。同时，U21的输出电压Vo通过电阻R26，接入铂热电阻RPt的电压输出端V1，形成正反馈电压，达到线性校正的目的。负反馈电阻R27用于调整放大器的放大倍数，保证输出电压Vo在控制模块2C的允许范围内。图3所示的采集电路可以实现±0.02％FS的温度采集精度。
本发明温度控制板2的驱动模块2D采用单片机输出的PWM波，经过光电隔离后，驱动场效应管，实现精确的加热控制。如图4所示的实施方案中，单片机输出的PWM信号接光电耦合器U31的负输入端。为了保证U31的可靠工作，电源Vcc串接电阻R31后进入U31正输入端，达到限流作用。U31的发射极输出端接发光二极管D1和电阻R32后接地，以显示加热状态。同时U31的发射极输出端串接电阻R33输入场效应管Q1的栅极。U31的集电极输入端接电源VHH。场效应管Q1的源极直接接地。发热元件RL1一端接VHH一端接场效应管Q1的漏极。
驱动模块2D的电路工作原理如下：控制模块2C产生的PWM信号接入光电耦合器U31的负端，以控制光电耦合器的通断。当输入信号PWM为低电平时，光电耦合器导通，VHH作用在发光二极管D1和限流电阻R32上，D1发光，场效应管Q1的栅极得电，通过电阻R33限流，将源极、漏极导通，场效应管处于“开”状态，发热元件RL1通电进行加热；当输入PWM为高电平时，光电耦合器截止，场效应管的栅极电压为0，场效应管不导通，处于“关”的状态，D1熄灭，RL1停止发热。电阻R32对发光二极管D1限流保护。通过上述过程将控制模块2C输出的PWM信号转换为相同频率的12V电压PWM，实现对发热元件RL1的温度控制。
本发明温度控制板2的控制模块2C可以采用C8051F系列单片机(如C8051F020)对采集模块2F的输出电压Vo进行PID运算等处理，输出PWM信号给到驱动模块2D。C8051F系列MCU是高度集成的片上系统，内置8路12位的AD转换器，可以实现高精度数据采集。C8051F020单片机自带64KB的FLASH存储器，用于程序代码和非易失性数据存储。为了存储更多的数据，可另外扩展了一个1KB的EEPROM存储器AT93C46，以保存温控过程中的数据。当控制多个热压头时，控制模块2C可采用中断控制技术，分时处理AD转换和PWM加热程序，以保证控制的实时性
本发明温度控制板2的通讯模块2B采用了RS232和RS485两种串口通讯形式，可以分别通过MAX202和MAX485芯片实现。实际应用时可以根据需要灵活选择任一种通讯方式，如在单板调试时选择RS232方式，在工作时选用RS485方式。单片机之间可以通过RXD、TXD和GND直接连接，简便可靠。上述通讯方式均可以通过电路中的跳线方便实现。
Claims (3)
1.一种多路高精度温度控制器，其特征在于：该温度控制器包括有1～32块接口板，每块接口板连接有1～8块温度控制板，每块温度控制板用于连接1～8个热压头；所述温度控制板通过所述接口板与工控机连接，对热压头进行温度控制；
所述温度控制板包括存储器模块、通讯模块、控制模块、驱动模块、电源模块和采集模块；其中，
所述通讯模块通过串口通讯实现接口板与工控机的双向通讯，并与所述控制模块双向通讯，实现对热压头工作温度的设定；
所述采集模块用于连接热压头，实时测量热压头的温度，将温度信号转换成电压信号，并进行校正，输出电压值给所述控制模块；
所述控制模块采用单片机，用于接收所述通讯模块发送的设定温度值，它接收所述采集模块发送的温度采集信号，将采集温度与设定温度值进行对比，计算出脉冲宽度调制的占空比，并输出给所述驱动模块；
所述驱动模块根据所述控制模块输出的脉宽宽度调制波，控制热压头中发热元件的电流导通，实现加热控制；
所述电源模块为所述控制模块提供电压；
所述存储器模块与所述控制模块连接，用于掉电状态下的系统数据存储。
2.根据权利要求1所述的多路高精度温度控制器，其特征在于：所述采集模块的结构为：电阻R21、R22、R23和铂热电阻RPt构成测量桥电路，铂热电阻RPt一端接地，另一端V2依次串接电阻R24、R28和R29，进入运算放大器U21的正向输入端；在电阻R24和R28之间，接入接地滤波电容C21，在R28和R29之间，接入接地滤波电容C22；电阻R23一端接地，另一端V1串接电阻R25后，进入运算放大器U21的负输入端；运算放大器U21的输出端Vo串接正反馈电阻R26后，接入电桥输出端V2；运算放大器U21的输出端串接负反馈电阻R27后，接在电阻R25与运算放大器U21的负输入端之间。
3.根据权利要求2所述的多路高精度温度控制器，其特征在于：所述驱动模块的结构为：光电耦合器U31的负输入端接所述控制模块输出的脉冲宽度调变信号，光电耦合器U31的正输入端串接电阻R31后接电源Vcc，光电耦合器U31的集电极输入端接电源VHH，光电耦合器U31的发射极输出端串接电阻R33输入场效应管Q1的栅极，光电耦合器U31的发射极输出端还依次串接发光二极管D1和电阻R32后接地；场效应管Q1的源极直接接地；发热元件RL1一端接电源VHH，另一端接场效应管Q1的漏极。
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