CN110645794B - 半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及到电路模块烧结技术领域，具体涉及一种半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统。本发明一种半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统，包括计算机、控制台和烧结台三大部分，所述的控制台是整个系统的核心控制装置，一方面控制台通过电缆线连接烧结台，控制烧结台的烧结温度和氮气浓度；另一方面控制台通过串行通信线连接计算机，配合计算机实现多台烧结的控制功能。在保证烧结品质的前提下，具有系统结构简单、小型便携、成本低廉的优点，以克服现有技术存在的系统结构复杂、体积大、造价高的问题。

Description

半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统

技术领域

本发明涉及到电路模块烧结技术领域，主要涉及对半密闭非真空氮气保护烧结台的氮气浓度和烧结温度进行精确控制的技术领域，具体涉及一种半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统。

背景技术

大面积基板和外壳、器件与壳体的焊接是实现模块机械和电气连接的重要环节，同时也是电子元器件接地散热的重要环节。针对电路模块中印制板与金属底座的大面积焊接，主要以软钎焊为主，在金属底座上放焊锡片，上面再放印制板，加热到一定温度，钎料融化润湿，与被焊母材形成合金。共烧结晶工序控制不良会增加焊接层的空洞率，空洞的存在会形成各种阻抗，使焊接层的电导率和热导率大大降低，对模块的散热存在较大影响，同时也会导致接地不佳，造成电路串扰、插入损耗以及带来附加电容与震荡，使可靠性与长久性达不到要求。电路模块的烧结质量主要与烧结气氛和烧结加热方式两个因素有关，所以改变烧结气氛和加热方式能有效的提高烧结质量。

目前国内外常见的烧结系统从功能上通常都包括计算机、控制台和烧结台。烧结台主要包括密封的真空腔和在真空腔内设置的加热台，使用时在真空腔内，或进一步充入还原性的氢气、惰性的氮气作为烧结保护气，以防止高温烧结过程中烧结面出现氧化影响烧结质量，同时加热台采用热吹风机、感应加热或微波加热等不同的加热方式进行加热。现有系统存在的问题是：1、由于要形成密闭的真空环境，加热台需要承受很大的负压，造成系统结构复杂、体积较大，因此系统成本高；2、热吹风加热方式应用在电路模块金属底座与印制板的大面积焊接上，所需烧结时间长、效率低、且烧结物受热不均匀；感应加热设备比较复杂，一次需要投入的成本相对比较高，感应部件互换性和适应性较差，不适宜于对大面积基板和外壳、器件与壳体的电路模块进行烧结；微波加热的方式虽然加热效率高，速度快，但加热温度不均匀，不适宜加热金属工件。

目前国外可用于电路模块金属底座与印制板的大面积焊接的烧结台，采用真空密闭环境和热传导加热方式，存在的问题是：价格昂贵，一套系统折合人民币一两百万元，对于大多中小型企业而言，难以承受，严重制约了它的应用。

发明内容

本发明要提供一种半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统，在保证烧结品质的前提下，具有系统结构简单、小型便携、成本低廉的优点，以克服现有技术存在的系统结构复杂、体积大、造价高的问题。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统，包括计算机、控制台和烧结台三大部分，控制台通过串行通信线连接计算机，同时通过电缆线连接烧结台；

所述烧结台包括氮气传感器、氮气保护罩、加热台、电动调节阀和加热台接线端口，所述加热台使用一次铸造成型的加热盘作为发热元件，内部放置有测温用的铂电阻；氮气保护罩可开合地罩在加热台上，氮气保护罩上设置有氮气传感器，氮气保护罩上设置有电动调节阀；

所述控制台外部前面板设置有显示屏、按键、电源开关、状态指示灯；后面板设置有串行通信端口、温度检测与控制端口、氮气浓度检测与控制端口、AC220V电源端口、接地端子、蜂鸣器和保险座。所述的串行通信端口与计算机相连接，温度检测与控制端口连接加热台上的接线端口，氮气浓度检测与控制端口连接氮气传感器和电动调节阀；

所述控制台内部的控制电路以微处理器为核心控制器件，由固态继电器、按键电路、显示电路、串口通信接口电路及电源电路组成。微处理器中的控制程序设置有解耦控制算法：

电路模块烧结系统是一个双变量(烧结温度与氮气浓度)耦合系统，系统耦合传递函数G_P(s)为：

公式(2)中，G_N(s)、G_T(s)为单控制变量下的氮气浓度传递函数、温度传递函数；G_NT(s)为温度影响氮气浓度的传递函数，G_TN(s)为氮气浓度影响温度的传递函数。

计算解耦矩阵G_F(s)：

解耦后的系统传递函数G(s)为：

本发明与现有技术相比，本发明的优点是：

1.本发明将目前常见的真空烧结环境创造性地替换为半密闭非真空的无压环境，通过控制电动调节阀的开度达到对氮气浓度的控制，采用加热盘进行加热，铂电阻测温，同时结合解耦控制算法，对烧结温度与氮气浓度进行解耦控制，解决了氮气输入变化对烧结温度影响的问题，提高了系统的控制精度，在保证电路模块烧结品质的同时简化了系统结构。更重要的是，本发明提供的半密闭非真空这样的系统，极大地降低了系统的造价，将整个系统的制造成本控制在万元以内。

2.本发明系统体积小、便于携带、结构简单，便于拆卸、维修；本发明采用加热盘加热、软钎焊焊接的烧结方式，加热均匀，能有效降低电路模块的变形，保证焊接的精度。对于中小企业而言，可解决烧结设备结构复杂、体积大、投入成本高等问题。

附图说明

图1是电路模块烧结系统结构示意图；

图2是电路模块烧结系统连接示意图；

图3是电路模块烧结系统控制台前面板示意图；

图4是电路模块烧结系统控制台内部控制电路原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供的半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统，包括了计算机1、控制台2和烧结台3三部分。

所述的控制台2是整个系统的核心控制装置，一方面控制台2通过电缆线连接烧结台3，控制烧结台3的烧结温度和氮气浓度；另一方面控制台2通过串行通信线连接计算机1，配合计算机1实现多台烧结的控制功能。

所述烧结台3包括加热台13、铂电阻、氮气保护罩12、氮气传感器11、电动调节阀14和加热台接线端口15。所述加热台13使用一次铸造成型的加热盘作为发热元件，内部放置有测温用的铂电阻，使用时，的加热台13台面放置被烧结物，铂电阻用来检测烧结台的温度；氮气保护罩12可开合地罩在加热台13上，提供氮气保护气氛，氮气保护罩12的上面安装有氮气传感器11，用来检测氮气浓度，保护罩13侧面安装有电动有调节阀14，通过调节电动调节阀14的开度大小来控制氮气浓度。

所述控制台2外部前面板设置有显示屏18、按键19、电源开关16、状态指示灯17。所述按键19用来设置控制台2的内置参数、烧结工艺流程参数；显示屏18用来显示按键操作过程、烧结过程的实时检测和控制数据；电源开关16控制整个系统的电源通断；通电时状态指示灯17亮，断电时灯灭。

所述控制台2后面板设置有串行通信端口4、温度检测与控制端口5、氮气浓度检测与控制端口6、AC220V电源端口7、接地端子8、蜂鸣器9和保险座10。所述的串行通信端口4与上位机1相连接，温度检测与控制端口5与加热台13上的接线端口15连接，氮气浓度检测与控制端口6连接氮气传感器11和电动调节阀13。

所述控制台2内部的控制电路以微处理器为核心控制器件，由固态继电器、按键电路、显示电路、串口通信接口电路及电源电路等构成。微处理器通过控制固态继电器的开断来控制烧结台3供电电源的通断以实现对烧结温度的控制；微处理器通过控制电动调节阀13的开度来控制氮气保护罩12内的氮气浓度；微处理器通过氮气传感器11和加热台13内置的铂电阻实时检测氮气浓度和烧结温度作为控制算法的反馈量。按键电路将按键19的输入送入微处理器进行相应处理；显示电路将要显示的数据传送至显示屏18显示。串口通信接口电路与通过串行通信端口4连接实现与上位机1的通信。电源电路实现交直流电压转换以及不同直流电压之间转换，为不同元器件及设备供电。

所述控制台2的微处理器中的程序设置有反馈补偿解耦控制算法，对烧结台氮气保护罩内的烧结温度和氮气浓度进行解耦控制，以实现对烧结温度和氮气浓度的独立控制，提高系统的控制精度。

实施例：

如图1中所示，电路模块烧结系统包括计算机1、控制台2和烧结台3。控制台2是整个烧结系统的核心装置，和烧结台3可组成独立的烧结系统，控制烧结台3的烧结温度和氮气浓度，对烧结台3中的被烧结物进行烧结；一台计算机1可以控制多台由控制台2和烧结台3组成的烧结系统。

如图2中所示，对整个烧结系统结构进行详细说明：控制台2后面板设置有：串行通信端口4、温度检测与控制端口5、氮气浓度检测与控制端口6、AC220V电源端口7、接地端子8、蜂鸣器9和保险座10；氮气保护烧结台3包括：加热台13、氮气保护罩12、氮气传感器11、电动调节阀14和加热台接线端口15。

电路模块烧结系统的连接关系：计算机1与控制台2的串行通信端口4相连接，控制台2的温度检测与控制端口5连接加热台13的接线端口15，控制台2的氮气浓度检测与控制端口6连接氮气传感器11和电动调节阀13，控制台2的AC220V电源端口7接220V电源。

如图3所示，控制台2外部前面板设置有显示屏18、按键19、电源开关16、状态指示灯17。按键19用来设置控制台2的内置参数、烧结工艺流程参数；显示屏18用来显示按键操作过程、烧结过程的实时检测和控制数据；电源开关16控制整个系统的电源通断；通电时状态指示灯17亮，断电时灯灭。

如图4所示，控制台2内部的控制电路以微处理器为核心控制器件，由固态继电器、按键电路、显示电路、串口通信接口电路及电源电路等构成。微处理器通过控制固态继电器的开断来控制烧结台3供电电源的通断以实现对烧结温度的控制；微处理器通过控制电动调节阀13的开度来控制氮气保护罩12内的氮气浓度；微处理器通过氮气传感器11和加热台13内置的温度传感器实时检测氮气浓度和烧结温度作为控制算法的反馈量。按键电路将按键19的输入送入微处理器进行相应处理；显示电路将要显示的数据传送至显示屏18显示。串口通信接口电路与通过串行通信端口4连接实现与上位机1的通信。电源电路实现交直流电压转换以及不同直流电压之间转换，为不同元器件及设备供电。

所述控制台2的微处理器中的程序设置有反馈补偿解耦控制算法，对烧结台氮气保护罩内的烧结温度和氮气浓度进行解耦控制，以实现对烧结温度和氮气浓度的独立控制，提高系统的控制精度。

由于电路模块烧结系统采取半密闭非真空环境，氮气保护罩12内氮气会有少量泄漏，需要根据氮气传感器11实时采集的氮气浓度，调节电动调节阀13的开度来补充相应量的氮气，氮气的注入会造成烧结台3烧结温度的变化；同时随着烧结温度的变化，氮气保护罩12内氮气浓度也会随之发生变化，两者之间存在明显的耦合现象，会造成氮气浓度和烧结温度的不稳定，因此，本系统设计了解耦控制算法来消除这种耦合现象，实现对烧结温度和氮气浓度的独立控制，达到提高系统控制精度的目的。

解耦控制算法具体说明如下：

电路模块烧结系统是一个双变量(烧结温度与氮气浓度)耦合系统，系统输出Y(s)可表示为：

Y(s)＝G_p(s)R(s) (1)

其中：

公式(2)中，输出Y(s)中的Y_N(s)、Y_T(s)为氮气浓度和烧结温度的实际检测值；系统耦合传递函数G_P(s)中的G_N(s)、G_T(s)为单控制变量下的氮气浓度传递函数、温度传递函数；G_NT(s)为温度影响氮气浓度的传递函数，G_TN(s)为氮气浓度影响温度的传递函数；输入R(s)中的R_N(s)、R_T(s)为氮气浓度和烧结温度的设定值。

G_NT(s)、G_TN(s)为系统产生的两个耦合传递函数，只要在控制器与耦合传递函数之间合理设置补偿环节抵消两个耦合传递函数对系统的影响，使之变成两个独立的控制回路，就能实现各自的独立控制，为此设计了一种解耦控制算法实现对烧结温度和氮气浓度的解耦控制。

设补偿的解耦矩阵为G_F(s)，则解耦控制器D(s)可表示为：

D(s)＝[I-G_F(s)]^-1 (3)

G_P(s)可表示为非耦合矩阵G_PN(s)和耦合矩阵G_PY(s)之和：

G_P(s)＝G_PN(s)+G_PY(s) (4)

由公式(2)可知：

则解耦后的系统传递函数G(s)为：

G(s)＝G_P(s)D(s)＝[G_PN(s)+G_PY(s)][I-G_F(s)]^-1 (7)

考虑到系统解耦后变量之间消除了耦合影响，G(s)应为对角阵，为简化计算取G(s)＝G_PN(s)，并带入公式(7)可得：

从公式(8)可知，解耦矩阵中对角线上的值全为0，而非对角线上的值为G_NT(s)、G_TN(s)中的元素值与所在那一行对角线的值的比值，因此，只要知道了系统耦合传递函数G_P(s)，即可计算出解耦矩阵G_F(s)。

解耦后的系统传递函数G(s)为：

根据以上算法，给出一个实施算例，经电路模块烧结系统试验数据，通过系统辨识得到的系统耦合传递函数为：

根据公式(7)得到解耦矩阵G_F(s)为：

解耦后的系统传递函数G(s)为：

根据公式(10)～(12)可知，本发明设计的解耦算法，只需对系统耦合传递函数进行简单计算，即可获得补偿的解耦矩阵和解耦后的系统传递函数，具有物理意义明确、计算简单的优点。解耦后，系统的烧结温度和氮气浓度相互独立，各自独立控制有利于提高烧结气氛和烧结温度的控制精度，提高烧结品质。

本发明装置的具体应用示例如下：

本发明的半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统的操作流程有单台运行和多台运行两种方式，根据实际应用需求，可采取合适的运行方式。

单台运行只需要一台控制台2和一台烧结台3即可完成烧结任务，具体操作步骤如下：

第一步：将被烧结物放到烧结台3的加热台13台面上，罩上氮气保护罩12；

第二步：检查系统之间的连接线，然后打开控制台2的电源开关16，同时状态指示灯17亮；

第三步：根据烧结工艺流程，在控制台2前面板的按键19上设置氮气浓度、烧结温度曲线相关参数参数，确认后开始工作；

第四步：在烧结过程中，根据设定参数，自动调节氮气浓度和烧结温度，显示屏18实时显示氮气浓度、烧结温度、加热(保温)时间等参数值；

第五步：烧结任务结束后，待烧结物温度回复到常温之后，关闭电源开关16，打开氮气保护罩12，取出被烧结物。

多台运行时，一台内置控制软件的计算机1可控制多台由控制台2和烧结台3构成的独立系统同时烧结工作，以满足批量生产的需求。计算机控制软件具有用户管理、状态显示、参数设置、自动运行、多台控制、数据查询分析等功能。具体的操作步骤如下：

第一步：将被烧结物放到烧结台3的加热台13台面上，罩上氮气保护罩12；

第二步：检查系统之间的连接线，然后打开控制台2的电源开关16，同时状态指示灯17亮；

第三步：登陆计算机控制软件，系统初始化完成后进入系统主页面，主页面的上方显示检测的氮气浓度和烧结温度及电动调节阀14的开度等状态值；

第四步：在主页面左侧的“多台控制”选项中选择多台同时运行，控制所有连接的控制台2和烧结台3进行烧结，也可根据实际的烧结要求，可根据台号控制相应的控制台2和烧结台3进行烧结；

第五步：在主页面左侧的“参数设置”选项中设置烧结的温度、烧结时间和氮气浓度等；

第六步：在主页面左侧的“自动运行”选项中设置烧结流程，确认后开始工作；

第七步：烧结流程完成后，计算机自动发送结束命令，并保存烧结过程中各烧结台的氮气浓度、烧结温度、加热(保温)时间等参数值；

第八步：待烧结物温度回复到常温之后，关闭电源开关16，打开氮气保护罩12，取出烧结物；

第九步：在主页面左侧的“数据查询分析”选项中，可根据不同条件查询烧结过程数据，并对查询结果进行分析，为评判烧结品质提供依据。

本发明的计算机控制软件操作流程简单，图形化界面，操作人员易上手操作，也可以一台计算机1控制1台控制台2和1台烧结台3进行烧结工作，相比操作控制台2前面板的按键19更方便，功能更丰富。

Claims (1)

1.半密闭非真空氮气保护电路模块烧结系统，包括计算机(1)、控制台(2)和烧结台(3)三大部分，控制台(2)通过串行通信线连接计算机(1)，同时通过电缆线连接烧结台(3)；

所述烧结台(3)包括氮气传感器(11)、氮气保护罩(12)、加热台(13)、电动调节阀(14)和加热台接线端口(15)，所述加热台(13)使用一次铸造成型的加热盘作为发热元件，内部放置有测温用的铂电阻；氮气保护罩(12)可开合地罩在加热台(13)上，氮气保护罩(12)上设置有氮气传感器(11)，氮气保护罩(12)上设置有电动调节阀(14)；

所述控制台(2)外部前面板设置有显示屏(18)、按键(19)、电源开关(16)、状态指示灯(17)；后面板设置有串行通信端口(4)、温度检测与控制端口(5)、氮气浓度检测与控制端口(6)、AC220V电源端口(7)、接地端子(8)、蜂鸣器(9)和保险座(10)，所述的串行通信端口(4)与计算机(1)相连接，温度检测与控制端口(5)连接加热台(13)上的接线端口(15)，氮气浓度检测与控制端口(6)连接氮气传感器(11)和电动调节阀(14)；

所述控制台(2)内部的控制电路以微处理器为核心控制器件，由固态继电器、按键电路、显示电路、串口通信接口电路及电源电路组成，微处理器中的控制程序设置有解耦控制算法：

电路模块烧结系统是一个双变量耦合系统，系统耦合传递函数G_P(s)为：

公式(2)中，G_N(s)、G_T(s)为单控制变量下的氮气浓度传递函数、温度传递函数；G_NT(s)为温度影响氮气浓度的传递函数，G_TN(s)为氮气浓度影响温度的传递函数；

计算解耦矩阵G_F(s)：

解耦后的系统传递函数G(s)为：

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