CN113063162B - 一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及球焊式键合机技术领域，公开了一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统，接收上位机的指令并进行打火控制并熔化金线末端，包括与上位机连接的控制器、以及与控制器连接的电流环路；所述控制器使电流环路依次产生：在第一段时间内维持不变且用于使打火系统预热的预热电流、在第二段时间内维持不变且用于使金线末端熔化成金属球的熔球电流、在第三段时间内先逐渐从熔球电流下降再维持在一定值并用于保持金属球体积不变的控球电流、在第四段时间内逐渐从控球电流减小至零值的收尾电流。

Description

一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统

技术领域

本发明涉及球焊式键合机技术领域，具体涉及一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统。

背景技术

现有球焊式键合机的主要工作原理是，通过电子打火系统熔化金线的末端形成金属球，通过金属球辅以超声波焊接芯片中所需的引线。在电子打火系统中，形成金属球的原理主要利用负高电压击穿空气形成高温电弧，熔化需要焊接的金线末端成球。

目前电子打火系统采用的是两段烧球成球方案，如图2所示，在第一段时间内电流恒流流过金属线使金线末端熔化为液态金属，在第二段时间内电流逐渐减小控制熔球大小，这种方案中对烧球的控制较为简单，对于液态金属表面张力成球并不是最佳的热量输出方案，并且在烧球过程中金属球表面容易在高温下发生氧化，金属球表面会产生凹凸不平，在焊接中会产生虚焊或焊接不牢的情况。电子打火系统在第一段中瞬间产生高压高流容易对整个系统产生冲击，产生较大的电磁干扰并影响设备的使用寿命。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统，接收上位机的指令并进行打火控制并熔化金线末端，包括与上位机连接的控制器、以及与控制器连接的电流环路；

所述控制器使电流环路依次产生：在第一段时间内维持不变且用于使打火系统预热的预热电流、在第二段时间内维持不变且用于使金线末端熔化成金属球的熔球电流、在第三段时间内先逐渐从熔球电流下降再维持在一定值并用于保持金属球体积不变的控球电流、在第四段时间内逐渐从控球电流减小至零值的收尾电流。

进一步地，包括与控制器连接的数据存储电路和触发电路；所述数据存储电路存储有多种烧球参数；所属触发电路通过边沿触发方式触发特定烧球参数，控制器根据触发的烧球参数执行对应的烧球动作。

进一步地，所述触发电路为八路触发电路，上位机产生八种不同的触发信号，每个触发信号对应数据存储电路中的一个烧球参数，通过八路触发电路将触发信号传递给控制器；控制器根据八种触发信号对应的烧球参数执行对应的烧球动作。

进一步地，包括用于进行电平转换并能够进行电源隔离和信号隔离的隔离通信电路；所述隔离通信电路的一端与上位机的串口通讯接口连接，且另一端与控制器的串口通讯接口连接。

进一步地，所述电流环路包括电压跟随运放、MOS管以及精密电阻；所述电压跟随运放的输入端与控制器连接，且输出端与MOS管的栅极连接；所述MOS管的漏极与电源连接，且源极与精密电阻的一端连接。

进一步地，包括光耦隔离电路、数模转换电路和模数转换电路；所述光耦隔离电路的输入端与控制器连接，且输出端与数模转换电路的输入端连接；所述数模转换电路的输出端与电压跟随运放的输入端连接；所述模数转换电路的输入端与精密电阻的两端连接，且输出端与控制器连接。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明使用四段烧球设置，通过数控技术使得每段电流输出的大小、时间和变化速率都稳定可控，进而提高了成球均匀圆润的概率，避免液态金属球在高温下被氧化，提升了焊线的质量，同时减小系统因电流突变产生的系统噪声和电磁干扰，增加了系统的稳定性。

本发明的其他有益技术效果在具体实施方式中进行详细说明。

附图说明

图1为本发明控制系统的结构示意图；

图2为现有技术中两段烧球方案的电流曲线图；

图3为本发明中四段烧球方案的电流曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的一种优选实施方式作详细的说明。

本发明为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统，通过数控技术使得电流输出的大小、时间和变化速率都稳定可控，并且支持多段烧球设置，提高了成球均匀圆润的概率，避免液态金属球在高温下被氧化，提升了焊线的质量；同时能够存储不同的烧球参数，并且不同的烧球参数可以由不同触发信号的脉冲边沿触发，减少了成球时间，提高了打火速度并且方便用户的操作。

图1是本实施方式中，电子打火系统控制电子打火电流的方案，所述控制器采用MCU，也可以采用其他类似具有计算能力的电路模块，例如CPU；由MCU产生控制信号，所述控制信号经由光耦隔离电路和数模转换电路进入到电流环路中，控制电流环路中产生电子打火电流。

控制器1，负责数据处理和控制信号的生成，其能够接收上位机的数据和指令，并可以生成控制信号，控制整个LED焊线机的电子打火系统的工作。

如图3所示，MCU通过产生控制信号产生如下电流曲线，该曲线一共可分为四段。所述第一段电流为预热电流，在第一段时间内从第一电流初始值维持第一段时间，让整个打火系统预热，使系统电流控制和打火时间更为精准，并避免系统在产生第二段电流时产生一个很大的跳变，从而产生较大的电磁干扰影响周围设备并减小自身设备的使用寿命；所述第二段电流为熔球电流，熔球电流的值大于预热电流，熔球电流按设定的第二段电流初始数值维持第二段时间，使得金线末端熔化成球；所述第三段电流为控球电流，从所述第二段电流数值线性减小到第三段电流数值，使金属球不再继续熔化，以控制液态金属球的成球体积，同时避免电流过快变化使得电弧不稳，导致熔球表面凹凸不平；然后MCU控制打火系统以第三段电流数值保持一段时间，维持金线末端的金属球的大小和形状以准备焊接，同时避免因过大的电流发生金属球体氧化而导致球体不均匀；所述第四段电流为收尾电流，在第四段时间内从所述第三段电流数值线性减小到0，避免过快的电流变化导致系统不稳，增加系统的使用寿命。

图3中从原点到t0时刻为第一段时间，t0适合到t1时刻为第二段时间，t1时刻到t2时刻为第三段时间，t2时刻到t3时刻为第四段时间。

控制系统针对不同金属液态表面张力成球的过程和不同焊点所需液态金属球的大小，使用四段烧球设置，通过数控技术使得每段电流输出的大小、时间和变化速率都可控稳定，进而提高了成球均匀圆润的概率，避免了液态金属球在高温下被氧化，进而提升了焊线的质量，同时减小了系统因电流突变产生的系统噪声和电磁干扰，增加了系统的稳定性。

现有技术中的电子打火系统需要根据目标焊点和焊接所使用金属线种类的不同，分别设置每段烧球的电流大小和时间，因此每次改变烧球参数都需要由上位机软件设置各个参数，繁琐的参数设置增加了用户操作的复杂性，也影响了烧球的效率。

所述数据存储电路3采用EEPROM，可以预先将上位机下传的四段烧球参数存储起来，最多支持存储256种烧球参数；对不同的焊点或金属线需要设置不同的烧球参数，才可以达到最佳的烧球效果；用户可预先将所需烧球参数存储在EEPROM中，同时指定其中任意的八种烧球参数可由上位机触发执行，避免了烧球过程中反复设置参数，方便用户的操作。

现有技术中的电子打火系统反应时间长，上位机下发的信息中包含各段烧球参数，数据信息冗长，系统从响应命令到执行烧球需要较长的时间，一般在25us以上，这使得烧球控制不精准，难以将金属球烧结至最佳状态；且烧球完成后反馈信息的时间同样较长，导致烧球后进行焊接的时间控制不准，金属球容易凝固从而导致焊接失败。

所述触发电路4为八路触发电路；上位机可以分别产生八路不同的触发信号，并通过相对应的八路触发电路迅速传递给MCU，用户可以预先指定存储在EEPROM中任意的八种烧球参数对应这八种触发信号，MCU快速执行与每种触发信号对应的烧球动作，每种触发信号仅仅需要一个脉冲的上升沿或下降沿即可触发，具体可由用户根据上位机具体参数自行设定，减少了烧球的执行时间。

烧球参数包括每段烧球电流的大小、时间、变化速率等参数。

所述光耦隔离电路5，一端和MCU1连接，另一端与数模转换电路6连接；所述光耦隔离电路5位于弱电侧(即MCU控制电路一侧)和强电侧(即高压打火电路一侧)之间，起到了隔离的作用，避免强电侧的电信号干扰或者损害弱电侧的电路。所述光耦隔离电路，可以采用现有技术中的各种高速光耦隔离电路来实现，转换速率应在MHz级别以上，这样可以控制其延时在ns级内，避免烧球动作滞后于烧球命令，影响烧球的结果。

本实施例中，所述隔离通信电路为232隔离通信电路2；所述232隔离通信电路，一端与上位机串口数据线的接口连接，另一端与MCU连接。所述232隔离通信电路位于上位机串口通讯接口(232电平)和下位机串口通讯接口(TTL电平)之间，起到电平转换作用，同时所述232隔离通信电路采用了电源隔离和信号隔离，使电子打火系统和上位机完全隔离，这样不仅可以减少上位机与电子打火系统之间串口通讯的干扰，也能提高电子打火系统的安全性和可靠性。

所述数模转换电路6采用高精度数字模拟转换器，接收来自MCU的数字量控制信号，并输出指定数值的模拟量控制信号，这样就实现了数字信号到模拟信号的转化，为后端电子打火的打火设备提供需要了各段打火所需电流大小的信息。所述数模转换电路，可采用现有技术中的各种高精度DAC电路来实现，DAC芯片的精度应在16位以上，这样可以保证数模转换电路输出的模拟量控制信号的电压精度在uV级别，提高了后端打火电流控制的精确性。

所述电流环路7，根据数模转换电路6输出的控制信号产生电流，并将产生的电流信息反馈给MCU。如图1所示，所述电流环路7包括但不限于电压跟随运放9、MOS管10以及精密电阻11。所述电压跟随运放9将所述数模转换电路中产生的模拟量控制信号传递给所述MOS管，为MOS管提供阻抗匹配；所述MOS管10接收来自于模拟量控制信号，并根据控制信号产生所需的电流；所述精密电阻11为采样电阻，具有高精度、低温漂的特点，与所述MOS管10相连，将MOS管10中产生的电子打火电流的信号转换为对应的模拟电压信号，并将模拟电压信号传递给所述模数转换电路，转换成对应的数字电压信号，最终得以反馈给所述MCU。

所述模数转换电路8，一端与所述电流环路7相连，接收所述电流环路7反馈而来的模拟电压信号，另一端与所述MCU相连，将所述电流环路7反馈而来的模拟电压信号转换成相应的数字电压信号后，输送给所述MCU，以便于所述MCU根据反馈回来的实际电流来调整和矫正控制信号。所述模数转换电路8，可采用现有技术中的各种高精度ADC电路来实现，ADC芯片的精度应在16位以上，这样可以保证ADC检测的模拟量信号的电压精度在uV级别，提高了MCU检测打火电流的精确性。

系统执行某个烧球动作时，上位机仅仅需要发送一个脉冲边沿即可触发执行，无需下发每段烧球的参数，大大减小了通讯数据的信息量，提高了系统响应烧球命令的效率。同时系统中弱电控制电路一侧与强电打火电路一侧由高速光耦进行隔离，可以实现快速通讯，大大减小了系统执行烧球命令的响应时间，提高了烧球的时间控制精度。因此既可以提高烧球的效率，也可以增加烧球的成功率。

在本具体实施方式中，反馈的模拟电压信号的采集是实时完成的，通过所述模数转换电路实时将采集的模拟电压信号转换成相应的数字信号，并实时发送给MCU，MCU根据反馈的数字信号和相应的PID算法实时调整输出的控制信号，以达到迅速精确的控制打火电流的目的。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为了清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种用于球焊式键合机的电子打火控制系统，接收上位机的指令进行打火控制并熔化金线末端，其特征在于，包括与上位机连接的控制器，以及与控制器连接的电流环路；

所述控制器使电流环路依次产生：在第一段时间内维持不变且用于使打火系统预热的预热电流、在第二段时间内维持不变且用于使金线末端熔化成金属球的熔球电流、在第三段时间内先逐渐从熔球电流下降再维持在一定值并用于保持金属球体积不变的控球电流、在第四段时间内逐渐从控球电流减小至零值的收尾电流；熔球电流的值大于预热电流。

2.根据权利要求1所述的用于球焊式键合机的电子打火控制系统，其特征在于：包括与控制器连接的数据存储电路和触发电路；所述数据存储电路存储有多种烧球参数；所属触发电路通过边沿触发方式触发特定烧球参数，控制器根据触发的烧球参数执行对应的烧球动作。

3.根据权利要求2所述的用于球焊式键合机的电子打火控制系统，其特征在于：所述触发电路为八路触发电路，上位机产生八种不同的触发信号，每个触发信号对应数据存储电路中的一个烧球参数，通过八路触发电路将触发信号传递给控制器；控制器根据八种触发信号对应的烧球参数执行对应的烧球动作。

4.根据权利要求1所述的用于球焊式键合机的电子打火控制系统，其特征在于：包括用于进行电平转换并能够进行电源隔离和信号隔离的隔离通信电路；所述隔离通信电路的一端与上位机的串口通讯接口连接，且另一端与控制器的串口通讯接口连接。

5.根据权利要求1所述的用于球焊式键合机的电子打火控制系统，其特性在于：所述电流环路包括电压跟随运放、MOS管以及精密电阻；所述电压跟随运放的输入端与控制器连接，且输出端与MOS管的栅极连接；所述MOS管的漏极与电源连接，且源极与精密电阻的一端连接。

6.根据权利要求5所述的用于球焊式键合机的电子打火控制系统，其特征在于：包括光耦隔离电路、数模转换电路和模数转换电路；所述光耦隔离电路的输入端与控制器连接，且输出端与数模转换电路的输入端连接；所述数模转换电路的输出端与电压跟随运放的输入端连接；所述模数转换电路的输入端与精密电阻的两端连接，且输出端与控制器连接；所述数模转换电路和模数转换电路的精度均为16位以上；所述光耦隔离电路的延时在1ns以内。

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