ZHS-50真空焊接设备的控制系统

ZHS-50真空焊接设备的控制系统
张闻华
【摘要】The new generation vacuum welding equipment developed for aviation aerospace industry is a kind of small and high-precision electromechanical integration equipment.The equipment adopts touchable integrated electronic control system to replace the traditional button control system.With the advantages of compact,stable
performance,safe,reliable,and high degree of automation,the vacuum welding equipment is mainly used for the vacuum（atmosphere protection）welding in low-temperature circumstance.It can be widely used in chip assembly and packaging process of various electronic components,such as the vacuum（atmosphere protection） welding（sintering） of the chip and LTCC substrate in MCM technology.The equipment can be used to weld manually or automatically according to the process under the given value.%为航空、航天开发的新品真空焊接设备是一小型、高精度的机电一体化设备,采用触摸集成电控系统,取代传统按钮控制。

该设备结构紧凑、性能稳定、安全
可靠、自动化程度高,主要用于低温控制状态下的真空（气氛保护）焊接,广泛应用
于各种电子元器件芯片组装及封装工艺中,如MCM技术中的LTCC基板,芯片与衬
底的真空（气氛保护）钎焊（烧结）,该设备可以在真空定值状态下进行手工焊接
和工艺自动焊接。

【期刊名称】《山西电子技术》
【年(卷),期】2012(000)002
【总页数】3页(P40-42)
【关键词】触摸集成;低温控制;工艺自动;真空定值
【作者】张闻华
【作者单位】中国电子科技集团公司第二研究所,山西太原030024
【正文语种】中文
【中图分类】TG409;TP271.4
1 工作原理
ZHS－50焊接设备采用(机械泵、分子泵)两级泵对工作腔体抽真空，加热室位于
真空室内，达到工作真空度后，对钎接件进行加热，被处理工件置于加热室内的支撑架上，该设备加热元件镍鉻，加热元件沿圆周方向均匀分布，保证温度均匀性，加热元件分前、中、后3个区域，三区加热，三点控温，各区温度可以独立调节，受控的交流低电压大电流通过过渡电极使加热元件产生电阻热，利用辐射屏的反射作用，集中热量，使加热室温度升高，经自动控温系统控温，使温度达到设定值，在加热室内形成一个均匀的温度环境。

根据用户焊接工艺要求，按程序自动或手动完成工艺焊接。

然后对加热室充氮气，起到快速冷却作用。

2 性能指标
真空焊接设备主要应用于铍青铜、金锡合金等非铁金属构件、微组装芯片的低温封装焊接，形成批量热处理，保证产品的焊接均匀性，满足边焊接边封装流水工艺的需求，实现生产的高效化。

主要性能指标如下:
(1)最高温度:450℃
(2)工作温度:100℃ ～400℃
(3)工作真空度:5×10－2Pa
(4)分压功能:1 a～40 kPa分压调节，采用手动和自动两种方式
(5)温度均匀性:＜±3℃
(6)最高充气压力(绝对压力):≤0.1 MPa
(7)分压功能:1 a～40 kPa分压调节，采用手动和自动两种方式。

3 电气控制及检测系统
电气控制系统由各种低压元器件、调压器、温控仪、记录仪、真空计和可编程控制器组成。

系统配有专业级触摸屏，电路板布局合理，强、弱电分离，安全可靠。

控制系统操作面板如图1所示。

图1 控制系统操作面板
3.1 电气控制系统
本设备采用PLC控制，系统具有手动、自动两种控制操作模式，可在触摸屏上选择，PLC分别控制各种阀的开关，泵的启动、停止及加热的开启。

当设备有水压、超压、超温、加热过流、电源缺相等异常现象时，系统具有安全保护功能和故障显示功能。

为了保证系统安全可靠地运行，软、硬件中均采用了自锁与互锁保护、声光报警系统。

(1)不到设定真空度，不能对加热室加热，在加热过程中，如果真空度低于所设定
值时，停止加热，并且加热程序保持并发出声光报警。

(2)冷却水压低于设定值时或流量小于一定值，及时切断炉内加热器的电源，并发
出声光报警。

(3)当超温时——炉温超过设定值或控温偶发生断偶现象时，切断炉内加热器的电源，并发出声光报警。

(4)停电保护——真空阀气路阀将自动关闭。

炉子仍处在真空或气氛保护下。

当再
次来电后，热处理过程将以手动方式继续进行。

(5)缺相、过流保护——控制系统在各回路上均配有空开或保险，(加热系统出现缺相或过流可自动关闭加热并发出声光报警)可对设备进行保护。

4 电器控制板及仪表配置
(1)采用低压电气元件包括断路器、接触器、接近开关、中间继电器、按钮、报警
器和指示灯等。

(2)温控仪表:采用日本导电FP23温度控制器，仪表精度等级0.1级，控温精度
±1℃，带有数字显示和PID控制。

可进行曲线控温设置和手动/自动PID调节功能，可根据用户需求设定各种工艺参数(加热温度值，保温时间等)。

可以实现控温和编程，工作过程中MR23(2路)温度仪表从FP23获得(0～10 V)控制信号，实现3区温度同步控制，自动选择最合理的控制参数，保证加热室内温度均匀性。

(3)记录仪:采用浙大中控有纸记录仪4 500(4通道)，可连续记录加热室内温度曲线和真空度曲线;并可查阅设备运行数据，方便分析钎焊工艺，并配置CF存储卡，可将数据生成报表打印输出。

(4)数显真空计:采用成都睿宝ZDF－5227A型数显复合式真空计;在真空计上可设
置4组真空数值，当真空度到达，继电器吸合。

(5)可编程控制器:采用三菱FX1N可编程序控制器(PLC)。

它抗干扰能力强，除装、卸料外，全部过程可自动控制，并有手动操作系统。

(6)调压器:调压器选用晶闸管调压器，由温控表发出4～20 MA控制信号，调节加热功率，使加热达到最适合的加热功率配比，从而保证炉温均匀性。

调压器采用低电压大电流的输出方式，输出电压不高于70 V，正常工作时一般不大于85%输出，安全可靠。

调压器内置过流、缺相保护电路，发生故障时自动断开加热电源，并发出报警。

(7)触摸屏:设备采用MT508S触摸集成电控系统，取代传统的按钮控制方式，由触
摸屏集成控制炉箱两套电气装置，操作方便，形象直观。

使用EasyBuilder EB500 V2.61软件，把工艺流程图做进触摸屏中，设计了七个界面—报警界面、真空界面、加热界面、冷却界面、真空焊接室、手动焊接室、全自动界面，生产流程化操作模式，人性化界面设计，直观简洁，操作方便。

5 控制特点
5.1 低温控制
低温控制是温控系统上的难点，温度越高越好控，低温PID难整定，易产生波动，不断调节偶的位置保证了设备恒温区均匀性。

设备温控系统采用以加热调压器为核心，低电压、大电流方式供电，调压器与温控仪配合，实现温度的连续控制，该控温系统具有手动/自动两种操作方式，控制简明、运行可靠，并加入了短路保护等
安全措施，确保系统安全稳定运行。

其控制原理是:温度传感器(即热电偶)采集的现场环境的温度信号通过温控表的PID调节，输出调节信号，驱动功率调节器，功
率调节器发出变压器的调节信号调节变压器的输出功率，从而改变加热执行元件的加热功率，起到调节加热室温度的作用。

其控制原理如图2所示。

图2 控温系统控制原理图
真空焊接室温控系统由两块日本导电温控仪、三只K偶、一台三回路调压器组成。

主温控表FP23发出0～10 V模拟信号，遥控从表MR13，三只K偶采集的实时
信号分别给MR13表的三个通道，MR13表输出4～20 mA模拟信号，分别控制对应通道功率控制器导通角的大小，形成炉体前、中、后三区的控温系统。

手套焊接室温控系统由一块日本导电温控仪MR13表、两只K偶、两块热板组成。

MR13表输出P波通断信号控制热板的温度，两块热板可同时工作，也可单独工作。

5.2 真空定值
加热过程中，材料需要适度的真空度。

对热态高真空下易挥发的材料，加热中，可
通过分压装置调节真空度，机组的抽气、分压装置的补气，从而形成真空的动态平衡，通过真空定值方式，获取材料所需的真空环境，把真空度定到某一适度值(分
压装置由针阀、电磁阀及连接管路组成，在加热过程中可以用此装置对炉内真空度进行调节和控制，防止因炉内真空度高而造成某些合金元素的挥发)。

真空定值流程:进入触摸屏加热界面，打开分压阀，调节针阀，观察环行刻度值和ZDF5227AX复合真空计值，旋转针阀不同的刻度对应不同的真空值，分压装置一丝丝的补气、机组的大抽，从而形成真空的动态平衡。

分压功能程序如下:
图3 分压功能程序
6 工艺自动化
该设备的工艺流程有:抽真空—加热—冷却。

依生产工艺需要，加热过程中可开启
分压装置，冷却又可分为自然冷却和强制冷却两种方式。

设备在设计中考虑两种冷却方式，抽真空、加热为公共程序，通过程序调用来实现两种冷却方式的工艺自动。

选择自然冷却方式工艺自动，设备将实现“抽真空—
加热—曲线结束—降温点—机组关闭”自动过程。

选择强冷方式工艺自动，设备
将实现“抽真空—加热—曲线结束—充氮气—启强冷风机—降温点—机组关闭”自动过程。

控制流程如图4。

图4 控制流程图
7 结束语
ZHS－50真空焊接设备的开发，突破了低温控制、触摸集成、工艺自动、真空定
值等难关，保证了设备性能技术指标和安全可靠运行，满足了客户的需求。

设备性能稳定、精度高、微型智能、性价比高，自开发投入以来，得到客户好评。

参考文献
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［2］侯炜强.多晶硅铸锭炉生产工艺控制技术和设备组成［J］.电子工艺技术，
2008，29(5):291 －2293.
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