LTCC专用烧结设备温度串级控制系统的实现

龙占勇，邓斌，罗心蕾

(1.中国电子科技集团公司第四十八研究所，长沙 410111；2.湖南华博科技有限公司，长沙 410015)

低温共烧陶瓷 (Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技术是近年发展起来令人瞩目的整合组件技术，具有IC封装、埋入式被动组件及三维高密度电路连接功能，并且基板材料具有优良的高频、高品质因子和高速传输特性及成本低、生产周期快、批量大等特点，因此它正逐渐用于取代传统的PCB板。烧结是LTCC的生产工艺流程中重要的一环，它是将经过层压的多层基板坯体放入烧结炉中，进行排胶和烧结成型。排胶是有机粘合剂汽化和烧除的过程，排胶工艺对LTCC基板的质量有着严重影响。排胶不充分，烧结后基板会起泡、变形或分层；排胶过量，又可能使金属化图形脱落或基板碎裂。低温共烧技术的关键是烧结曲线和炉膛温度的均匀性。烧结时升温速度过快，会导致基板的平整度差和收缩率大。炉膛温度的均匀性差，烧结后基板收缩率的一致性也差。烧结温度一般在800～950℃之间。导体浆料可用金、银、钯银、铜等电阻率低的材料。目前使用最多的是金、银浆料，其可在空气中进行烧结。因此LTCC专用烧结设备是LTCC生产工艺中最重要的设备之一，温度控制是LTCC低温烧结设备的关键技术。

由于简单PID控制具有结构简单、容易实现、控制效果良好等优点，因此工业控制中普遍采用简单PID控制。但简单PID控制应用于动态特性复杂、扰动比较频繁、控制质量要求高的场合往往性能欠佳，对工况的适应性较差，因此该设备温控采用串级控制方法。

1 LTCC专用设备电气及计算机控制系统的组成

电气控制系统主要对象为主加热器、4路气体预热器、气路送气系统、炉压调节系统、台车升降系统、计算机控制系统。采用PC+PLC的控制方案，组成典型的集散控制系统，完成工艺的装载→加热排胶→升温→恒温→冷却降温→出炉全过程。电气控制系统由OMRON-CJ1M-PLC核心部件组成，实现台车升降、温度、压力、工艺气体流量等控制。上位机采用研华15英寸触摸平板工业PC，与PLC进行实时通信、提供人机界面操作平台。

1.1 温度控制系统的描述

LTCC专用烧结设备温度控制系统由发热体、测温热偶、温度变送模块、温控仪、SCR电压调整器等部分组成，其中温控仪采用Yamatak公司具有串级控制功能的SDC40A型号温控仪，SCR调压器采用四川英杰电器KTY1S-75A型号的SCR电压调整器，整个系统原理图如图1所示。

图1 温控系统框图

图1中，主控热偶位于工件附近，测得温度即为工件的实际温度，该温度也是设备温度均匀性的考核温度，通过热电偶将温度信号转变成电信号进入温控仪的输入一，副控热偶位于加热器附近，及时测量温度的变化波动，能迅速调整加热器的输出，克服进入副回路的干扰，从而大大减小副回路干扰对于主回路的影响,该热偶信号经过热偶变送器转换成4～20 mA标准信号后进入温控仪的输入二，LTCC专用烧结设备温度串级系统框图见图2。

图2 LTCC专用烧结设备温度串级控制系统框图

按上述设计，当加热电压波动，而进气流量和进气温度保持稳定，即在图2中干扰f1(t)为零，只有f2(t)出现，干扰f2(t)首先引起炉壁温度T2(t)变化温度变送器2即使测量到T2(t)的变化并通过副调节器及时调整加热电压使T2(t)很快回到原先稳定值。如果干扰量小，经过副回路调节后，一般影响不到炉膛总体温度T1(t)；当干扰较大时，其大部分影响为副回路所克服，仍会对炉膛总体温度产生一定影响，但引起的偏差幅度要比单回路系统小得多，此时再通过主调节器改变副调节器的设定值X2(t)进行进一步调节，可完全消除干扰的影响，使被控参数T1(t)回复到设定值。

由于副回路控制通道环节少，时间常数小，反应灵敏。所以当干扰进入副回路时，串级系统可以获得比单回路系统更快的控制作用，有效的克服电压波动对炉膛温度造成的影响，从而大大提高控制质量。

若系统的干扰只是进气流量或进气温度出现波动，而加热电压保持稳定，即在图2中干扰f1(t)存在，而f2(t)为0。干扰f1(t)首先会引起炉膛温度T1(t)变化，温度变送器1及时测量到T1(t)的变化，并通过主调节器改变副调节器的设定值X2(t)，副调节器根据X2(t)的变化调整输出信号，改变加热电压的输出，从而改变炉壁温度T2(t)以校正炉膛温度T1(t)的变化，使其恢复到设定值，在串级系统中，由于副回路的存在，加快了校正作用，可以及时改变T2(t)的数值，使干扰对于炉膛温度T1(t)的影响比单回路控制时小得多。

通过以上直观分析可以看出，使用串级控制系统后，由于引入了副回路，不仅能迅速克服副回路内的干扰，也能加速克服主回路的干扰。副回路具有先调，粗调和快调的作用，主回路具有后调、细调和慢调的作用，对副回路没有完全克服掉的干扰影响能彻底加以消除，主、副回路相互配合、相互补充，使控制质量显著提高，能很好满足设备指标要求。

1.2 主副调节器调节规律的确定

在该控制系统中，主、副调节器所起的作用不同。主调节器起定值控制作用，副调节器起随动控制作用。主控参数炉膛温度是LTCC烧结的主要控制指标，它关系到LTCC的质量，工艺上要求非常严格，且控制通道容量滞后比较大，所以主调节器选用PID调节，以保证主变量的控制品质。

对于串级控制，稳定副参数并不是目的。控制副参数是为了保证和提高主参数的控制质量，对副参数的要求一般不严格，可以在一定范围内变化，允许有残差，因此，副调节器选择P调节就可满足要求，一般不引入积分I和微分D因为引入积分调节会延长调节过程，减弱副回路的快速性，而引入微分作用时，当主回路输出稍有变化，就会引起调节输出大幅度的变化，对系统的稳定不利。

对于副调节器，当炉壁温度升高时，输入温控仪的热偶测量信号增大，此时输出信号应该减小，加在负载两端的加热电压减小。按照测量信号增大，输出信号减小的原则要求，副调节器为反作用方式。

对于主调节器，当副参数(炉壁温度)升高时，主参数(炉膛工件温度)也升高。所以主调节器也为反作用。

2 设备研制结果

本设备研制完成现场运行，各项指标都达到设计要求，图3是某工艺的温度曲线。从图中可以看出，曲线的跟踪性能好，稳态精度高，超调小。

图3 工艺曲线跟踪性

3 结论

本文所设计的LTCC专用烧结设备采用主从两级控制。主要控制对象是热处理加热炉，它是一种具有纯滞后的大惯性系统，基于精确数学模型的常规控制难以保证炉膛内温度均匀性的要求，用串级控制可以达到较好的控制效果。在系统的调试过程和现场的实际运行结果表明，本系统具有以下优点：(1)系统的控制方案合理，跟踪性能好，稳态精度高，超调量小；(2)系统结构简单，易于实现；(3)系统控制功能强，控制效果好；(4)人机界面友好，操作人员操作方便，满足设计要求。

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