射頻識別(RFID)是一種利用射頻通信實現(xiàn)非接觸式自動識別的技術(shù)，是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術(shù)之一[1]。RFID標簽批量生產(chǎn)通常采用基于各項異性導(dǎo)電膠(ACA)固化的倒裝鍵合工藝實現(xiàn)芯片與柔性基板的互連[2]。標簽封裝設(shè)備通常包括基板輸送、檢測、點膠、貼裝和熱壓五個工藝模塊[3]。熱壓模塊主要是對聯(lián)結(jié)基板天線和芯片的導(dǎo)電膠進行熱壓固化。

　　ACA主要由基體和導(dǎo)電顆粒組成[4],其固化過程中，固化的溫度對芯片與天線互連的機械性能和電氣性能有重要影響[5-6]。溫度和固化時間對導(dǎo)電膠的連接性能有決定性作用[7]。熱壓溫度決定了導(dǎo)電膠的固化程度以及芯片和天線基板的連接強度，在很大程度上決定了芯片讀寫效果的好壞。為了提高標簽生產(chǎn)效率，一般采用多套熱壓頭同時對多個芯片進行熱壓，多點溫度的精度、穩(wěn)定性和一致性是控制關(guān)鍵。需要設(shè)計一種適用于RFID標簽生產(chǎn)ACA固化的多路溫度控制方案。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

　　根據(jù)導(dǎo)電膠工藝參數(shù)和連接性能，確定設(shè)計方案的溫度控制范圍為 0～300 ℃，控制精度±1 ℃，溫升時間在5 min以內(nèi)，固化加熱時間10 s。針對多路溫控系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計了可以同時控制多達64路通道的系統(tǒng)構(gòu)架，同時針對多路控制的特點，設(shè)計了8個溫控卡和多個接口卡的結(jié)構(gòu)方案。

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,該溫控系統(tǒng)采用8塊溫控板，1~4、5~8號分別對上、下32路加熱頭進行溫控；上部分采用一塊電源控制板和一塊通信接口板，分別控制1~4號溫控板的電源、作為多機通信接口；下部分采用一塊通信接口/電源控制板，對5~8號溫控板的電源、通信作統(tǒng)一管理；通用監(jiān)控板對1~8號溫控板進行參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示；整體采用一塊電源接口板，對溫控系統(tǒng)全局供電。在硬件上，選用C8051F020單片機為核心的硬件部分，對溫度采集電路、加熱驅(qū)動電路、單片機電路等進行了設(shè)計。同時，進行了溫度數(shù)據(jù)采集以及濾波算法的軟件實現(xiàn)，在控制算法上采用積分分離式PID控制，通過仿真和實驗進行對比驗證。

2 多路溫控系統(tǒng)核心電路設(shè)計

　　2.1溫度采集電路

　　溫度采集模塊的原理一般是熱電偶、熱電阻等輸出的電壓、電流信號經(jīng)濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換后,將測量數(shù)據(jù)送進單片機分析處理,將測量結(jié)果存于外存儲器中[8]。熱電偶的溫度特性曲線比熱電阻差，精度、響應(yīng)速度也不及熱電阻，所以選用熱電阻中的鉑電阻溫度傳感器(PT100)。PT100具有測量精度高、長期復(fù)現(xiàn)性好、測量范圍廣等特性，廣泛用于工業(yè)測溫、計量和校準[9]。

　　所選擇的溫控系統(tǒng)測溫對象為64個熱壓頭工作面，將PT100嵌入式裝在熱壓頭端部。溫度采集電路原理圖如圖2所示，該電路功能是將PT100(Rt)的輸出電壓進行A/D轉(zhuǎn)換后與溫度值對應(yīng)起來，即0~300 ℃線性化對應(yīng)到0~3 V，以供單片機采集。采用兩線制不平衡電橋測量電路，測量PT100隨溫度變化的毫伏信號輸出，再經(jīng)過放大和A/D轉(zhuǎn)換，通過單片機進行電壓信號的采集并完成電壓與溫度之間對應(yīng)關(guān)系運算和處理。根據(jù)控制要求對每個元器件取值。其中PT100阻值Rt隨時間變化。電路簡化后得到電壓關(guān)系：

     其中。

　　可以看出，電路的輸出信號與傳感器電阻值變化量有著很好的對應(yīng)關(guān)系，線性度達到±0.02%FS。

　　2.2 加熱驅(qū)動電路的設(shè)計

　　熱壓模塊中，發(fā)熱芯安裝在熱壓頭腔內(nèi)，需在短時間內(nèi)實現(xiàn)對芯片和導(dǎo)電膠的加熱固化。選用MCH氧化鋁陶瓷微型發(fā)熱芯作為發(fā)熱元件，嵌在熱壓端底部進行熱量傳輸，額定電壓36 V，功率45 W。溫控系統(tǒng)控制對象為64個MCH氧化鋁陶瓷發(fā)熱芯。

　　圖3為加熱驅(qū)動電路原理圖。采用了場效應(yīng)管進行功率的放大，通過控制輸出的高低電平的占空比來控制發(fā)熱芯的電源通斷。采用光耦減小外界干擾將驅(qū)動電路和單片機的輸出口隔離；光耦管腳接單片機I/O信號。當HEAT1端輸入低電平時，光耦導(dǎo)通，場效應(yīng)管處于“開”狀態(tài)，此時發(fā)熱芯上得到36 V的壓降而升溫；否則，發(fā)熱芯失電降溫。這樣單片機I/O輸出的高/低電平信號就被轉(zhuǎn)換為36 V電壓的PWM波,兩者頻率一致,實現(xiàn)了功率的放大。

　　2.3 單片機主電路

　　C8051F是模擬性能很好的8位單片機，集成了豐富的模擬資源，可實現(xiàn)多路模擬信號的采集轉(zhuǎn)換；在內(nèi)置12位的8通道A/D轉(zhuǎn)換器的情況下,采集溫度0～300 ℃，則A/D分辨率為300/212=0.05 ℃，滿足系統(tǒng)控制精度要求。A/D轉(zhuǎn)換的參考電壓由單片機內(nèi)產(chǎn)生或由外部輸入，由跳線進行選擇，電路使用的靈活性高。

　　C8051F020單片機模擬電壓源接3 V電壓。MCU內(nèi)部有一個使用系統(tǒng)時鐘的可編程看門狗定時器(WDT)，當看門狗定時器溢出，WDT 將強制CPU進入復(fù)位狀態(tài)。為了防止復(fù)位，在溢出前由應(yīng)用軟件重新觸發(fā)WDT，如果系統(tǒng)出現(xiàn)了軟/硬件錯誤不能重新觸發(fā)WDT，則WDT將溢出并產(chǎn)生復(fù)位，以此防止系統(tǒng)失控。

　　2.4 存儲器電路的設(shè)計

　　C8051F020 單片機自帶64 KB的Flash存儲器，可以用來做程序存儲，用于程序代碼和非易失性數(shù)據(jù)的存儲。為了存儲更多的數(shù)據(jù)，另外擴展了一個EEPROM存儲器AT93C46，如圖4所示，具有1 KB的存儲空間，低功耗、低電壓、電可擦除，可重復(fù)寫 100 萬次，采用 SPI 四線制連接，傳輸速度快。SPI是全雙工總線，即在發(fā)送的同時也能接收數(shù)據(jù)，因此有MOSI控制線、MISO控制線、SCK時鐘線和NSS片選線。

3 軟件設(shè)計

　　3.1 溫度數(shù)據(jù)采集

　　溫度采集及控制是在定時器中斷下完成的。每塊溫控卡同時控制8個熱壓頭，控制方式采用循環(huán)方式。溫度數(shù)據(jù)采集的控制流程圖如圖 5所示。每次定時器中斷開始后，程序先循環(huán)讀取8路鉑電阻的電壓，轉(zhuǎn)換為溫度值后，再分別進行PID運算，然后根據(jù)各通道的運算結(jié)果，首先判斷溫度是否出現(xiàn)異常，若有過熱發(fā)生，則發(fā)出報警并切斷電源，否則分別控制各發(fā)熱芯的PWM占空比，對溫度進行調(diào)節(jié)。

　　3.2 濾波算法設(shè)計

　　A/D采樣在運行時受信號源本身、傳感器、外界環(huán)境等因素影響，輸入通道采集的模擬輸入量會不可避免混進了干擾信號,這些干擾會影響到數(shù)據(jù)采集的準確性，從而對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性造成不良影響。實際中采用的是利用數(shù)字濾波的軟件方式，對原始的采樣信號進行數(shù)據(jù)檢測和轉(zhuǎn)換，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性[10]。本系統(tǒng)A/D轉(zhuǎn)換器精度約為0.05 ℃，外界環(huán)境的干擾較多，選取滑動平均濾波方式。該算法可以很好地改善系統(tǒng)的控制品質(zhì)。其計算公式為：

　　其中, n為該區(qū)域中點的總個數(shù)，x為第k次取值。

　　3.3 積分分離PID控制算法

　　普通PID控制中引入積分環(huán)節(jié)的目的主要是消除靜差，提高控制精度。但在控制過程的啟動、結(jié)束或大幅度增減設(shè)定值時，短時間內(nèi)的輸出偏差非常大，PID運算中積分累計結(jié)果可能導(dǎo)致控制量不正常，引起系統(tǒng)較大的超調(diào)振蕩，產(chǎn)生嚴重危害[11]。

　　為彌補普通PID控制算法的不足，采用積分分離式PID控制算法。根據(jù)實際情況,人為設(shè)定閾值ε>0；當 error(k)>ε時，采用PD控制，避免產(chǎn)生過大的超調(diào)，使系統(tǒng)有較快的響應(yīng)；當 error(k)≤ε時，采用PID控制，以保證控制精度。積分分離控制算法可表示為：

　　根據(jù)積分分離式PID控制算法得到其程序框圖如圖6所示。

4 實驗驗證

　　4.1 多路溫度實驗結(jié)果

　　選取1~4號溫控板的32個通道，測試在目標溫度為180 ℃時升溫時間、溫度過沖以及波動情況。數(shù)據(jù)表明溫度控制精度、波動性及穩(wěn)定時間均達到要求。隨機選取了其中4組進行結(jié)果反映，數(shù)據(jù)如表1所示。

　　數(shù)據(jù)顯示,各通道對應(yīng)熱壓頭的溫度響應(yīng)時間在2 min內(nèi)，升溫穩(wěn)定時間在2.5 min內(nèi)小于5 min，升溫過沖低于10%；穩(wěn)定之后，溫度波動均在1 ℃以內(nèi)，控制精度達到±1 ℃的要求。

　　4.2 試驗產(chǎn)品9662性能測試結(jié)論

　　結(jié)合9662標簽的各項工藝參數(shù),在RFID標簽封裝設(shè)備的熱壓模塊進行測試。9662標簽尺寸為75 mm×23 mm，標簽上天線為蝕刻鋁箔，配置芯片型號為美國Alien公司的H3。華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點實驗室聯(lián)合武漢華威科智能技術(shù)有限公司開發(fā)生產(chǎn)的DIII型RFID標簽生產(chǎn)裝備中，熱壓模塊均采用了本文上述多路溫控方案——使用該平臺完成9662標簽生產(chǎn)測試。

　　在標簽檢驗方面，首先對連續(xù)生產(chǎn)的2萬多個標簽進行讀通率的檢測，標簽產(chǎn)品讀通率達到99.85%。

　　然后,采用Alien超高頻讀寫器ALR-9900進行標簽靈敏度測試。靈敏度測試是直接測試標簽的讀距，與理想曲線進行比較。標簽距離測試中，在860 MHz~960 MHz之間，20組樣品讀距均保持在8 m以上，性能較好。如圖7所示，隨機選取了3組曲線進行結(jié)果反映。

　　最后，使用推拉力測試儀CONDOK70進行推拉力測試。鏟除天線上已ACA固化好芯片所需要的剪切強度均值為1.2 kgF，范圍為1.1~1.4 kgF，滿足行業(yè)內(nèi)標準(≥1 kgF)；外觀檢測如圖8所示，熱壓痕跡一致，鍵合點位置準確、膠體分布均勻,整體外觀良好。

　　由以上檢測結(jié)果可以得出，標簽良品率在99.85%以上，芯片在基板上的鍵合凸點較為一致，讀距均達到8 m以上，破壞性剪切力范圍為1.1~1.4 kgF，符合要求。因此，該多路溫控方案能保證多個熱壓頭溫度控制的一致性與穩(wěn)定性，滿足熱壓工藝需求。

　　RFID芯片封裝過程中，溫度和固化時間對導(dǎo)電膠連接性能有決定性作用。熱壓溫度決定了導(dǎo)電膠的固化程度以及芯片和天線基板的連接強度。本文在RFID標簽封裝設(shè)備ACA熱壓固化模塊的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套多路溫度控制系統(tǒng)。在完成相應(yīng)的硬件和軟件設(shè)計之后，對系統(tǒng)溫度情況進行了驗證，并且結(jié)合試驗產(chǎn)品9662標簽，進行了產(chǎn)品工藝參數(shù)的相關(guān)檢測。實驗證明， 溫度穩(wěn)定時間在5 min內(nèi)， 多路溫度控制精度達到±1℃的要求，控溫范圍0~300℃，滿足ACA固化需求；所試驗產(chǎn)品UHF標簽9662標簽良品率達99.85%以上，芯片鍵合點、破壞性剪切力、讀距均達到要求，整體結(jié)果符合要求。本文提出的方案滿足RFID標簽制備ACA熱壓固化工藝中對多路溫度控制的要求，系統(tǒng)成本較低，具有很強的移植性，滿足于不同的工業(yè)生產(chǎn)需要，為其他多路溫度控制系統(tǒng)的實現(xiàn)提供參考。

　　參考文獻

　　[1] ROBERTS C M. Radio frequency identification[J].Comput-ers & Security, 2006(25):18-26.

　　[2] 甘勇，鄭富娥.RFID中間件關(guān)鍵技術(shù)研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2007,33(9):130-132.

　　[3] 鄢黎.淺談RFID電子標簽及卷到卷電子標簽生產(chǎn)線[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2013(6):31-33.

　　[4] 周良杰，黃揚，吳豐順.電子封裝用納米導(dǎo)電膠的研究進展[J].電子工藝技術(shù)，2013(1):1-5.

　　[5] CHAN Y C, LUK D Y. Effects of bonding parameters onthe reliability performance of anisotropic conductive adhe-sive interconnects flip-chip-on-flex packages assembly I.different bonding pressure[J]. Microelectronic Reliability,2002(42):1185-1194.

　　[6] CAZECA M J, MEAD J, Chen Julie, Ramaswamy nagara-jan. Passive wireless displacement sensor based on RFIDtechnology[J]. Sensors & Actuators, 2013(2):197-202.

　　[7] CHAN C Y， LUK D Y. Effects of bonding parameters onthe reliability performance ofanisotropic conductive adhesiveinterconnects flip-chip-on-flex packages assembly ii.differ-ent bonding pressure [J]. Microelectronic Reliability，2002,42:1195-1204.

　　[8] 李海珍,孫運強. 高精度多路溫度采集模塊硬件電路設(shè)計[J].電子測試，2008，12(12)：58-64.

　　[9] CIGOY D. How to select the righttemperaturesensor[J].Electronic Machine, 2007(5):16.

　　[10] Lu Chengang, Hu Zhixiong, Zu Peng, et al. Demodulationsystem for fiber bragg grating sensors using digital filteringtechnique[J].Transactions of Tianjin University,2008,14(1):27-30.

　　[11] 劉金琨. 先進PID控制及其MATLAB仿真[M].北京：電子工業(yè)出版社,2004:251-256.