一种适于RFID标签生产的多路温度控制方案

　　射频识别(RFID)是一种利用射频通信实现非接触式自动识别的技术，是21世纪最有发展前途的信息技术之一[1]。RFID标签批量生产通常采用基于各项异性导电胶(ACA)固化的倒装键合工艺实现芯片与柔性基板的互连[2]。标签封装设备通常包括基板输送、检测、点胶、贴装和热压五个工艺模块[3]。热压模块主要是对联结基板天线和芯片的导电胶进行热压固化。

　　ACA主要由基体和导电颗粒组成[4],其固化过程中，固化的温度对芯片与天线互连的机械性能和电气性能有重要影响[5-6]。温度和固化时间对导电胶的连接性能有决定性作用[7]。热压温度决定了导电胶的固化程度以及芯片和天线基板的连接强度，在很大程度上决定了芯片读写效果的好坏。为了提高标签生产效率，一般采用多套热压头同时对多个芯片进行热压，多点温度的精度、稳定性和一致性是控制关键。需要设计一种适用于RFID标签生产ACA固化的多路温度控制方案。

　　1 系统整体设计

　　根据导电胶工艺参数和连接性能，确定设计方案的温度控制范围为 0～300 ℃，控制精度±1 ℃，温升时间在5 min以内，固化加热时间10 s。针对多路温控系统的性能要求，设计了可以同时控制多达64路通道的系统构架，同时针对多路控制的特点，设计了8个温控卡和多个接口卡的结构方案。

　　系统结构如图1所示,该温控系统采用8块温控板，1~4、5~8号分别对上、下32路加热头进行温控;上部分采用一块电源控制板和一块通信接口板，分别控制1~4号温控板的电源、作为多机通信接口;下部分采用一块通信接口/电源控制板，对5~8号温控板的电源、通信作统一管理;通用监控板对1~8号温控板进行参数设置和状态显示;整体采用一块电源接口板，对温控系统全局供电。在硬件上，选用C8051F020单片机为核心的硬件部分，对温度采集电路、加热驱动电路、单片机电路等进行了设计。同时，进行了温度数据采集以及滤波算法的软件实现，在控制算法上采用积分分离式PID控制，通过仿真和实验进行对比验证。

　　2 多路温控系统核心电路设计

　　2.1温度采集电路

　　温度采集模块的原理一般是热电偶、热电阻等输出的电压、电流信号经滤波、放大、A/D转换后,将测量数据送进单片机分析处理,将测量结果存于外存储器中[8]。热电偶的温度特性曲线比热电阻差，精度、响应速度也不及热电阻，所以选用热电阻中的铂电阻温度传感器(PT100)。PT100具有测量精度高、长期复现性好、测量范围广等特性，广泛用于工业测温、计量和校准[9]。

　　所选择的温控系统测温对象为64个热压头工作面，将PT100嵌入式装在热压头端部。温度采集电路原理图如图2所示，该电路功能是将PT100(Rt)的输出电压进行A/D转换后与温度值对应起来，即0~300 ℃线性化对应到0~3 V，以供单片机采集。采用两线制不平衡电桥测量电路，测量PT100随温度变化的毫伏信号输出，再经过放大和A/D转换，通过单片机进行电压信号的采集并完成电压与温度之间对应关系运算和处理。根据控制要求对每个元器件取值。其中PT100阻值Rt随时间变化。电路简化后得到电压关系：

     其中。

　　可以看出，电路的输出信号与传感器电阻值变化量有着很好的对应关系，线性度达到±0.02%FS。

　　2.2 加热驱动电路的设计

　　热压模块中，发热芯安装在热压头腔内，需在短时间内实现对芯片和导电胶的加热固化。选用MCH氧化铝陶瓷微型发热芯作为发热元件，嵌在热压端底部进行热量传输，额定电压36 V，功率45 W。温控系统控制对象为64个MCH氧化铝陶瓷发热芯。

　　图3为加热驱动电路原理图。采用了场效应管进行功率的放大，通过控制输出的高低电平的占空比来控制发热芯的电源通断。采用光耦减小外界干扰将驱动电路和单片机的输出口隔离;光耦管脚接单片机I/O信号。当HEAT1端输入低电平时，光耦导通，场效应管处于“开”状态，此时发热芯上得到36 V的压降而升温;否则，发热芯失电降温。这样单片机I/O输出的高/低电平信号就被转换为36 V电压的PWM波,两者频率一致,实现了功率的放大。

　　2.3 单片机主电路

　　C8051F是模拟性能很好的8位单片机，集成了丰富的模拟资源，可实现多路模拟信号的采集转换;在内置12位的8通道A/D转换器的情况下,采集温度0～300 ℃，则A/D分辨率为300/212=0.05 ℃，满足系统控制精度要求。A/D转换的参考电压由单片机内产生或由外部输入，由跳线进行选择，电路使用的灵活性高。

　　C8051F020单片机模拟电压源接3 V电压。MCU内部有一个使用系统时钟的可编程看门狗定时器(WDT)，当看门狗定时器溢出，WDT 将强制CPU进入复位状态。为了防止复位，在溢出前由应用软件重新触发WDT，如果系统出现了软/硬件错误不能重新触发WDT，则WDT将溢出并产生复位，以此防止系统失控。

　　2.4 存储器电路的设计

　　C8051F020 单片机自带64 KB的Flash存储器，可以用来做程序存储，用于程序代码和非易失性数据的存储。为了存储更多的数据，另外扩展了一个EEPROM存储器AT93C46，如图4所示，具有1 KB的存储空间，低功耗、低电压、电可擦除，可重复写 100 万次，采用 SPI 四线制连接，传输速度快。SPI是全双工总线，即在发送的同时也能接收数据，因此有MOSI控制线、MISO控制线、SCK时钟线和NSS片选线。

　　3 软件设计

　　3.1 温度数据采集

　　温度采集及控制是在定时器中断下完成的。每块温控卡同时控制8个热压头，控制方式采用循环方式。温度数据采集的控制流程图如图 5所示。每次定时器中断开始后，程序先循环读取8路铂电阻的电压，转换为温度值后，再分别进行PID运算，然后根据各通道的运算结果，首先判断温度是否出现异常，若有过热发生，则发出报警并切断电源，否则分别控制各发热芯的PWM占空比，对温度进行调节。

　　3.2 滤波算法设计

　　A/D采样在运行时受信号源本身、传感器、外界环境等因素影响，输入通道采集的模拟输入量会不可避免混进了干扰信号,这些干扰会影响到数据采集的准确性，从而对系统的稳定性和可靠性造成不良影响。实际中采用的是利用数字滤波的软件方式，对原始的采样信号进行数据检测和转换，提高系统的控制精度和稳定性[10]。本系统A/D转换器精度约为0.05 ℃，外界环境的干扰较多，选取滑动平均滤波方式。该算法可以很好地改善系统的控制品质。其计算公式为：

　　其中, n为该区域中点的总个数，x为第k次取值。

　　3.3 积分分离PID控制算法

　　普通PID控制中引入积分环节的目的主要是消除静差，提高控制精度。但在控制过程的启动、结束或大幅度增减设定值时，短时间内的输出偏差非常大，PID运算中积分累计结果可能导致控制量不正常，引起系统较大的超调振荡，产生严重危害[11]。

　　为弥补普通PID控制算法的不足，采用积分分离式PID控制算法。根据实际情况,人为设定阈值ε>0;当 error(k)>ε时，采用PD控制，避免产生过大的超调，使系统有较快的响应;当 error(k)≤ε时，采用PID控制，以保证控制精度。积分分离控制算法可表示为：

　　根据积分分离式PID控制算法得到其程序框图如图6所示。

　　4 实验验证

　　4.1 多路温度实验结果

　　选取1~4号温控板的32个通道，测试在目标温度为180 ℃时升温时间、温度过冲以及波动情况。数据表明温度控制精度、波动性及稳定时间均达到要求。随机选取了其中4组进行结果反映，数据如表1所示。

　　数据显示,各通道对应热压头的温度响应时间在2 min内，升温稳定时间在2.5 min内小于5 min，升温过冲低于10%;稳定之后，温度波动均在1 ℃以内，控制精度达到±1 ℃的要求。

　　4.2 试验产品9662性能测试结论

　　结合9662标签的各项工艺参数,在RFID标签封装设备的热压模块进行测试。9662标签尺寸为75 mm×23 mm，标签上天线为蚀刻铝箔，配置芯片型号为美国Alien公司的H3。华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室联合武汉华威科智能技术有限公司开发生产的DIII型RFID标签生产装备中，热压模块均采用了本文上述多路温控方案——使用该平台完成9662标签生产测试。

　　在标签检验方面，首先对连续生产的2万多个标签进行读通率的检测，标签产品读通率达到99.85%。

　　然后,采用Alien超高频读写器ALR-9900进行标签灵敏度测试。灵敏度测试是直接测试标签的读距，与理想曲线进行比较。标签距离测试中，在860 MHz~960 MHz之间，20组样品读距均保持在8 m以上，性能较好。如图7所示，随机选取了3组曲线进行结果反映。

　　最后，使用推拉力测试仪CONDOK70进行推拉力测试。铲除天线上已ACA固化好芯片所需要的剪切强度均值为1.2 kgF，范围为1.1~1.4 kgF，满足行业内标准(≥1 kgF);外观检测如图8所示，热压痕迹一致，键合点位置准确、胶体分布均匀,整体外观良好。

　　由以上检测结果可以得出，标签良品率在99.85%以上，芯片在基板上的键合凸点较为一致，读距均达到8 m以上，破坏性剪切力范围为1.1~1.4 kgF，符合要求。因此，该多路温控方案能保证多个热压头温度控制的一致性与稳定性，满足热压工艺需求。

　　RFID芯片封装过程中，温度和固化时间对导电胶连接性能有决定性作用。热压温度决定了导电胶的固化程度以及芯片和天线基板的连接强度。本文在RFID标签封装设备ACA热压固化模块的基础上，设计了一套多路温度控制系统。在完成相应的硬件和软件设计之后，对系统温度情况进行了验证，并且结合试验产品9662标签，进行了产品工艺参数的相关检测。实验证明， 温度稳定时间在5 min内， 多路温度控制精度达到±1℃的要求，控温范围0~300℃，满足ACA固化需求;所试验产品UHF标签9662标签良品率达99.85%以上，芯片键合点、破坏性剪切力、读距均达到要求，整体结果符合要求。本文提出的方案满足RFID标签制备ACA热压固化工艺中对多路温度控制的要求，系统成本较低，具有很强的移植性，满足于不同的工业生产需要，为其他多路温度控制系统的实现提供参考。