射頻識別(RFID)是一種利用射頻通信實現非接觸式自動識別的技術，是21世紀最有發(fā)展前途的信息技術之一[1]。RFID標簽批量生產通常采用基于各項異性導電膠(ACA)固化的倒裝鍵合工藝實現芯片與柔性基板的互連[2]。標簽封裝設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結基板天線和芯片的導電膠進行熱壓固化。

　　ACA主要由基體和導電顆粒組成[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電膠的連接性能有決定性作用[7]。熱壓溫度決定了導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鍵。需要設計一種適用于RFID標簽生產ACA固化的多路溫度控制方案。

　　1 系統(tǒng)整體設計

　　根據導電膠工藝參數和連接性能，確定設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，固化加熱時間10 s。針對多路溫控系統(tǒng)的性能要求，設計了可以同時控制多達64路通道的系統(tǒng)構架，同時針對多路控制的特點，設計了8個溫控卡和多個接口卡的結構方案。

　　系統(tǒng)結構如圖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號溫控板進行參數設置和狀態(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、加熱驅動電路、單片機電路等進行了設計。同時，進行了溫度數據采集以及濾波算法的軟件實現，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、電流信號經濾波、放大、A/D轉換后,將測量數據送進單片機分析處理,將測量結果存于外存儲器中[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、長期復現性好、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轉換后與溫度值對應起來，即0~300 ℃線性化對應到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，再經過放大和A/D轉換，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關系運算和處理。根據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關系，線性度達到±0.02%FS。

　　2.2 加熱驅動電路的設計

　　熱壓模塊中，發(fā)熱芯安裝在熱壓頭腔內，需在短時間內實現對芯片和導電膠的加熱固化。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為加熱驅動電路原理圖。采用了場效應管進行功率的放大，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，光耦導通，場效應管處于“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/低電平信號就被轉換為36 V電壓的PWM波,兩者頻率一致,實現了功率的放大。

　　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，可實現多路模擬信號的采集轉換;在內置12位的8通道A/D轉換器的情況下,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轉換的參考電壓由單片機內產生或由外部輸入，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進入復位狀態(tài)。為了防止復位，在溢出前由應用軟件重新觸發(fā)WDT，如果系統(tǒng)出現了軟/硬件錯誤不能重新觸發(fā)WDT，則WDT將溢出并產生復位，以此防止系統(tǒng)失控。

　　2.4 存儲器電路的設計

　　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據的存儲。為了存儲更多的數據，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據，因此有MOSI控制線、MISO控制線、SCK時鐘線和NSS片選線。

　　3 軟件設計

　　3.1 溫度數據采集

　　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。溫度數據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，轉換為溫度值后，再分別進行PID運算，然后根據各通道的運算結果，首先判斷溫度是否出現異常，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，對溫度進行調節(jié)。

　　3.2 濾波算法設計

　　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據采集的準確性，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字濾波的軟件方式，對原始的采樣信號進行數據檢測和轉換，提高系統(tǒng)的控制精度和穩(wěn)定性[10]。本系統(tǒng)A/D轉換器精度約為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。其計算公式為：

　　其中, n為該區(qū)域中點的總個數，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、結束或大幅度增減設定值時，短時間內的輸出偏差非常大，PID運算中積分累計結果可能導致控制量不正常，引起系統(tǒng)較大的超調振蕩，產生嚴重危害[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。根據實際情況,人為設定閾值ε>0;當 error(k)>ε時，采用PD控制，避免產生過大的超調，使系統(tǒng)有較快的響應;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。數據表明溫度控制精度、波動性及穩(wěn)定時間均達到要求。隨機選取了其中4組進行結果反映，數據如表1所示。

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

　　4.2 試驗產品9662性能測試結論

　　結合9662標簽的各項工藝參數,在RFID標簽封裝設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。華中科技大學數字制造裝備與技術國家重點實驗室聯合武漢華威科智能技術有限公司開發(fā)生產的DIII型RFID標簽生產裝備中，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標簽生產測試。

　　在標簽檢驗方面，首先對連續(xù)生產的2萬多個標簽進行讀通率的檢測，標簽產品讀通率達到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電膠連接性能有決定性作用。熱壓溫度決定了導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標簽封裝設備ACA熱壓固化模塊的基礎上，設計了一套多路溫度控制系統(tǒng)。在完成相應的硬件和軟件設計之后，對系統(tǒng)溫度情況進行了驗證，并且結合試驗產品9662標簽，進行了產品工藝參數的相關檢測。實驗證明， 溫度穩(wěn)定時間在5 min內， 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)生產需要，為其他多路溫度控制系統(tǒng)的實現提供參考。