高速自动电镀线的电气设计

高速自动电镀线的电气设计

时璇，胡子卿，孟超，杨敏

(中国电子科技集团公司第二研究所，山西太原030024)

摘要：简单介绍了高速自动电镀生产线的系统功能，阐述了设计中的控制原理和方法，绘制了控制框图和软件流程图，并指出了设计中的关键技术。

关键词：电镀工艺;高速自动电镀线;总线控制

中图分类号：TQ153.1+3文献标识码：B文章编号：1004-4507(2012)08-0044-06

收稿日期：2012-06-04电镀工艺通过在引线框架上镀锡，保证集成电路元件的贴装性能，使元器件的引脚能和线路板形成良好的扩散焊接。镀层的质量影响产品的成品率和可靠性。作为封装后道工序，电镀设备需要满足高效率、高可靠性等要求。

传统的电镀工艺采用挂镀方式。挂镀线由一系列按照特定顺序排列的镀槽组成，每个镀槽根据工艺要求配置整流器、加热器、过滤机、阴极移动等外设。为实现自动流水线作业，挂镀生产线设置若干行车搬运挂具。挂镀线的行车行走路线需要特殊复杂的演算方法，实际运作中还必须防止各种意外状况，不能随意切换生产工艺;挂镀线需要人工将料片用铜丝绑定在挂具上，每条生产线需要多名操作人员执行上下料的工作。因此，传统挂镀线存在技术水平落后、产能低，对环境及人身污染严重、电镀质量差、合格率低等问题。

高速自动电镀线一般由两部分组成，即传送装置和电镀槽系统。电镀槽系统采用子母槽结构，将母槽的溶液由泵提升至子槽，在子槽中对料片完成前处理、电镀、清洗等工序，溶液再从子槽流回母槽。如此周而复始，保证电镀过程的连续进行;传送装置采用环形设计，利用钢带式传动结构和自动上下料系统，将料片依次浸入各工位镀槽中。

高速自动电镀线具有如下特点：适合IC行业镀件尺寸小、批量大的特点，采用高效率的连续电镀生产方式，镀速一般可达到7～8 m/min;自动化程度高，控制准确，减少人为因素对产品质量的影响，可24 h连续生产;镀层质量高，最主要的镀种为锡或锡合金，可满足特殊的可焊性、导电率、一致性等要求;废水量少，甚至可以达到零排放;全密封，无废气散逸，现场环境好。

高速自动电镀线是一个复杂的系统工程，涉及电镀工艺、自动上下料、钢带传输控制、高压水去溢料、整流器控制等课题。

1·系统概述

生产线工艺流程：自动上料→电解除油1→电解除油2→高压去溢料→去氧化→喷淋、风刀→预浸→镀锡1→镀锡2→镀锡3→镀锡4→喷淋、风刀→中和→喷淋、风刀→热水洗→烘干→自动下料→钢带退镀1→钢带退镀2→喷淋、吹干。生产线的布局如图1所示。

设备的主要技术指标：

引线框架尺寸：长度：180～260 mm，宽度：28～80 mm;

额定传输速度：6 m/min,约1800条/h;

最大传输速度：8 m/min;

镀层种类：锡合金或纯锡;

框架材料：Cu194/Cu7025合金;

镀层厚度范围：7～20μm;

镀层CPK：1.67;

设备MTBF：>72 h。

2·电气设计原理

高速自动电镀生产线采用总线控制方式，将设备控制分为三层：信息层、控制层和元件层。其中，信息层由工控机和主机PLC构成，组态软件实时监控生产线状态，并可通过配方选择来切换生产工艺;控制层由主机PLC和上料机PLC通过ControlLink总线构成，进行高效、大容量的数据链接，实现高速连续自动上下料功能，同时保证料片间距在工艺要求范围内;元件层是通过PLC使用DeviceNet总线采集传感器信号，控制生产线的加热器、柱塞泵、循环泵、电磁阀、钢带驱动电机等外设，保证工艺要求的温度、压力、循环量、电镀时间等参数;使用485总线控制各工位整流器，实现电镀过程中电流密度的控制。通过对电镀电源的控制要求及控制方法的分析，讨论了影响镀层质量的关键因素，即通信协议宏的执行调度这一关键因素。采用分组调度算法对通信协议宏的执行顺序进行改进，有效地提高了电镀电源的实时响应性。同时，通过相关实验得到了验证。

2.1电气控制结构图

生产线20个工位分布在30 m长的范围内，传感器、循环泵、加热器以及整流器等外设分布较分散。为实现通过通信的数字化，并使时间分割、多重化、多点化成为可能，从而实现高性能化、高可靠化、保养简便化、节省配线的现代设备柔性控制要求，生产线采用了总线控制方式，并将设备的控制分为三层。

电气控制结构图如图2所示。

2.1.1信息层

工控机和主机PLC构成信息层。工控机中运行组态软件，完成实时监控、历史数据查询、配方选择三大功能。通过232串口读取PLC中数据，以动画方式实时监控生产线的状态，如泵阀控制、镀槽液位、钢带速度、高压水压力、整流器输出状态等;生产线运行过程中，操作人员触发的操作事件，工艺参数超出设定范围触发的报警事件，设备故障信息都保存在Access数据库中，通过数据库报表可以追溯每一产品的生产过程，便于质量管理;工艺员可以为每种产品定义生产配方，信息包括料片的长度、宽度、电镀面积、电流密度、钢带线速度、高压水设定值、温度设定值、以及外设by-pass处理等，操作员只需选择下载生产配方，生产线即可自动完成每种产品的上下料操作和工艺过程控制。

2.1.2控制层

主机PLC和上料机PLC通过ControlLink总线构成控制层，进行高效、大容量的数据链接。ControlLink总线数据传输最大速度为2 Mbps，通信周期约34 ms[15]。上料机PLC读取主机PLC控制下的钢带线速度、启停状态、料片长度、宽度信息、料片通过距离等参数，控制气爪准确贴料;上料机触摸屏可监控整个生产线的运行状态。

2.1.3原件层

PLC通过DeviceNet总线采集传感器信号，并控制生产线的加热器、循环泵、电磁阀等外设的执行;通过485总线控制各工位整流器的启停、模式切换、电流电压调节及状态轮询等操作。

2.2自动上料

要满足封装生产中的大规模生产需要，设备采用自动上料方式。采用自动上料系统的目的即为保证钢带连续不间断夹取工件，提高上料速度，保证装料的准确性，减少人为干扰。

如图3所示，上料采用前后料框轮换方式，自动推料、对齐，通过贴料气爪将工件从料盒中自动取出并夹持在钢带上，且保证料片间的间距小于2 mm。

2.3钢带速度控

如图4所示，全线传输机构的驱动系统由交流变频调速器控制电机驱动传输主动轮、从动传输轮使运送料片的不锈钢带连续运转，钢带速度：0～8 m/min可调。

根据电机额定转速、减速机速比及主动轮轮盘直径，钢带线速度的控制转换电机频率的控制。PLC通过DA模块输出4～20 mA模拟量控制变频器，并通过旋转编码器闭环反馈钢带线速度。料片传送过程中，落料、卡料检测传感器信号将强制中止钢带运行。

2.4整流器控制

电镀是利用电解原理，使金属或合金沉积在制件表面，形成均匀、致密、结合力良好的金属层的过程。整流器通过如图5所示的直流导电系统在溶液中形成电场。料片进入镀槽后，溶液中的锡离子，在电位差的作用下移动到料片(阴极)上形成镀层。阳极的金属锡形成离子进入溶液，以保持被镀覆的锡离子的浓度。

电流密度是电镀工艺中最重要的参数之一，只能在有限的电流密度范围内沉积出所要求性能的镀层，因此整流器的控制是生产线最核心的技术之一。

钢带运行且该工位镀槽内有料片进入后，PLC向整流器发送启动命令;钢带停止或该工位镀槽内没有料片时，PLC向整流器发送停止命令;该工位镀槽内料片电镀面积发生变化时，PLC向整流器发送电流电压设置命令，及时调整输出电流值;通过发送模式设置命令，可以切换整流器的控制模式，选择稳流控制或稳压控制;PLC发送状态查询命令，整流器将返回当前电流电压输出、控制模式等参数，如电流电压值超出设定范围将触发报警事件。

整流器的控制包括启停控制、电流电压调节、模式切换、输出状态轮询等。由于镀速达到8 m/min，料片在很短的时间内即可完成镀覆，因此整流器的实时响应能力对料片镀层的一致性至关重要。

2.5温度控制

在各工位的储槽中，设置聚四氟乙烯加热管，配套温控模块和Pt100组成温度自动控制系统，采用ON/OFF模式控温，并且设置了液位保护装置，当溶液高度低于设定值时，液位保护报警，同时断开加热，防止液位太低，干烧加热管至损坏;在烘干工位和热水喷淋工位，采用PID模式控温。

2.6故障停机

生产线运行过程中，实时监控各工位温度、电流电压值，超出工艺设定范围则触发报警事件并停机。低液位、卡料等传感器信息也触发停机报警。料片因故散落在镀槽中，可能导致后续料片的堵塞，系统必须及时检测出料片的散落工位并触发停机报警。如图6各个工艺槽位的进出口位置分别设置接近检测开关，并在程序中设置FIFO队列模拟料片进出镀槽的过程。钢带上旋转编码器的脉冲信号执行插入操作，将入口处传感器的状态写入FIFO队列中，同时将队尾删除。比较队尾记录的料片有无信息，一旦和出口处传感器的检测状态不符，则判断有料片散落在镀槽中，起到掉片检测的功能。

2.7现场总线Devicenet

DeviceNet是具有优良施工性能的一种现场网络，覆盖广阔的应用领域。从传感器层到元件层，直到控制器层。各种控制器件，如PLC、机器人、传感器和传动器，能容易地连接到一个单独的网络中。这样就能够在设备和生产线的设计制造、安装、调试、维护等各个制造现场的环节上降低成本，同时节约时间。通过到主站网络的无缝连接，能向客户提供PLP和SCM对策的进一步的附加值。

随国界概念在制造业中的不断消失，世界上有了通过标准化来简化配线工作，减少配线时间和提高配线精确性的需求。DeviceNet因为符合国际IEC标准和其它地方性和行业团体标准，已经有了这个无国界时代的制造行车所需要的标准化。例如，在世界上任何地方采购电缆时，你只需要采购DeviceNet专用电缆即可。用DeviceNet可以节省大量时间，因为在生产现场建造设备或组装线时不再需要进行特殊配线规划的特殊培训或详细的手册，就能在不同国家或不同层次的工程师之间进行有效沟通。DeviceNet也是第一个通过了中国国家标准的多厂商网络。

DeviceNet是能够将PLC、电脑、传感器、驱动系统等各种控制设备简单地进行相互连接的开放式现场网络。使用DeviceNet不仅能够通过节省配线来降低配线成本及维护成本，而且由于能够连接不同厂家的DeviceNet兼容设备，因此设备的选择范围较广，能够构筑舒适且更经济的系统。具有的特点：

(1)节省配线。使用专用电缆可进行T分支及支线分支等自由配线，有助于缩减现场的配线成本及维护成本。

(2)多厂商网络。由于通信规格开放化，因此能够连接国内外不同厂家的DeviceNet兼容设备。利用元器件及各种传感器等的组合能够支持现场级的各种应用程序。

(3)远程I/O通信和报文通信。DeviceNet不仅能够进行远程I/O通信，还能够进行报文通信。可通过报文通信进行设备的设定及监控。

(4)DeviceNet对设备外形进行了定义，因此保证了多厂商环境下设备的兼容性和可更换性。

(5)在CPU单元和从站(不需在CPU单元中编程)之间进行自动数据传送的远程I/O通信。

(6)使用特殊指令(IOWR和CMND)报文信息，可以在装有DeviceNet单元的其他CPU单元发送读/写报文及控制操作。

此外，根据子协议数据利用配置器能够很简单地进行各种设备的参数设定和监控。

3·电气控制的关键技术

3.1溶液温度的ON/OFF模式控制

使用ON/OFF控制，首先要设定一个设定点。在反向操作时，达到设定值时温度控制器将控制输出转为OFF，控制输出关断时系统温度将开始降落。当系统温度降到低于设定点时控制输出将重新转为ON，这种ON/OFF操作是围绕设定点反复动作的。

控制灵敏度设定决定在控制输出重又转为ON之前，系统温度降落到低于设定点多远，控制操作设定决定单元是用正向操作(冷却)还是用反向操作(加热)。用正向操作，操作量随PV增加而增加;对反向操作，操作变量值随PV增加而减小。

ON/OFF控制中，ON和OFF切换产生一个稳定的迟滞环。迟滞环的宽度称作控制灵敏度。

3.2烘箱温度的PID控制

PID是比例(P)、积分(I)、微分(D)之意。标准PID的控制值是与偏差(设定值与实际值之差)、偏差对时间的积分、偏差对时间的微分，三者之和成正比。

使用自动调整功能(AT)自动计算设定点运行的最佳PID常数。温度控制单元使用有限周期法，通过强制改变操作变量来测定控制系统的特性。

3.3高压水压力的PID控制

实现高压水压力的PID控制，对有关参数作合理选定是重要的。PID控制参数，多是先确定采样周期T，再比例系数K，然后为积分常数Ti，再就是微分常数Td。而且这些参数选定，多都是在凭经验，在现场调试中具体确定。一般是，先取一组数据，将系统投运，然后对系统人为加一定扰动，如改变设定值，再观察调节量的变化过程。若等不到满意的性能，则重选一组数据。反复调试，直到满意为止。

4·结束语

本文在阐述了高速自动电镀线必要性的前提下，简单介绍了设备的整体组成,工作原理和技术难点。通过对电镀电源的控制要求及控制方法作分析，提出了影响镀层质量的关键因素，即通信协议宏的执行调度这一关键因素。

采用分组调度算法对通信协议宏的执行顺序进行改进，有效地提高电镀电源的响应实时性。同时，通过实验得到了验证。

参考文献：

[1]张允诚，胡如南，向荣.电镀手册[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2]曾旭，卢桂平，杨杰，等.引线框架可焊性电镀新技术[J].电子工艺技术，2009，30(5):291-294.

[3]冯小龙.高速连续电镀技术在集成电路引线框架生产中的应用[J].电镀与涂饰，2003(6):48-51.

[4]张凌云.印制电路组件的清洗工艺[J].电子工艺技术，2009，30(4):206-209.

作者简介：

时璇(1983-)男山西太原助理工程师大学本科电气工程师。

胡子卿(1980-)男山西太原工程师大学本科电气工程师。

孟超(1983-)男山西太原助理工程师硕士机械工程师。

杨敏(1983-)男山西太原助理工程师大学本科电气工程师。