基于分数阶PIλDμ控制器的压电驱动撞针式胶体微喷自适应控制研究

Accurate dispensing of micro adhesive liquid is essential to a good quality of chip package. While the open-loop control is mainly used in the packaging filed, ant it faces the problems of low precision, poor robustness and the difficulty in online parameter adjusting. Regarding the problems above and the demand for regulating the dispensing volume online precisely, the research about the piezoelectric driven needle-type liquid dispensing self-adaptive control is proposed. For the precise control of the needle amplitude, the fractional order PIλDμ controller is adopted to overcome the hysteresis of the piezo and needle, and the RBF neural network is used to adjust the parameters. The signal vision 3D reconstruction method is carried out to overcome the difficulty of volume online detection of the high viscosity droplet, through establishing the droplets image Oren-Nayar reflectance model, the droplet height and profile parameters are obtained via Tsai-SFS linear iteration method. Then the volume will be calculated after composite numerical integration. At last, the double-loop adaptive control method (using out-loop to adjust the dispensing volume and using inter-loop to control the needle vibration) is built, and the adhesive dispensing experiments about SMT and underfill operation is undertaken. The project will play an important role in liquid dispensing parameter adjusting and precise control of the dispensing volume online.

胶粘剂、填充胶等的微量精确分配是保证芯片封装质量不可或缺的技术手段，但目前封装现场胶体分配主要采用开环控制，存在分配精度低、鲁棒性差、分配参数难以在线调整等问题。本项目针对开环控制的问题，面向微电子封装领域对在线精确调控分配体积的需求，开展压电驱动撞针式胶体微喷自适应控制的研究。将分数阶PIλDμ控制器引入到改善压电、撞针等迟滞性中，提出通过RBF神经网络整定参数的压电激励撞针振动分数阶PIλDμ控制算法，实现对振幅的精确控制；采用单目视觉三维重构方法解决高黏性胶滴体积难以在线检测的问题，通过建立胶滴图像Oren-Nayar反射模型，利用Tsai-SFS线性迭代求解胶滴高度及轮廓参数，对此进行复化积分计算胶滴体积；在此基础上，构建外环调控分配体积、内环控制撞针振动的双闭环自适应控制方法，开展面向表面贴装、底部填充等的胶体微喷实验。项目对实现分配过程参数自调整和胶滴体积精确控制具有重要意义。

胶粘剂、填充胶等材料的微量精确分配是保证微电子芯片封装质量不可或缺的技术手段，也是制约我国半导体技术向微型化、高密度、立体化方向发展的瓶颈之一。但目前封装现场胶体分配主要采用开环控制，存在分配精度低、鲁棒性差、分配参数难以在线调整等问题。因此，非常有必要对胶体分配过程自适应控制进行研究，实现分配过程参数自调整和体积精确控制，满足微电子封装领域对各类胶体进行微量精确、体积可控、快速自动化分配作业的需求。目前，压电驱动撞针形式的微喷系统在精确分配各类胶体材料方面更易实现微量精确分配操作，应用前景广泛。因此，本项目针对该类微喷方式，重点开展了压电-撞针振动精确控制、微喷液滴体积检测、撞针式微喷过程、微喷体积自适应控制等研究内容。.本项目将分数阶PIλDμ控制器引入到改善压电、撞针等迟滞性中，提出了通过自适应神经模糊推理系统(ANFIS)整定参数的压电激励撞针振动分数阶PIλDμ控制算法，实现对振幅的精确控制；采用单目视觉三维重构方法解决了高黏性胶滴体积难以在线检测的问题，通过Mask R-CNN网络进行了胶滴高反光区域分割，利用Lambert-Phong混合反射模型进行了胶滴形貌恢复，对此进行复化积分获取了胶滴体积；利用数值仿真方法，采用VOF模型和动网格设计研究了撞针式驱动微喷脱离和形貌变化过程，限定了智能控制过程中参数调控的取值范围；在此基础上，构建了外环调控分配体积、内环控制撞针振幅的双闭环自适应控制方法，搭建了压电驱动撞针式微喷系统，进行了微喷自适应控制实验。研究结果显示微喷液体分配重复精度优于2%，分配速度可到200点/秒，最小体积可到0.03微升。项目对实现胶体分配过程参数自调整和体积精确控制具有重要意义。

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