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电子产品高温老化房原理
点击次数:1745 发布时间:2009-10-14

随着电子技术的发展,电子产品的集成化程度越来越高,结构越来越细微,工序越来越多,制造工艺越来越复杂,这样在制造过程中会产生潜伏缺陷。对一个好的电子产品,不但要求有较高的性能指标,而且还要有较高的稳定性。电子产品的稳定性取决于设计的合理性、元器件性能以及整机制造工艺等因素。目前,国内外普遍采用高温老化工艺来提高电子产品的稳定性和可*性,通过高温老化可以使元器件的缺陷、焊接和装配等生产过程中存在的隐患提前暴露,保证出厂的产品能经得起时间的考验。

 

1 高温老化的机理

电子产品在生产制造时,因设计不合理、原材料或工艺措施方面的原因引起产品的质量问题有两类,*类是产品的性能参数不达标,生产的产品不符合使用要求;第二类是潜在的缺陷,这类缺陷不能用一般的测试手段发现,而需要在使用过程中逐渐地被暴露,如硅片表面污染、组织不稳定、焊接空洞、芯片和管壳热阻匹配不良等等。一般这种缺陷需要在元器件工作于额定功率和正常工作温度下运行一千个小时左右才能全部被激活(暴露)。显然,对每只元器件测试一千个小时是不现实的,所以需要对其施加热应力和偏压,例如进行高温功率应力试验,来加速这类缺陷的提早暴露。也就是给电子产品施加热的、电的、机械的或多种综合的外部应力,模拟严酷工作环境,消除加工应力和残余溶剂等物质,使潜伏故障提前出现,尽快使产品通过失效浴盆特性初期阶段,进入高可*的稳定期。电子产品的失效曲线如图1所示。

老化后进行电气参数测量,筛选剔除失效或变值的元器件,尽可能把产品的早期失效消灭在正常使用之前。这种为提高电子产品可*度和延长产品使用寿命,对稳定性进行必要的考核,以便剔除那些有“早逝”缺陷的潜在“个体”(元器件),确保整机品质和期望寿命的工艺就是高温老化的原理。

2 高温老化室空间结构和绝热措施

2.1 老化室的空间布置

根据电子产品高温老化的要求,对一间厂房进行了改造装修,其重点放在空间布置和绝热设计上。平面布置如图2所示,房间被分成两部分,外间作为控制室,控制箱悬挂在控制室的墙上。内间作为高温老化室,是由绝热材料形成的密闭空间。顶部采用钢龙骨吊顶,吊顶一角留有活动板以便维修人员进入顶部进行维护,控制室的控制线经过吊顶上部,然后再分布到老化室的各个部分。绝热墙体采用钢龙骨框架,保证有足够的强度和刚度,绝热墙体两面覆防火板,中间填充绝热材料,如岩棉等(25ºc时热导率约0.04w·m-1·k-1)。老化室的门双面覆镀铝锌钢板,中间填充绝热材料,门框与门之间采用硅橡胶密封。后墙推拉窗及前墙观察窗采用双层玻璃结构,具有良好的密封和绝热效果,同时便于采光和监视。在老化室墙体四角放置四个风机,以便室内空气循环流动,均匀室内空气的温度。

2.2 老化室热平衡计算

老化室内温度升高所需的热量*加热器提供,加热器采用不锈钢铠装结构,加热器之间采用铜排连接,固定牢*,外面用镀锌铁网进行防护。

不考虑热量散失的理想条件下,老化室达到设定老化温度所需的热量:q=(c1m1+c2m2)×(t1-t0)

c1为老化室内空气的比热容(约1.005kj·kg-1·k-1,不同温度下略有不同);

c2为被老化的产品的平均比热容(kj·kg-1·k-1);

m1为老化室内空气的质量(kg);

m2为被老化的产品的质量(kg);

t1为设定的老化温度(℃);

t0为老化室的初始环境温度(℃);

实际情况下,密封和绝热不可能是理想状态,所以,热量损失是不可避免的。根据空气和岩棉在初始温度及zui高设定温度下的不同热导率μ(w·m-1·k-1),根据老化室的结构及房间六个面的面积计算整个系统的绝热系数ξ(㎡·k·w-1),然后计算出一定时间内达到zui高设定温度整个系统实际所需的热量,这样就可计算出加热器总的理论功率p。zui后,根据系统冗余系数η算出加热器总的实际功率pt。在定制加热器时,要考虑各个加热器的电压等级和接法,是三角形接法,或是星形接法,或者是星形三角形混合接法。加热器外穿不锈钢散热片,便于散热,防止加热器烧红。

3 温度控制系统

此控制系统采用pid控制仪进行温度控制,当通过温度传感器采集的被老化的电子产品的温度偏离所希望的给定值时,pid控制仪根据反馈的偏差进行比例(p)、积分(i)、微分(d)运算,输出一个适当的控制信号给执行机构(加热器),促使测量值恢复到给定值,达到自动控制温度的目的。

3.1 控制数学模型

控制对象是一个具有滞后环节的一阶系统,控制系统采用闭环延时输出的pid调节方式。pid控制技术比较成熟,灵活可*。

连续调节的pid微分方程为

u=kp(e+ )+u0

对于微机控制而言,要使离散的控制形式逼近于连续的控制形式,采样周期必须取得足够短,这样,可将描述系统调节规律的微分方程改变为差分方程,便于编程,实现模拟控制的数字化。

pid差分方程为

un= [en+ ·t+ ( )]+u0

un为第n次的输出量

u0为初始的输出量

en为传感器第n次的采集所得的偏差量

en-1为传感器第n-1次的采集所得的偏差量

为比例系数

为积分时间

为微分时间

3.2控制器参数的调节

比例运算是指输出控制量与输入量的一阶差商关系。仪表比例系数 设定值越大(比例带δ越小),控制的灵敏度越低,设定值越小,控制的灵敏度越高。增大比例系数有利于减小静差,加速系统的响应,但比例系数过大会使系统产生大的超调,甚至产生震荡,使稳定性变差。 积分运算的目的是消除静差。只要偏差存在,积分作用将控制量向使偏差消除的方向移动。积分时间是表示积分作用强度的单位。增大积分时间对减小超调,减小震荡有利,使系统趋向稳定,但系统的静差的消除随之减慢。仪表设定的积分时间越短,积分作用越强。比例作用和积分作用是对控制结果的修正动作,响应较慢。微分作用是为了消除其缺点而补充的。微分作用根据偏差产生的速度对输出量进行修正,使控制过程尽快恢复到原来的控制状态,微分时间是表示微分作用强度的单位,仪表设定的微分时间越长,则以微分作用进行的修正越强,有利于加快系统的响应,减小超调,增加稳定性,但降低了系统对扰动的抑制能力,使系统对干扰过于敏感。在实际的调试过程中几个方面都要兼顾,经过反复调试,使控制器处于zui佳状态。

3.2 温度控制系统的结构

  温度控制系统主要由pid控制仪、可控硅、可控硅触发器、温度传感器、加热器、控制回路等组成,如图3所示。

由温度传感器采集老化室内的温度,然后把它传给控制仪,控制仪把它与内部设定值进行比较运算,根据偏差值输出控制量来调节可控硅导通角的变化的,也就是控制负载电流的变化,从而以闭环的控制形式达到自动控温的目的。 另外,本控制仪还设置了温度上限跳闸保护,这样,当pid控制仪失灵时,可以起到双重保护作用。控制仪通过标准的串行通讯接口与远方计算机相连,后台计算机可调用控制仪的现场数据,可进行控制仪内部数据的设定,并可打印实时温度曲线。

 

4 结束语

经过两年的实际运行,系统的稳定性和动态响应性均满足使用的要求,温度控制精度在正负1度之内。



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