一種新型混合集成電路老煉溫控裝置設(shè)計(jì)

隨著我國科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是軍用和宇航級設(shè)備的要求越來愈高，對其設(shè)備配套的元器件的質(zhì)量可靠性、功能性能與環(huán)境適應(yīng)性提出更高的要求。為了檢測集成電路在使用過程中的穩(wěn)定性以及使用壽命，在出廠之前都進(jìn)行老煉試驗(yàn)，老煉試驗(yàn)指在一定時(shí)間內(nèi)對集成電路施加一定的電流、電壓、溫度等，從而剔除一些有缺陷的產(chǎn)品，保障出廠的產(chǎn)品質(zhì)量。目前集成電路的高溫處理主要是放入高溫箱加溫處理，高溫箱內(nèi)的加溫處理受限于箱體內(nèi)老煉裝置, 一旦出現(xiàn)操作不便，很難同時(shí)要滿足在操作方便的同時(shí)對老煉裝置加溫的情況。

本文將介紹一款新型混合集成電路老煉溫控裝置，通過設(shè)置溫度控制設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn), 在滿足芯片老煉試驗(yàn)順利進(jìn)行的同時(shí), 既可以保護(hù)老煉芯片, 又可以保護(hù)溫控設(shè)備不被燒毀。

1 方案設(shè)計(jì)

新型混合集成電路老煉溫控裝置主要包括：溫控器、溫度測試裝置、交流繼電器、導(dǎo)熱媒介、加熱器以及散熱風(fēng)扇。系統(tǒng)的主控制器采用歐姆龍的成品溫控儀表，集成了溫度采集、顯示、控制功能，只需設(shè)置比較少的參數(shù)就可以達(dá)到精準(zhǔn)的控制效果。

交流固體繼電器主要用于加熱器的通斷控制。風(fēng)扇用于溫度超調(diào)時(shí)和停止老煉時(shí)器件的降溫。加熱器用于平臺(tái)的加熱。導(dǎo)熱硅脂墊是加熱器與器件的導(dǎo)熱媒介，用于熱傳導(dǎo)、溫度探頭的埋藏。溫度探頭用于溫度的采集。裝置框圖如圖1 所示。

圖1 裝置框圖

1.1 供電電源設(shè)計(jì)

溫控器的供電有直流24 V 和交流220 V 兩種選擇，加熱器的選擇也有直流和交流兩種選擇，以下介紹兩種供電方式的優(yōu)缺點(diǎn)：

1）直流供電。優(yōu)點(diǎn)：安全；缺點(diǎn)：系統(tǒng)開銷大，需專門配置直流電源，不便于系統(tǒng)的大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。

2）交流供電。優(yōu)點(diǎn)：接線簡單，易于擴(kuò)展；缺點(diǎn)：電壓高，不安全。

最終選擇的方案是交流供電，易于擴(kuò)展，對于不安全的因素，采用外殼接地，接線端子護(hù)套，采用較小電流的保險(xiǎn)絲等措施增加系統(tǒng)的安全性。

1.2 溫度控制回路的設(shè)計(jì)

溫度控制電路包括電源設(shè)計(jì)、溫度的采集、顯示、驅(qū)動(dòng)輸出、PID 算法的實(shí)現(xiàn)、參數(shù)設(shè)置等功能。一種是自行設(shè)計(jì)，網(wǎng)上有比較多的電路，且溫度控制算法已經(jīng)成熟，實(shí)現(xiàn)起來并不難。另一種購買成品儀表，本設(shè)計(jì)中采用的是購買成品的歐姆龍溫控器E5CZ，如圖2 所示: 它集成了我們需要的所有功能，輸出驅(qū)動(dòng)12 V 固體繼電器，供電為交流220 V，只需要配好溫度探頭和執(zhí)行的部件就可以使用。

圖2 歐姆龍溫控器

采用成品溫控器的好處是開發(fā)速度快，成本低，功能強(qiáng)，最主要的是產(chǎn)品經(jīng)過市場驗(yàn)證穩(wěn)定可靠、對工控產(chǎn)品來說尤為重要。

1.3 溫度探頭選型

本設(shè)計(jì)選擇的埃塔帶插頭K 型熱電偶測溫線，便于拆裝，最高測溫480 ℃，測溫精度達(dá)到了SLE 級別（1.1 ℃ 或0.4%），如圖3 所示。

圖3 溫度探頭

K 型熱電偶是用的比較多的型號(hào)，可以搭配溫控儀使用，測溫的范圍和精度滿足設(shè)計(jì)需求。

1.4 執(zhí)行部件選擇設(shè)計(jì)

對于目前公司混合集成電路老煉的現(xiàn)狀主要在于模塊老煉殼溫偏低，需要補(bǔ)溫的現(xiàn)狀，所以本設(shè)計(jì)的主要任務(wù)為加溫，此次選擇的是帶散熱器和風(fēng)扇的PTC加熱器， 電壓220 V， 加熱功率50 W， 平臺(tái)大小為160 mm×100 mm×26 mm，基本可滿足大多數(shù)應(yīng)用，如圖4 所示。

圖4 散熱器

PTC 加熱器，在溫度低的時(shí)候電阻小，功率大；在溫度高的時(shí)候電阻大，功率??；搭配溫控儀可使在溫度控制速度快，穩(wěn)定的效果，由于是密封結(jié)構(gòu)，增加絕緣性與安全性，溫度的一致性較好。

由于加熱器是220 V 交流供電的，所以需要一個(gè)交流的固體繼電器進(jìn)行控制，此次選擇的是艾克斯的ASR03-340DA（體積比較大，電流40 A 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于使用要求），如圖5 所示。

圖5 固體繼電器

交流固態(tài)繼電器功率大，無觸點(diǎn)、過零型，對電網(wǎng)的干擾小，使用比較安全，此次選擇比較大電流的固體繼電器主要原因是固體繼電器損壞（輸出短路）的后果比較嚴(yán)重（一直加熱）。

軸流風(fēng)機(jī)的主要作用是控溫過程不穩(wěn)定導(dǎo)致的超調(diào)（儀表設(shè)置為超過設(shè)置值的3 ℃）進(jìn)行降溫處理。另外一個(gè)作用是停止模塊測試時(shí)可以加速器件的降溫。

1.5 導(dǎo)熱媒介選擇

傳統(tǒng)做法是器件和散熱器硬接觸，由于散熱器和器件表面不平整，導(dǎo)致散熱不均勻，器件局部溫度過高，損壞器件，此次的設(shè)計(jì)采用高導(dǎo)熱率的硅膠墊作為介質(zhì)，由于它具有高導(dǎo)熱率和彈性且自帶黏性、絕緣強(qiáng)度高，能夠很好的貼合器件，達(dá)到導(dǎo)熱的目的。

本設(shè)計(jì)采用3M 廠家的硅脂墊，導(dǎo)熱系數(shù)為6 W，厚度為2 mm 和1 mm 大小為100 mm×100 mm，單面背膠，使用時(shí)2 mm 粘貼在加熱平面下面一層，1 mm粘貼在上層，兩層中間放溫度探頭，可以很好地保護(hù)探頭和器件。

1.6 開關(guān)、連接器、線纜選擇

由于此平臺(tái)需要長期在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運(yùn)行，所以對材料的選擇要求比較高，加熱器部分接線柱選擇陶瓷接線柱，線纜外加高溫護(hù)套；線纜采用硅膠線；端子采用航空插頭，增加可靠性；開關(guān)插頭采用卡扣結(jié)構(gòu)，便于安裝。

1.7 控制器殼體設(shè)計(jì)

殼體為鋁合金長方體結(jié)構(gòu)，尺寸為120 mm×63 mm×200 mm，如圖6 所示。前后擋板根據(jù)需求開定制孔位，前擋板為溫控器和電源開關(guān)，后擋板為電源插頭、航空插頭和熱電偶插頭，殼體兩側(cè)開散熱孔。

圖6 控制器殼體

2 使用與維護(hù)

2.1 使用

首先將器件固定在加熱平臺(tái)上，保證探頭在器件的正下方，調(diào)試好器件后再打開溫控平臺(tái)電源，按照規(guī)范設(shè)置好溫度，觀察升溫和溫度穩(wěn)定情況，看是否有過溫和溫度震蕩情況，若有，檢查器件和平臺(tái)的貼合情況，溫度穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)為測試值和設(shè)置值誤差在±1 ℃；下電路，先將溫度設(shè)置為室溫，待溫度降下來再取下電路。

2.2 維護(hù)

不要頻繁挪動(dòng)和插拔接頭，容易造成松動(dòng)和短路；要經(jīng)常對硅膠墊進(jìn)行清潔；每次使用前檢查端子和插頭的連接性和穩(wěn)定性。

2.3 注意事項(xiàng)

使用完畢后將溫度調(diào)到室溫后關(guān)掉電源；使用過程中禁止使用手接觸加熱平臺(tái)防止?fàn)C傷；挪動(dòng)過程中輕拿輕放，勿用手拽拉線纜。

3 結(jié)束語

經(jīng)自評并組織行業(yè)專家、用戶單位代表、研制單位代表等多方專家和代表對該老煉溫控裝置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了評審，本設(shè)計(jì)能夠解決混合集成電路老煉過程中的溫控難題，實(shí)現(xiàn)殼溫的精準(zhǔn)控制，推動(dòng)了混合集成電路老煉的發(fā)展，同時(shí)使混合集成電路老煉方面更加規(guī)范化。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2023年4月期）