如何設(shè)計(jì)高溫老化房
目前,國內(nèi)外普遍采用高溫老化工藝來提高電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性,通過高溫老化可以使元器件的缺陷、焊接和裝配等生產(chǎn)過程中存在的隱患提前暴露,保證出廠的產(chǎn)品能經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)。
下面簡單介紹了關(guān)于高溫的各種原理:步入式高溫老化房
1 步入式高溫老化房的原理
電子產(chǎn)品在生產(chǎn)制造時(shí),因設(shè)計(jì)不合理、原材料或工藝措施方面的原因引起產(chǎn)品的質(zhì)量問題有兩類,*類是產(chǎn)品的性能參數(shù)不達(dá)標(biāo),生產(chǎn)的產(chǎn)品不符合使用要求;第二類是潛在的缺陷,這類缺陷不能用一般的測(cè)試手段發(fā)現(xiàn),而需要在使用過程中逐漸地被暴露,如硅片表面污染、組織不穩(wěn)定、焊接空洞、芯片和管殼熱阻匹配不良等等。一般這種缺陷需要在元器件工作于額定功率和正常工作溫度下運(yùn)行一千個(gè)小時(shí)左右才能全部被激活(暴露)。顯然,對(duì)每只元器件測(cè)試一千個(gè)小時(shí)是不現(xiàn)實(shí)的,所以需要對(duì)其施加熱應(yīng)力和偏壓,例如進(jìn)行高溫功率應(yīng)力試驗(yàn),來加速這類缺陷的提早暴露。也就是給電子產(chǎn)品施加熱的、電的、機(jī)械的或多種綜合的外部應(yīng)力,模擬嚴(yán)酷工作環(huán)境,消除加工應(yīng)力和殘余溶劑等物質(zhì),使?jié)摲收咸崆俺霈F(xiàn),盡快使產(chǎn)品通過失效浴盆特性初期階段,進(jìn)入高可*的穩(wěn)定期。電子產(chǎn)品的失效曲線如圖1所示。
老化后進(jìn)行電氣參數(shù)測(cè)量,篩選剔除失效或變值的元器件,盡可能把產(chǎn)品的早期失效消滅在正常使用之前。這種為提高電子產(chǎn)品可靠度和延長產(chǎn)品使用壽命,對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行必要的考核,以便剔除那些有“早逝”缺陷的潛在“個(gè)體”(元器件),確保整機(jī)品質(zhì)和期望壽命的工藝就是高溫老化的原理。
2 步入式高溫老化房空間結(jié)構(gòu)和絕熱措施
2.1 步入式高溫老化房的空間布置
根據(jù)電子產(chǎn)品高溫老化的要求,對(duì)一間廠房進(jìn)行了改造裝修,其重點(diǎn)放在空間布置和絕熱設(shè)計(jì)上。平面布置如圖2所示,房間被分成兩部分,外間作為控制室,控制箱懸掛在控制室的墻上。內(nèi)間作為高溫老化室,是由絕熱材料形成的密閉空間。頂部采用鋼龍骨吊頂,吊頂一角留有活動(dòng)板以便維修人員進(jìn)入頂部進(jìn)行維護(hù),控制室的控制線經(jīng)過吊頂上部,然后再分布到老化室的各個(gè)部分。絕熱墻體采用鋼龍骨框架,保證有足夠的強(qiáng)度和剛度,絕熱墻體兩面覆防火板,中間填充絕熱材料,如巖棉等(25ºc時(shí)熱導(dǎo)率約0.04w·m-1·k-1)。老化室的門雙面覆鍍鋁鋅鋼板,中間填充絕熱材料,門框與門之間采用硅橡膠密封。后墻推拉窗及前墻觀察窗采用雙層玻璃結(jié)構(gòu),具有良好的密封和絕熱效果,同時(shí)便于采光和監(jiān)視。在老化室墻體四角放置四個(gè)風(fēng)機(jī),以便室內(nèi)空氣循環(huán)流動(dòng),均勻室內(nèi)空氣的溫度。
2.2 步入式高溫老化房熱平衡計(jì)算
步入式高溫老化房內(nèi)溫度升高所需的熱量加熱器提供,加熱器采用不銹鋼鎧裝結(jié)構(gòu),加熱器之間采用銅排連接,固定牢靠,外面用鍍鋅鐵網(wǎng)進(jìn)行防護(hù)。
不考慮熱量散失的理想條件下,老化室達(dá)到設(shè)定老化溫度所需的熱量:q=(c1m1+c2m2)×(t1-t0)
c1為老化室內(nèi)空氣的比熱容(約1.005kj·kg-1·k-1,不同溫度下略有不同);
c2為被老化的產(chǎn)品的平均比熱容(kj·kg-1·k-1);
m1為老化室內(nèi)空氣的質(zhì)量(kg);
m2為被老化的產(chǎn)品的質(zhì)量(kg);
t1為設(shè)定的老化溫度(℃);
t0為老化室的初始環(huán)境溫度(℃);
實(shí)際情況下,密封和絕熱不可能是理想狀態(tài),所以,熱量損失是不可避免的。根據(jù)空氣和巖棉在初始溫度及zui高設(shè)定溫度下的不同熱導(dǎo)率μ(w·m-1·k-1),根據(jù)老化室的結(jié)構(gòu)及房間六個(gè)面的面積計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的絕熱系數(shù)ξ(㎡·k·w-1),然后計(jì)算出一定時(shí)間內(nèi)達(dá)到zui高設(shè)定溫度整個(gè)系統(tǒng)實(shí)際所需的熱量,這樣就可計(jì)算出加熱器總的理論功率p。zui后,根據(jù)系統(tǒng)冗余系數(shù)η算出加熱器總的實(shí)際功率pt。在定制加熱器時(shí),要考慮各個(gè)加熱器的電壓等級(jí)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。加熱器外穿不銹鋼散熱片,便于散熱,防止加熱器燒紅。
3 溫度控制系統(tǒng)
此控制系統(tǒng)采用pid控制儀進(jìn)行溫度控制,當(dāng)通過溫度傳感器采集的被老化的電子產(chǎn)品的溫度偏離所希望的給定值時(shí),pid控制儀根據(jù)反饋的偏差進(jìn)行比例(p)、積分(i)、微分(d)運(yùn)算,輸出一個(gè)適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)(加熱器),促使測(cè)量值恢復(fù)到給定值,達(dá)到自動(dòng)控制溫度的目的。
3.1 控制數(shù)學(xué)模型
控制對(duì)象是一個(gè)具有滯后環(huán)節(jié)的一階系統(tǒng),控制系統(tǒng)采用閉環(huán)延時(shí)輸出的pid調(diào)節(jié)方式。pid控制技術(shù)比較成熟,靈活可靠。
連續(xù)調(diào)節(jié)的pid微分方程為
u=kp(e+ )+u0
對(duì)于微機(jī)控制而言,要使離散的控制形式逼近于連續(xù)的控制形式,采樣周期必須取得足夠短,這樣,可將描述系統(tǒng)調(diào)節(jié)規(guī)律的微分方程改變?yōu)椴罘址匠?,便于編程,?shí)現(xiàn)模擬控制的數(shù)字化。
pid差分方程為
un= [en+ ·t+ ( )]+u0
un為第n次的輸出量
u0為初始的輸出量
en為傳感器第n次的采集所得的偏差量
en-1為傳感器第n-1次的采集所得的偏差量
為比例系數(shù)
為積分時(shí)間
為微分時(shí)間
3.2控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)
比例運(yùn)算是指輸出控制量與輸入量的一階差商關(guān)系。儀表比例系數(shù) 設(shè)定值越大(比例帶δ越小),控制的靈敏度越低,設(shè)定值越小,控制的靈敏度越高。增大比例系數(shù)有利于減小靜差,加速系統(tǒng)的響應(yīng),但比例系數(shù)過大會(huì)使系統(tǒng)產(chǎn)生大的超調(diào),甚至產(chǎn)生震蕩,使穩(wěn)定性變差。 積分運(yùn)算的目的是消除靜差。只要偏差存在,積分作用將控制量向使偏差消除的方向移動(dòng)。積分時(shí)間是表示積分作用強(qiáng)度的單位。增大積分時(shí)間對(duì)減小超調(diào),減小震蕩有利,使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定,但系統(tǒng)的靜差的消除隨之減慢。儀表設(shè)定的積分時(shí)間越短,積分作用越強(qiáng)。比例作用和積分作用是對(duì)控制結(jié)果的修正動(dòng)作,響應(yīng)較慢。微分作用是為了消除其缺點(diǎn)而補(bǔ)充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對(duì)輸出量進(jìn)行修正,使控制過程盡快恢復(fù)到原來的控制狀態(tài),微分時(shí)間是表示微分作用強(qiáng)度的單位,儀表設(shè)定的微分時(shí)間越長,則以微分作用進(jìn)行的修正越強(qiáng),有利于加快系統(tǒng)的響應(yīng),減小超調(diào),增加穩(wěn)定性,但降低了系統(tǒng)對(duì)擾動(dòng)的抑制能力,使系統(tǒng)對(duì)干擾過于敏感。在實(shí)際的調(diào)試過程中幾個(gè)方面都要兼顧,經(jīng)過反復(fù)調(diào)試,使控制器處于*狀態(tài)。
3.2 溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
溫度控制系統(tǒng)主要由pid控制儀、可控硅、可控硅觸發(fā)器、溫度傳感器、加熱器、控制回路等組成,如圖3所示。
由溫度傳感器采集老化室內(nèi)的溫度,然后把它傳給控制儀,控制儀把它與內(nèi)部設(shè)定值進(jìn)行比較運(yùn)算,根據(jù)偏差值輸出控制量來調(diào)節(jié)可控硅導(dǎo)通角的變化的,也就是控制負(fù)載電流的變化,從而以閉環(huán)的控制形式達(dá)到自動(dòng)控溫的目的。 另外,本控制儀還設(shè)置了溫度上限跳閘保護(hù),這樣,當(dāng)pid控制儀失靈時(shí),可以起到雙重保護(hù)作用??刂苾x通過標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口與遠(yuǎn)方計(jì)算機(jī)相連,后臺(tái)計(jì)算機(jī)可調(diào)用控制儀的現(xiàn)場數(shù)據(jù),可進(jìn)行控制儀內(nèi)部數(shù)據(jù)的設(shè)定,并可打印實(shí)時(shí)溫度曲線。
4 結(jié)束語
經(jīng)過兩年的實(shí)際運(yùn)行,系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性均滿足使用的要求,溫度控制精度在正負(fù)1度之內(nèi)。
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