河南思達(dá)高科技股份有限公司王德東李孝忠（HENANSTARHI-TECHCO.,LTD
鄭州工程學(xué)院機電系徐雪萌（zhengzhouengineeringinstitute）
摘要介紹了電子產(chǎn)品高溫老化的原理以及一間智能溫控老化室的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞高溫老化；PID控制；絕熱；熱平衡；熱應(yīng)力
0引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的集成化程度越來越高，結(jié)構(gòu)越來越細(xì)微，工序越來越多，制造工藝越來越復(fù)雜，這樣在制造過程中會產(chǎn)生潛伏缺陷。對一個好的電子產(chǎn)品，不但要求有較高的性能指標(biāo)，而且還要有較高的穩(wěn)定性。電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性取決于設(shè)計的合理性、元器件性能以及整機制造工藝等因素。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)得起時間的考驗。
1高溫老化的機理
電子產(chǎn)品在生產(chǎn)制造時，因設(shè)計不合理、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，第一類是產(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行一千個小時左右才能全部被激活（暴露）。顯然，對每只元器件測試一千個小時是不現(xiàn)實的，所以需要對其施加熱應(yīng)力和偏壓，例如進(jìn)行高溫功率應(yīng)力試驗，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)入高可靠的穩(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“個體”（元器件），確保整機優(yōu)秀品質(zhì)和期望壽命的工藝就是高溫老化的原理。
2高溫老化室空間結(jié)構(gòu)和絕熱措施
2.1老化室的空間布置
根據(jù)電子產(chǎn)品高溫老化的要求以及我單位的實際情況，對一間廠房進(jìn)行了改造裝修，其重點放在空間布置和絕熱設(shè)計上。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部分。絕熱墻體采用鋼龍骨框架，保證有足夠的強度和剛度，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，同時便于采光和監(jiān)視。在老化室墻體四角放置四個風(fēng)機，以便室內(nèi)空氣循環(huán)流動，均勻室內(nèi)空氣的溫度。
2.2老化室熱平衡計算
老化室內(nèi)溫度升高所需的熱量靠加熱器提供，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最高設(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)及房間六個面的面積計算整個系統(tǒng)的絕熱系數(shù)ξ（㎡·k·w-1）,然后計算出一定時間內(nèi)達(dá)到最高設(shè)定溫度整個系統(tǒng)實際所需的熱量，這樣就可計算出加熱器總的理論功率P。最后，根據(jù)系統(tǒng)冗余系數(shù)η算出加熱器總的實際功率Pt。在定制加熱器時，要考慮各個加熱器的電壓等級和接法，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，PID控制儀根據(jù)反饋的偏差進(jìn)行比例（P）、積分（I）、微分（D）運算，輸出一個適當(dāng)?shù)目刂菩盘柦o執(zhí)行機構(gòu)（加熱器），促使測量值恢復(fù)到給定值，達(dá)到自動控制溫度的目的。
3.1控制數(shù)學(xué)模型
控制對象是一個具有滯后環(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
對于微機控制而言，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)椴罘址匠蹋阌诰幊蹋瑢崿F(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)
為積分時間
為微分時間
3.2控制器參數(shù)的調(diào)節(jié)
比例運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。積分時間是表示積分作用強度的單位。增大積分時間對減小超調(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)定的積分時間越短，積分作用越強。比例作用和積分作用是對控制結(jié)果的修正動作，響應(yīng)較慢。微分作用是為了消除其缺點而補充的。微分作用根據(jù)偏差產(chǎn)生的速度對輸出量進(jìn)行修正，使控制過程盡快恢復(fù)到原來的控制狀態(tài)，微分時間是表示微分作用強度的單位，儀表設(shè)定的微分時間越長，則以微分作用進(jìn)行的修正越強，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)對擾動的抑制能力，使系統(tǒng)對干擾過于敏感。在實際的調(diào)試過程中幾個方面都要兼顧，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，使控制器處于最佳狀態(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（我公司生產(chǎn)的WP-S805型）、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，可以起到雙重保護(hù)作用。控制儀通過標(biāo)準(zhǔn)的串行通訊接口與遠(yuǎn)方計算機相連，后臺計算機可調(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，并可打印實時溫度曲線。
4結(jié)束語
經(jīng)過兩年的實際運行，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(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)。
參考文獻(xiàn)
1焦尚仁.微機控制技術(shù).北京:輕工業(yè)出版社,1988年。
2賈德昌.電子材料.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2000年.
3高維堃等.現(xiàn)代電子工藝技術(shù)指南.北京.科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2001年.
王德東,男，（1970-），93年畢業(yè)于西安理工大學(xué)，工程師，一直從事機電產(chǎn)品的研究與開發(fā)工作。已獲六項省部級科研成果及專利一項。
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