一種新型混合集成電路老煉溫控裝置設計

隨著我國科學技術的飛速發(fā)展，尤其是軍用和宇航級設備的要求越來愈高，對其設備配套的元器件的質量可靠性、功能性能與環(huán)境適應性提出更高的要求。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，在出廠之前都進行老煉試驗，老煉試驗指在一定時間內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，高溫箱內的加溫處理受限于箱體內老煉裝置, 一旦出現(xiàn)操作不便，很難同時要滿足在操作方便的同時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，通過設置溫度控制設備運轉, 在滿足芯片老煉試驗順利進行的同時, 既可以保護老煉芯片, 又可以保護溫控設備不被燒毀。

1 方案設計

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、導熱媒介、加熱器以及散熱風扇。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，只需設置比較少的參數(shù)就可以達到精準的控制效果。

交流固體繼電器主要用于加熱器的通斷控制。風扇用于溫度超調時和停止老煉時器件的降溫。加熱器用于平臺的加熱。導熱硅脂墊是加熱器與器件的導熱媒介，用于熱傳導、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 供電電源設計

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：

1）直流供電。優(yōu)點：安全；缺點：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)模實現(xiàn)。

2）交流供電。優(yōu)點：接線簡單，易于擴展；缺點：電壓高，不安全。

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

1.2 溫度控制回路的設計

溫度控制電路包括電源設計、溫度的采集、顯示、驅動輸出、PID 算法的實現(xiàn)、參數(shù)設置等功能。一種是自行設計，網(wǎng)上有比較多的電路，且溫度控制算法已經(jīng)成熟，實現(xiàn)起來并不難。另一種購買成品儀表，本設計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，輸出驅動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，最主要的是產(chǎn)品經(jīng)過市場驗證穩(wěn)定可靠、對工控產(chǎn)品來說尤為重要。

1.3 溫度探頭選型

本設計選擇的埃塔帶插頭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，可以搭配溫控儀使用，測溫的范圍和精度滿足設計需求。

1.4 執(zhí)行部件選擇設計

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，需要補溫的現(xiàn)狀，所以本設計的主要任務為加溫，此次選擇的是帶散熱器和風扇的PTC加熱器， 電壓220 V， 加熱功率50 W， 平臺大小為160 mm×100 mm×26 mm，基本可滿足大多數(shù)應用，如圖4 所示。

圖4 散熱器

PTC 加熱器，在溫度低的時候電阻小，功率大；在溫度高的時候電阻大，功率??；搭配溫控儀可使在溫度控制速度快，穩(wěn)定的效果，由于是密封結構，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，所以需要一個交流的固體繼電器進行控制，此次選擇的是艾克斯的ASR03-340DA（體積比較大，電流40 A 遠遠大于使用要求），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、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）的后果比較嚴重（一直加熱）。

軸流風機的主要作用是控溫過程不穩(wěn)定導致的超調（儀表設置為超過設置值的3 ℃）進行降溫處理。另外一個作用是停止模塊測試時可以加速器件的降溫。

1.5 導熱媒介選擇

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，導致散熱不均勻，器件局部溫度過高，損壞器件，此次的設計采用高導熱率的硅膠墊作為介質，由于它具有高導熱率和彈性且自帶黏性、絕緣強度高，能夠很好的貼合器件，達到導熱的目的。

本設計采用3M 廠家的硅脂墊，導熱系數(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，可以很好地保護探頭和器件。

1.6 開關、連接器、線纜選擇

由于此平臺需要長期在高溫環(huán)境下穩(wěn)定運行，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，線纜外加高溫護套；線纜采用硅膠線；端子采用航空插頭，增加可靠性；開關插頭采用卡扣結構，便于安裝。

1.7 控制器殼體設計

殼體為鋁合金長方體結構，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，后擋板為電源插頭、航空插頭和熱電偶插頭，殼體兩側開散熱孔。

圖6 控制器殼體

2 使用與維護

2.1 使用

首先將器件固定在加熱平臺上，保證探頭在器件的正下方，調試好器件后再打開溫控平臺電源，按照規(guī)范設置好溫度，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，檢查器件和平臺的貼合情況，溫度穩(wěn)定的標準為測試值和設置值誤差在±1 ℃；下電路，先將溫度設置為室溫，待溫度降下來再取下電路。

2.2 維護

不要頻繁挪動和插拔接頭，容易造成松動和短路；要經(jīng)常對硅膠墊進行清潔；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

使用完畢后將溫度調到室溫后關掉電源；使用過程中禁止使用手接觸加熱平臺防止燙傷；挪動過程中輕拿輕放，勿用手拽拉線纜。

3 結束語

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計方案進行了評審，本設計能夠解決混合集成電路老煉過程中的溫控難題，實現(xiàn)殼溫的精準控制，推動了混合集成電路老煉的發(fā)展，同時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）