電子產(chǎn)品高溫老化的原理

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子產(chǎn)品的集成化程度越來(lái)越高，結(jié)構(gòu)越來(lái)越細(xì)微，工序越來(lái)越多，制造工藝越來(lái)越復(fù)雜，這樣在制造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生潛伏缺陷。對(duì)一個(gè)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(jì)的合理性、元器件性能以及整機(jī)制造工藝等因素。目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用高溫老化工藝來(lái)提高電子產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可*性，通過(guò)高溫老化可以使元器件的缺陷、焊接和裝配等生產(chǎn)過(guò)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)。
1 高溫老化的機(jī)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(wèn)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(cè)試手段發(fā)現(xiàn)，而需要在使用過(guò)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(lái)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(guò)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。
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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*度和延長(zhǎng)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)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(shí)際情況，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(guò)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 老化室熱平衡計(jì)算
老化室內(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*，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(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)到最高設(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。最后，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(guò)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?a target="_blank">信號(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*。
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)椴罘址匠蹋阌?a href="http://www.1cnz.cn/v/tag/1315/" target="_blank">編程，實(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(guò)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(guò)程盡快恢復(fù)到原來(lái)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(zhǎng)，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(guò)于敏感。在實(shí)際的調(diào)試過(guò)程中幾個(gè)方面都要兼顧，經(jīng)過(guò)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(yùn)算，根據(jù)偏差值輸出控制量來(lái)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。控制儀通過(guò)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(chǎng)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(yǔ)
經(jīng)過(guò)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)