電路板高溫老化房工作原理(li)及結構設計

     隨著電子技術的發展，電路板的(de)集成化(hua)程度越(yue)來越(yue)高，結構越(yue)來越(yue)細微，工序(xu)越(yue)來越(yue)多，制造工藝越(yue)來越(yue)復雜(za)，這(zhe)樣在制造過程中會產生潛(qian)伏缺陷。對一(yi)個好的(de)電路板產(chan)品(pin)(pin)，不但要求有(you)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)性(xing)(xing)能(neng)(neng)指標(biao)，而且還要有(you)較高(gao)的(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)。電子產(chan)品(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)取決于設計的(de)(de)(de)(de)合理性(xing)(xing)、元器件(jian)性(xing)(xing)能(neng)(neng)以(yi)(yi)及整(zheng)機制(zhi)造工(gong)藝等因素。目前，國內外普遍采用高(gao)溫老化(hua)(hua)工(gong)藝來(lai)提(ti)高(gao)電子產(chan)品(pin)(pin)的(de)(de)(de)(de)穩定性(xing)(xing)和(he)(he)可*性(xing)(xing)，通過高(gao)溫老化(hua)(hua)可以(yi)(yi)使元器件(jian)的(de)(de)(de)(de)缺陷、焊接(jie)和(he)(he)裝配(pei)等生產(chan)過程中存在的(de)(de)(de)(de)隱患提(ti)前暴露(lu)，保證(zheng)出(chu)廠的(de)(de)(de)(de)產(chan)品(pin)(pin)能(neng)(neng)經得(de)起時間的(de)(de)(de)(de)考驗。 

1 電路板高(gao)溫老化房原理

電(dian)(dian)(dian)子產品(pin)(pin)在(zai)生產制造時，因設計不(bu)合(he)理、原(yuan)材(cai)料或工(gong)藝措施(shi)(shi)方面的(de)(de)原(yuan)因引(yin)起產品(pin)(pin)的(de)(de)質(zhi)量問題有兩(liang)類(lei)，*類(lei)是(shi)產品(pin)(pin)的(de)(de)性(xing)能(neng)參數不(bu)達標(biao)，生產的(de)(de)產品(pin)(pin)不(bu)符(fu)合(he)使用要(yao)(yao)求；第二類(lei)是(shi)潛(qian)在(zai)的(de)(de)缺(que)(que)陷(xian)，這(zhe)(zhe)類(lei)缺(que)(que)陷(xian)不(bu)能(neng)用一(yi)般(ban)的(de)(de)測試(shi)手段發(fa)現，而需要(yao)(yao)在(zai)使用過程中逐漸地(di)被(bei)暴露(lu)，如(ru)硅片表面污(wu)染(ran)、組(zu)織(zhi)不(bu)穩(wen)定(ding)、焊接空洞、芯片和管殼熱阻匹配不(bu)良等(deng)(deng)等(deng)(deng)。一(yi)般(ban)這(zhe)(zhe)種缺(que)(que)陷(xian)需要(yao)(yao)在(zai)元器(qi)件工(gong)作(zuo)于額(e)定(ding)功(gong)率和正常(chang)工(gong)作(zuo)溫度下(xia)運行一(yi)千(qian)個(ge)小(xiao)時左右(you)才(cai)能(neng)全(quan)部被(bei)激活（暴露(lu)）。顯然，對每只元器(qi)件測試(shi)一(yi)千(qian)個(ge)小(xiao)時是(shi)不(bu)現實的(de)(de)，所以需要(yao)(yao)對其施(shi)(shi)加(jia)熱應(ying)(ying)力和偏壓，例如(ru)進行高(gao)溫功(gong)率應(ying)(ying)力試(shi)驗(yan)，來(lai)加(jia)速這(zhe)(zhe)類(lei)缺(que)(que)陷(xian)的(de)(de)提早暴露(lu)。也就是(shi)給(gei)電(dian)(dian)(dian)子產品(pin)(pin)施(shi)(shi)加(jia)熱的(de)(de)、電(dian)(dian)(dian)的(de)(de)、機(ji)械的(de)(de)或多(duo)種綜合(he)的(de)(de)外部應(ying)(ying)力，模擬嚴酷工(gong)作(zuo)環境(jing)，消除加(jia)工(gong)應(ying)(ying)力和殘余溶劑等(deng)(deng)物質(zhi)，使潛(qian)伏故障提前出現，盡快(kuai)使產品(pin)(pin)通過失(shi)效浴盆特性(xing)初期(qi)階段，進入高(gao)可(ke)的(de)(de)穩(wen)定(ding)期(qi)。電路(lu)板老化(hua)產品(pin)的失效曲線(xian)如圖1所(suo)示。

老化后進(jin)行電氣參數測量，篩選剔(ti)(ti)除失(shi)效(xiao)或(huo)變值的(de)元器件，盡(jin)可(ke)能把產(chan)品(pin)(pin)的(de)早期失(shi)效(xiao)消滅在正常使用(yong)之前。這(zhe)種(zhong)為提高電子(zi)產(chan)品(pin)(pin)可(ke)*度和(he)延長(chang)產(chan)品(pin)(pin)使用(yong)壽命，對穩(wen)定(ding)性進(jin)行必要的(de)考核，以便剔(ti)(ti)除那些有“早逝”缺(que)陷的(de)潛在“個體”（元器件），確保整機品(pin)(pin)質(zhi)和(he)期望壽命的(de)工(gong)藝就是高溫老化的(de)原理。

2 電路板高(gao)溫老化室結構設計(ji)和(he)絕熱措施

2.1 老化室的(de)空間布(bu)置(zhi)根據電(dian)子(zi)產(chan)品(pin)高溫(wen)老化的(de)要(yao)求，對(dui)一間廠房進行了改造(zao)裝修，其重點(dian)放在空間布(bu)置(zhi)和(he)絕熱設(she)計上。平面布(bu)置(zhi)如圖2所示，

房間(jian)被分(fen)成兩部(bu)分(fen)，外間(jian)作為控制(zhi)(zhi)室，控制(zhi)(zhi)箱懸(xuan)掛(gua)在(zai)控制(zhi)(zhi)室的(de)墻上。內間(jian)作為高溫老(lao)化(hua)室，是由絕(jue)熱(re)材(cai)料形成的(de)密閉空(kong)(kong)間(jian)。頂(ding)部(bu)采(cai)(cai)用(yong)鋼龍骨(gu)吊頂(ding)，吊頂(ding)一角(jiao)(jiao)留(liu)有活動板以(yi)(yi)便(bian)維修(xiu)人員(yuan)進入頂(ding)部(bu)進行維護，控制(zhi)(zhi)室的(de)控制(zhi)(zhi)線經過吊頂(ding)上部(bu)，然后再分(fen)布(bu)到老(lao)化(hua)室的(de)各個(ge)部(bu)分(fen)。絕(jue)熱(re)墻體(ti)(ti)采(cai)(cai)用(yong)鋼龍骨(gu)框(kuang)架，保證有足夠(gou)的(de)強(qiang)度和(he)(he)剛度，絕(jue)熱(re)墻體(ti)(ti)兩面(mian)覆防火板，中(zhong)間(jian)填充(chong)絕(jue)熱(re)材(cai)料，如巖棉等（25ºc時(shi)熱(re)導(dao)率約0.04w·m-1·k-1）。老(lao)化(hua)室的(de)門雙面(mian)覆鍍鋁鋅鋼板，中(zhong)間(jian)填充(chong)絕(jue)熱(re)材(cai)料，門框(kuang)與門之(zhi)間(jian)采(cai)(cai)用(yong)硅橡膠密封。后墻推拉窗及前墻觀(guan)察窗采(cai)(cai)用(yong)雙層玻璃(li)結構，具(ju)有良(liang)好的(de)密封和(he)(he)絕(jue)熱(re)效果，同(tong)時(shi)便(bian)于(yu)采(cai)(cai)光(guang)和(he)(he)監視。在(zai)老(lao)化(hua)室墻體(ti)(ti)四(si)角(jiao)(jiao)放置四(si)個(ge)風機(ji)，以(yi)(yi)便(bian)室內空(kong)(kong)氣(qi)循環流動，均勻室內空(kong)(kong)氣(qi)的(de)溫度。

2.2 老(lao)(lao)化(hua)室熱平衡計算老(lao)(lao)化(hua)室內(nei)溫度升高所需(xu)的熱量由加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)提(ti)供，加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)采用(yong)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)鎧裝結構，加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)之(zhi)間采用(yong)銅排連接(jie)，固(gu)定(ding)牢*，外面(mian)用(yong)鍍(du)鋅鐵(tie)網(wang)進(jin)行防護(hu)。不(bu)考(kao)慮(lv)熱(re)量(liang)散(san)失的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)理想條件下(xia)，老化室(shi)達到(dao)設定(ding)老化溫(wen)(wen)度所需的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)量(liang)：q=（c1m1+c2m2）×（t1-t0）c1為老化室(shi)內(nei)空(kong)(kong)氣(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)比熱(re)容（約1.005kj·kg-1·k-1，不(bu)同溫(wen)(wen)度下(xia)略有不(bu)同）；c2為被老化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)品的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)平均比熱(re)容（kj·kg-1·k-1）；m1為老化室(shi)內(nei)空(kong)(kong)氣(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)（kg）；m2為被老化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)產(chan)品的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)質量(liang)（kg）；t1為設定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)老化溫(wen)(wen)度（℃）；t0為老化室(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)初(chu)始(shi)環境溫(wen)(wen)度（℃）；實際情況下(xia)，密封和絕(jue)熱(re)不(bu)可能是(shi)理想狀態，所以，熱(re)量(liang)損失是(shi)不(bu)可避免的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)。根據空(kong)(kong)氣(qi)和巖(yan)棉在初(chu)始(shi)溫(wen)(wen)度及zui高(gao)設定(ding)溫(wen)(wen)度下(xia)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)不(bu)同熱(re)導率μ（w·m-1·k-1），根據老化室(shi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)結構及房間六個面(mian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)面(mian)積計(ji)算(suan)(suan)整個系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)絕(jue)熱(re)系(xi)數(shu)ξ（㎡·k·w-1）,然后計(ji)算(suan)(suan)出(chu)(chu)一定(ding)時間內(nei)達到(dao)zui高(gao)設定(ding)溫(wen)(wen)度整個系(xi)統(tong)實際所需的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)熱(re)量(liang)，這樣就可計(ji)算(suan)(suan)出(chu)(chu)加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)總的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)理論功率p。zui后，根據系(xi)統(tong)冗余系(xi)數(shu)η算(suan)(suan)出(chu)(chu)加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)總的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)實際功率pt。在定(ding)制加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)時，要考(kao)慮(lv)各個加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)電壓等級和接(jie)法，是(shi)三(san)角形(xing)接(jie)法，或是(shi)星形(xing)接(jie)法，或者是(shi)星形(xing)三(san)角形(xing)混合接(jie)法。加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)外穿不(bu)銹(xiu)鋼(gang)散(san)熱(re)片，便于散(san)熱(re)，防止加(jia)(jia)熱(re)器(qi)(qi)燒紅。

3 溫度控(kong)制系(xi)統此控(kong)制系(xi)統采用PID溫度控制器進行溫度控制，當通過溫度傳(chuan)感器采集(ji)的(de)被老化(hua)的(de)電子產品的(de)溫度偏離所希望的(de)給定值時，老化(hua)房PID控(kong)制儀(yi)根據反饋的(de)偏(pian)差進(jin)行比例(li)（p）、積分(fen)（i）、微分(fen)（d）運算(suan)，輸出一個適(shi)當的(de)控(kong)制信號給執行機構（加熱器(qi)），促使測量(liang)值恢復到給定值，達到自動控(kong)制溫度的(de)目的(de)。

3.1 控(kong)制(zhi)數學模(mo)型控(kong)制(zhi)對象是一個具有滯后環(huan)節(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一階系(xi)統，控(kong)制(zhi)系(xi)統采(cai)(cai)用閉環(huan)延時輸(shu)出(chu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)pid調(diao)節(jie)(jie)方(fang)(fang)式。pid控(kong)制(zhi)技(ji)術比較成熟(shu)，靈(ling)活可*。連(lian)續(xu)調(diao)節(jie)(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)pid微(wei)分(fen)方(fang)(fang)程為(wei)(wei)(wei)u=kp（e+ ）+u0對于微(wei)機控(kong)制(zhi)而言，要使離散的(de)(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)形式逼近(jin)于連(lian)續(xu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制(zhi)形式，采(cai)(cai)樣(yang)周(zhou)期(qi)必須取(qu)得(de)足(zu)夠短，這樣(yang)，可將描述系(xi)統調(diao)節(jie)(jie)規律(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)分(fen)方(fang)(fang)程改變為(wei)(wei)(wei)差(cha)分(fen)方(fang)(fang)程，便(bian)于編程，實現模(mo)擬控(kong)制(zhi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)數字(zi)化(hua)。pid差(cha)分(fen)方(fang)(fang)程為(wei)(wei)(wei)un= [en+ ·t+ （ ）]+u0un為(wei)(wei)(wei)第(di)n次(ci)(ci)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)量u0為(wei)(wei)(wei)初(chu)始的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)量en為(wei)(wei)(wei)傳感(gan)(gan)器(qi)第(di)n次(ci)(ci)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)采(cai)(cai)集(ji)所(suo)得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏差(cha)量en-1為(wei)(wei)(wei)傳感(gan)(gan)器(qi)第(di)n-1次(ci)(ci)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)采(cai)(cai)集(ji)所(suo)得(de)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)偏差(cha)量為(wei)(wei)(wei)比例系(xi)數為(wei)(wei)(wei)積(ji)分(fen)時間為(wei)(wei)(wei)微(wei)分(fen)時間

3.2控(kong)制器參數(shu)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)節比(bi)(bi)(bi)例運(yun)算是(shi)(shi)指輸(shu)出控(kong)制量(liang)與輸(shu)入量(liang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)一階(jie)差(cha)(cha)(cha)商關系(xi)(xi)(xi)。儀表(biao)比(bi)(bi)(bi)例系(xi)(xi)(xi)數(shu) 設定(ding)值越(yue)大(da)（比(bi)(bi)(bi)例帶δ越(yue)小(xiao)(xiao)），控(kong)制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)靈敏(min)(min)(min)度越(yue)低，設定(ding)值越(yue)小(xiao)(xiao)，控(kong)制的(de)(de)(de)(de)(de)(de)靈敏(min)(min)(min)度越(yue)高。增(zeng)大(da)比(bi)(bi)(bi)例系(xi)(xi)(xi)數(shu)有(you)利于(yu)(yu)減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)靜差(cha)(cha)(cha)，加速系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)，但(dan)比(bi)(bi)(bi)例系(xi)(xi)(xi)數(shu)過大(da)會使(shi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)產生(sheng)大(da)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)超調(diao)，甚至(zhi)產生(sheng)震蕩，使(shi)穩定(ding)性(xing)變差(cha)(cha)(cha)。 積(ji)(ji)分(fen)(fen)運(yun)算的(de)(de)(de)(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)(de)(de)(de)是(shi)(shi)消(xiao)除靜差(cha)(cha)(cha)。只要偏(pian)差(cha)(cha)(cha)存(cun)在(zai)，積(ji)(ji)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)將控(kong)制量(liang)向(xiang)(xiang)使(shi)偏(pian)差(cha)(cha)(cha)消(xiao)除的(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)向(xiang)(xiang)移(yi)動(dong)。積(ji)(ji)分(fen)(fen)時間(jian)是(shi)(shi)表(biao)示積(ji)(ji)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)強度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單位。增(zeng)大(da)積(ji)(ji)分(fen)(fen)時間(jian)對(dui)減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)超調(diao)，減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)震蕩有(you)利，使(shi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)趨向(xiang)(xiang)穩定(ding)，但(dan)系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)靜差(cha)(cha)(cha)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)消(xiao)除隨之減(jian)(jian)慢(man)。儀表(biao)設定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)積(ji)(ji)分(fen)(fen)時間(jian)越(yue)短(duan)，積(ji)(ji)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)越(yue)強。比(bi)(bi)(bi)例作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)和積(ji)(ji)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)是(shi)(shi)對(dui)控(kong)制結(jie)果的(de)(de)(de)(de)(de)(de)修正(zheng)動(dong)作(zuo)(zuo)(zuo)，響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)較慢(man)。微(wei)(wei)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)是(shi)(shi)為了消(xiao)除其(qi)缺點而補充的(de)(de)(de)(de)(de)(de)。微(wei)(wei)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)根據偏(pian)差(cha)(cha)(cha)產生(sheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)速度對(dui)輸(shu)出量(liang)進行修正(zheng)，使(shi)控(kong)制過程(cheng)盡快恢復(fu)到原來的(de)(de)(de)(de)(de)(de)控(kong)制狀態，微(wei)(wei)分(fen)(fen)時間(jian)是(shi)(shi)表(biao)示微(wei)(wei)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)強度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)單位，儀表(biao)設定(ding)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)(wei)分(fen)(fen)時間(jian)越(yue)長，則以微(wei)(wei)分(fen)(fen)作(zuo)(zuo)(zuo)用(yong)(yong)進行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)修正(zheng)越(yue)強，有(you)利于(yu)(yu)加快系(xi)(xi)(xi)統(tong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)(ying)(ying)，減(jian)(jian)小(xiao)(xiao)超調(diao)，增(zeng)加穩定(ding)性(xing)，但(dan)降低了系(xi)(xi)(xi)統(tong)對(dui)擾動(dong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)抑制能力，使(shi)系(xi)(xi)(xi)統(tong)對(dui)干(gan)擾過于(yu)(yu)敏(min)(min)(min)感。在(zai)實(shi)際的(de)(de)(de)(de)(de)(de)調(diao)試過程(cheng)中幾個方(fang)面(mian)都要兼顧，經過反復(fu)調(diao)試，使(shi)控(kong)制器處(chu)于(yu)(yu)*狀態。

3.2 溫度(du)控制(zhi)系(xi)統的結構

溫(wen)度控(kong)制系統主要由(you)高溫老(lao)化房(fang)PID溫度控制儀表(biao)、可控硅、可控硅觸發器、溫度傳感器、加(jia)熱(re)器、控制回路(lu)等(deng)組(zu)成，如(ru)圖3所示。

由(you)溫度傳感器采集(ji)老(lao)化(hua)(hua)室(shi)內(nei)的(de)(de)(de)(de)溫度，然后(hou)把(ba)(ba)它傳給控(kong)(kong)(kong)制(zhi)儀，控(kong)(kong)(kong)制(zhi)儀把(ba)(ba)它與內(nei)部設定值進行比較運算(suan)，根據偏差(cha)值輸(shu)出控(kong)(kong)(kong)制(zhi)量來調節可控(kong)(kong)(kong)硅導通角的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)，也(ye)就是控(kong)(kong)(kong)制(zhi)負載電流的(de)(de)(de)(de)變(bian)化(hua)(hua)，從而(er)以閉(bi)環的(de)(de)(de)(de)控(kong)(kong)(kong)制(zhi)形式達到自(zi)動控(kong)(kong)(kong)溫的(de)(de)(de)(de)目(mu)的(de)(de)(de)(de)。另外，本控(kong)(kong)(kong)制(zhi)儀還設置了溫度上限跳閘保(bao)護(hu)，這樣，當PID控(kong)制(zhi)儀失靈時，可以起到雙重保(bao)護作用。控(kong)制(zhi)儀通過標準(zhun)的串行(xing)通訊(xun)接口與遠方計(ji)算機相連，后臺計(ji)算機可調用控(kong)制(zhi)儀的現(xian)場數據(ju)，可進(jin)行(xing)控(kong)制(zhi)儀內(nei)部數據(ju)的設(she)定(ding)，并(bing)可打印實時溫度曲線。 

4 結(jie)束語經過兩年的實際運行，系統的穩定性和動態響應(ying)性均滿足使用(yong)的要求，溫度控(kong)制精(jing)度在正負1度之內。

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