电子产品高温老化工序的原理
Baike · 2011-07-02 00:57 · 43558 次点击
随着技术发展,电子产品集成化程度越来越高,结构越来越细微,工序越来越多,制造工艺越来越复杂,这样制造过程中会产生潜伏缺陷。对一个好电子产品,要求有较高性能指标,还要有较高稳定性。电子产品稳定性取决于设计合理性、元器件性能以及整机制造工艺等因素。目前,国内外普遍采用高温老化工艺来提高电子产品稳定性和可靠性,高温老化可以使元器件缺陷、焊接和装配等生产过程中存隐患提前暴露,保证出厂产品能经起时间考验。
1高温老化机理
电子产品生产制造时,因设计不合理、原材料或工艺措施方面原因引起产品质量问题有两类,第一类是产品性能参数不达标,生产产品不符合使用要求;第二类是潜缺陷,这类缺陷不能用一般测试手段发现,而需要使用过程中逐渐被暴露,如硅片表面污染、组织不稳定、焊接空洞、芯片和管壳热阻匹配不良等等。一般这种缺陷需要元器件工作于额定功率和正常工作温度下运行一千个小时左右才能全部被激活(暴露)。显然,对每只元器件测试一千个小时是不现实,需要对其施加热应力和偏压,例如进行高温功率应力试验,来加速这类缺陷提早暴露。也就是给电子产品施加热、电、机械或多种综合外部应力,模拟严酷工作环境,消除加工应力和残余溶剂等物质,使潜伏故障提前出现,尽快使产品失效浴盆特性初期阶段,进入高可靠稳定期。
老化后进行电气参数测量,筛选剔除失效或变值元器件,尽可能把产品早期失效消灭正常使用之前。这种为提高电子产品可靠度和延长产品使用寿命,对稳定性进行必要考核,剔除那些有“早逝”缺陷潜“个体”(元器件),确保整机优秀品质和期望寿命工艺就是高温老化原理。
2老化室热平衡计算
老化室内温度升高所需热量靠加热器提供,加热器采用不锈钢铠装结构,加热器之间采用铜排连接,固定牢靠,外面用镀锌铁网进行防护。
不考虑热量散失理想条件下,老化室达到设定老化温度所需热量:Q=(c1m1+c2m2)×(T1-T0)
c1为老化室内空气比热容(约1.005kJ·kg-1·K-1,不同温度下略有不同);
c2为被老化产品平均比热容(kJ·kg-1·K-1);
m1为老化室内空气质量(kg);
m2为被老化产品质量(kg);
t1为设定老化温度(℃);
t0为老化室初始环境温度(℃);
实际情况下,密封和绝热不可能是理想状态,,热量损失是不可避免。空气和岩棉初始温度及最高设定温度下不同热导率μ(w·m-1·k-1),老化室结构及房间六个面面积计算整个系统绝热系数ξ(㎡·k·w-1),然后计算出一定时间内达到最高设定温度整个系统实际所需热量,这样就可计算出加热器总理论功率P。最后,系统冗余系数η算出加热器总实际功率Pt。定制加热器时,要考虑各个加热器电压等级和接法,是三角形接法,或是星形接法,是星形三角形混合接法。加热器外穿不锈钢散热片,便于散热,防止加热器烧红。
3温度控制系统
此控制系统采用PID控制仪进行温度控制,当温度传感器采集被老化电子产品温度偏离所希望给定值时,PID控制仪反馈偏差进行比例(P)、积分(I)、微分(D)运算,输出一个适当控制信号给执行机构(加热器),促使测量值恢复到给定值,达到自动控制温度目。
3.1控制数学模型
控制对象是一个具有滞后环节一阶系统,控制系统采用闭环延时输出PID调节方式。PID控制技术比较成熟,灵活可靠。
连续调节PID微分方程为
u=Kp(e+)+u0
微机控制而言,要使离散控制形式逼近于连续控制形式,采样周期必须取足够短,这样,可将描述系统调节规律微分方程改变为差分方程,便于编程,实现模拟控制数字化。
PID差分方程为
Un=+U0
Un为第n次输出量
U0为初始输出量
en为传感器第n次采集所偏差量
en-1为传感器第n-1次采集所偏差量
为比例系数
为积分时间
为微分时间
3.2控制器参数调节
比例运算是指输出控制量与输入量一阶差商关系。仪表比例系数设定值越大(比例带δ越小),控制灵敏度越低,设定值越小,控制灵敏度越高。增大比例系数有利于减小静差,加速系统响应,但比例系数过大会使系统产生大超调,产生震荡,使稳定性变差。积分运算目是消除静差。偏差存,积分作用将控制量向使偏差消除方向移动。积分时间是表示积分作用强度单位。增大积分时间对减小超调,减小震荡有利,使系统趋向稳定,但系统静差消除随之减慢。仪表设定积分时间越短,积分作用越强。比例作用和积分作用是对控制结果修正动作,响应较慢。微分作用是消除其缺点而补充。微分作用偏差产生速度对输出量进行修正,使控制过程尽快恢复到原来控制状态,微分时间是表示微分作用强度单位,仪表设定微分时间越长,则以微分作用进行修正越强,有利于加快系统响应,减小超调,增加稳定性,但降低了系统对扰动抑制能力,使系统对干扰过于敏感。实际调试过程中几个方面都要兼顾,反复调试,使控制器处于最佳状态。