一种新型混合集成电路老炼温控装置设计

随着我国科学技术的飞速发展，尤其是军用和宇航级设备的要求越来愈高，对其设备配套的元器件的质量可靠性、功能性能与环境适应性提出更高的要求。为了检测集成电路在使用过程中的稳定性以及使用寿命，在出厂之前都进行老炼试验，老炼试验指在一定时间内对集成电路施加一定的电流、电压、温度等，从而剔除一些有缺陷的产品，保障出厂的产品质量。目前集成电路的高温处理主要是放入高温箱加温处理，高温箱内的加温处理受限于箱体内老炼装置, 一旦出现操作不便，很难同时要满足在操作方便的同时对老炼装置加温的情况。

本文将介绍一款新型混合集成电路老炼温控装置，通过设置温度控制设备运转, 在满足芯片老炼试验顺利进行的同时, 既可以保护老炼芯片, 又可以保护温控设备不被烧毁。

1 方案设计

新型混合集成电路老炼温控装置主要包括：温控器、温度测试装置、交流继电器、导热媒介、加热器以及散热风扇。系统的主控制器采用欧姆龙的成品温控仪表，集成了温度采集、显示、控制功能，只需设置比较少的参数就可以达到精准的控制效果。

交流固体继电器主要用于加热器的通断控制。风扇用于温度超调时和停止老炼时器件的降温。加热器用于平台的加热。导热硅脂垫是加热器与器件的导热媒介，用于热传导、温度探头的埋藏。温度探头用于温度的采集。装置框图如图1 所示。

图1 装置框图

1.1 供电电源设计

温控器的供电有直流24 V 和交流220 V 两种选择，加热器的选择也有直流和交流两种选择，以下介绍两种供电方式的优缺点：

1）直流供电。优点：安全；缺点：系统开销大，需专门配置直流电源，不便于系统的大规模实现。

2）交流供电。优点：接线简单，易于扩展；缺点：电压高，不安全。

最终选择的方案是交流供电，易于扩展，对于不安全的因素，采用外壳接地，接线端子护套，采用较小电流的保险丝等措施增加系统的安全性。

1.2 温度控制回路的设计

温度控制电路包括电源设计、温度的采集、显示、驱动输出、PID 算法的实现、参数设置等功能。一种是自行设计，网上有比较多的电路，且温度控制算法已经成熟，实现起来并不难。另一种购买成品仪表，本设计中采用的是购买成品的欧姆龙温控器E5CZ，如图2 所示: 它集成了我们需要的所有功能，输出驱动12 V 固体继电器，供电为交流220 V，只需要配好温度探头和执行的部件就可以使用。

图2 欧姆龙温控器

采用成品温控器的好处是开发速度快，成本低，功能强，最主要的是产品经过市场验证稳定可靠、对工控产品来说尤为重要。

1.3 温度探头选型

本设计选择的埃塔带插头K 型热电偶测温线，便于拆装，最高测温480 ℃，测温精度达到了SLE 级别（1.1 ℃ 或0.4%），如图3 所示。

图3 温度探头

K 型热电偶是用的比较多的型号，可以搭配温控仪使用，测温的范围和精度满足设计需求。

1.4 执行部件选择设计

对于目前公司混合集成电路老炼的现状主要在于模块老炼壳温偏低，需要补温的现状，所以本设计的主要任务为加温，此次选择的是带散热器和风扇的PTC加热器， 电压220 V， 加热功率50 W， 平台大小为160 mm×100 mm×26 mm，基本可满足大多数应用，如图4 所示。

图4 散热器

PTC 加热器，在温度低的时候电阻小，功率大；在温度高的时候电阻大，功率小；搭配温控仪可使在温度控制速度快，稳定的效果，由于是密封结构，增加绝缘性与安全性，温度的一致性较好。

由于加热器是220 V 交流供电的，所以需要一个交流的固体继电器进行控制，此次选择的是艾克斯的ASR03-340DA（体积比较大，电流40 A 远远大于使用要求），如图5 所示。

图5 固体继电器

交流固态继电器功率大，无触点、过零型，对电网的干扰小，使用比较安全，此次选择比较大电流的固体继电器主要原因是固体继电器损坏（输出短路）的后果比较严重（一直加热）。

轴流风机的主要作用是控温过程不稳定导致的超调（仪表设置为超过设置值的3 ℃）进行降温处理。另外一个作用是停止模块测试时可以加速器件的降温。

1.5 导热媒介选择

传统做法是器件和散热器硬接触，由于散热器和器件表面不平整，导致散热不均匀，器件局部温度过高，损坏器件，此次的设计采用高导热率的硅胶垫作为介质，由于它具有高导热率和弹性且自带黏性、绝缘强度高，能够很好的贴合器件，达到导热的目的。

本设计采用3M 厂家的硅脂垫，导热系数为6 W，厚度为2 mm 和1 mm 大小为100 mm×100 mm，单面背胶，使用时2 mm 粘贴在加热平面下面一层，1 mm粘贴在上层，两层中间放温度探头，可以很好地保护探头和器件。

1.6 开关、连接器、线缆选择

由于此平台需要长期在高温环境下稳定运行，所以对材料的选择要求比较高，加热器部分接线柱选择陶瓷接线柱，线缆外加高温护套；线缆采用硅胶线；端子采用航空插头，增加可靠性；开关插头采用卡扣结构，便于安装。

1.7 控制器壳体设计

壳体为铝合金长方体结构，尺寸为120 mm×63 mm×200 mm，如图6 所示。前后挡板根据需求开定制孔位，前挡板为温控器和电源开关，后挡板为电源插头、航空插头和热电偶插头，壳体两侧开散热孔。

图6 控制器壳体

2 使用与维护

2.1 使用

首先将器件固定在加热平台上，保证探头在器件的正下方，调试好器件后再打开温控平台电源，按照规范设置好温度，观察升温和温度稳定情况，看是否有过温和温度震荡情况，若有，检查器件和平台的贴合情况，温度稳定的标准为测试值和设置值误差在±1 ℃；下电路，先将温度设置为室温，待温度降下来再取下电路。

2.2 维护

不要频繁挪动和插拔接头，容易造成松动和短路；要经常对硅胶垫进行清洁；每次使用前检查端子和插头的连接性和稳定性。

2.3 注意事项

使用完毕后将温度调到室温后关掉电源；使用过程中禁止使用手接触加热平台防止烫伤；挪动过程中轻拿轻放，勿用手拽拉线缆。

3 结束语

经自评并组织行业专家、用户单位代表、研制单位代表等多方专家和代表对该老炼温控装置设计方案进行了评审，本设计能够解决混合集成电路老炼过程中的温控难题，实现壳温的精准控制，推动了混合集成电路老炼的发展，同时使混合集成电路老炼方面更加规范化。

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（本文来源于《电子产品世界》杂志2023年4月期）