高低温循环测试系统的构建与应用

高低温循环测试系统的构建与应用

陈旭江

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摘要：本文主要介绍了一种全新的温度控制工艺，满足高低温循环测试需要。系统构建由温度控制模块、流量控制模块、制冷压缩机构、测试平台模块组成。采用全流量控制工艺和温度PID控制，使系统精度大大提高。测试效率远远高于实验室测试。满足系统测试瞬时高低温要求，低延时，系统工艺控制温度偏差小，变温范围广-40℃至+120℃。解决了芯片在低温测试下漏电流测试误差大，高温测试芯片损坏报废的情况。

关键词：高低温；芯片测试；循环系统；自动控制；PID控制

近年来，高低温循环测试在半导体领域应用广泛，芯片的极端工作状况能很好的模拟出来。对于芯片设计芯片老化试验，芯片使用寿命芯片使用环境具有指导作用，同时能帮助客户提前发现各种潜在的芯片缺陷。由于传统的流量控制方式为气体控制，存在延时大精度低的故障频发的特点，因此对于此温控系统进行设计改造，实验效果取得明显改善。

本文首先建立高低温循环测试系统的结构模型如图二，并且针对液体冷却控制做了较大改进，使系统的稳定性和寿命显著提高。图一：整个系统控制的简化模型

原理介绍：通过计算机程序设置加热和冷却。1.计算机设置加热程序时，控制信号传输给温度控制模块，温度控制模块将信号传输到流量控制模块，控制系统关闭制冷压缩机，同时，系统通知加温模块对测试平台加热，测试平台实时反馈温度将反馈信号传递给温度控制模块从而实现闭环PID控制。2.计算机设置冷却程序时，控制信号传输给温度控制模块，温度控制模块控制关闭加温模块，并通知流量控制模块开启降温模式，流量控制模块开启制冷压缩机，并实时监控流量状态，平台监控温度实时反馈给温度控制模块实现冷却系统的闭环PID控制。

一、加温模块

加温模块由两部分组成主电加热层和辅助加热层。加温模块上部采用类似图四所示：绝缘导热复合耐磨陶瓷层电加热层、冷却液循环系统层、绝缘隔热电木层构成。构建系统时可根据实际需要改变电加热层和冷却液循环系统层位置，从而达到节能和减少延时的作用。

1.表层：本层主要作用为测试平台，提供测试空间及定位。采用的导热复合耐磨陶瓷层主要是增加系统耐磨性、导热性，降低表面粗糙度。客户可根据具体使用条件，可以选择高耐磨钨合金或者其他材料来作为耐磨层。

2.主电加热层：本层主要作用传导高温并加热。采用高稳定性，制热效果快，热转换效率高的加热丝，可根据使用条件定制大小，制定加热功率本文不在具体赘述。为了保证整个系统的稳定性和寿命，因为电加热丝存在损坏情况，建议使用多重供电多重控制的加热丝来制作电加热层。外层材质采用高导热性、低变形，耐高低温材料构成。

3.冷却液循环系统层：本层主要作用传导低温冷却整个系统。目前使用的材料多为耐低温材料构造，同时冷却形变小的不锈钢材质，表面做耐腐蚀处理强化，确保在使用过程中不会出现应力集中情况。

4.绝缘隔热电木层：本层主要作用是阻隔高低温的传导。确保温度能正常控制在设置范围，减少热流失。采用传统的耐高低温复合材料。

5.辅助加热层：本层主要作用是提供系统环境的辅助预热，平衡系统因为形变引起的高度误差。材料根据实际变形的差异来选择，根据实验数据选取最佳辅助控制温度从而减少当系统冷却时的冷缩。

6.绝缘隔热电木层：本层作用是隔绝温度对其他部件的影响，从而确保系统的稳定性。

二、冷却控制系统

冷却系统控制有别于传统控制方式。本系统采用温度反馈，液体流量控制和电子膨胀阀组成的闭环控制系统。改造前的系统对冷却液控制都是采用空气蝶阀，通过控制空气蝶阀的气流量从而控制冷却液流量。

改造前的系统图五工作原理：

1.计算机设置降温后温度控制模块发送控制信号，要求压缩机开启冷却降温。

2.冷却液流经单向阀1和压力表1，系统检测压力是否正常。

3正常后电磁阀1开启，气动蝶阀根据实际需求运行到相应的开度

4温度控制模块和温度检测传感器构成闭环控制系统，随时监控温度系统

5冷却液通过单向阀回到压缩机冷却液回收槽进行回温和过滤。

改造前冷却系统缺点：

1.简单反馈控制少，在精确温控环节出现测试平台温度调节延时问题。

2.目前观察到的情况是，系统在运行长时间后出现气控蝶阀不能正常关闭，导致系统在常温控制模式时失效，测试平台长时间处于低温状态。这不符合设备工作要求。

3.系统没有设置过滤器，在实际使用和安装环节存在污染物进入循环系统，导致蝶阀系统不能正常工作

4.系统没有设定流量监控闭环控制，当整个管理出现流量减少或者管路堵塞时不能及时监控和清理。

5.气动蝶阀本身受外界气压和制造工艺影响多，而且本身没有反馈装置，存在阀口开度不准确，进而影响温度控制精度。

改造后系统图六工作原理：

1.计算机设置降温后温度控制模块发送控制信号，要求压缩机开启冷却降温。

2.冷却液流经单向阀1和压力表，系统检测压力是否正常。

3.正常后电磁阀1电磁阀2开启，电动阀根据实际需求运行到相应的开度

4.流量计1随时反馈流量变化，温度传感器1反馈信号给温度控制模块

5.温度传感器2反馈测试平台实际温度信号给温度控制模块

6.温度控制模块计算实际温度和理论温度偏差，反馈给流量PID控制模块，控制电动阀调整阀门开度。此闭环控制连续调整直到符合温度要求

7.流量计2反馈冷却液液体流出，确认系统是否存在泄露或者堵塞。

8.过滤器过滤冷却液确保管路残渣堵塞物清理干净。

9.电磁阀3打开，冷却液通过单向阀回到压缩机冷却液回收槽进行回温和过滤。

改造后冷却控制系统优点：

1.双电磁阀控制冷却液的开启，安全系数更高。使用寿命长。

2.本系统电动阀采用的是电动式电子膨胀阀门，独有的PID控制系统模式能精

确控制系统流量，杜绝气动阀门在小流量时出现的震荡现象。

3.流量计1和流量计2、流量PID控制模块、电动阀能准确检测系统管路损失、

泄露和堵塞，构建流量的闭环控制。

4.温度控制模块、温度传感器1、温度传感器2构建温度的闭环控制系统。

5.电动阀（高精度电动式电子膨胀阀内置PID控制），阀门控制开度准确，具有反馈装置，使用便捷，效率高。

6.在出现堵塞状况时，可以运行清洁模式，冲击阀门部分脏污。

四冷却介质的采用

针对设备在-40-140高低温的循环测试，压缩设备采用行业环保冷却液，拒绝使用氟利昂等冷却介质。并持续监测冷却液对环境影响，目前该冷却系统最低温度能达到-60度。

五．系统安全保护

设备在低温状态下，空气中水蒸气冷凝将导致测试设备损坏，产品报废，水蒸气的持续结冰导致诸多问题：

1.大量冰块会导致系统的管路损坏，或者管路受力不均爆裂

2.冰块在高温状态下液化，导致电气部分短路，严重情况导致设备报废。

3.冰块的集结导致设备整体防护成本增加，测试设备短路。

针对冷凝水结冰问题采用两种方式来保护系统：

4.冷却液管路增加保温棉（3M隔热胶带）包裹，特别是管路接头处重点防护，设备认证过程中高低温循环10分钟后，采用泄露测试仪对管路检查。包裹保温棉后再次确认。

5.整个设备系统采用正压控制系统，冲入氮气或者已经除却冷凝水后的压缩空气，保证设备内部压力大于25pa采用此技术后设备内部空气循环增加，腔体内部冷却能力增加。正压同时解决了外部空气携带冷凝水进入的可能，同时大颗粒粉尘也被隔绝，解决了芯片测试中污染防治问题。