宽温度范围的高低温循环设备.pdf

一种宽温度范围的高低温循环设备，系为从低温≤－173℃到室温的温度循环设备，主要用于人造卫星上的红外探测器的环境应力筛选。该设备主要由一个主系统和一个从系统以及一个PC机组成。主系统主要负责实现温度循环功能及控制，从系统为主系统的冷环境自动补充消耗掉的液氮。设备可以记录热环境温度，和温度循环次数并显示在控制面板上。另外设备能有效地避免意外情况带来的损失。本设备的最大优点是可以自动完成半导体器件的温度循环试验，工作人员只需隔几天给母缸倒入液氮即可。另外本设备的温度循环还可具有从低于－173℃到300℃极广的温度试验范围，可以用来完成此温度范围内要求的半导体器件的环境应力筛选和器件可靠性测试。

1、  一种宽温度范围的高低温循环设备，包括：
一具有温度循环功能的主系统，其含有一真空容器(808)，设于其内部且自上而下依次排列的一提供低温源的液氮子缸(809)，一可置放受测器件(108)的传热台(109)和一提供高温源的加热台(406)，并在该真空容器(808)下方设一步进电机(103)，一套筒(110)连接该传热台(101)并垂直穿过加热台(406)和真空容器(808)下底而由一螺杆(104)联结该套筒(110)与步进电机(103)，该步进电机(103)受控正转，使套筒(110)推动传热台(109)上升与液氮子缸(809)下底紧接触且步进电机(103)停转而使受测器(108)处于低温环境；步进电机(103)受控反转，套筒(110)下降并带动传热台(101)与加热台(406)紧接触并停转，使受测器件(108)处于高温环境；
该步进电机(103)经一电机驱动器(102)连接一数据来集卡(99)；
位于该传热台(101)上的每一只受测器件(108)接一只测温铂电阻(107)；在该液氮子缸(809)的近下底处和近出口处分别设测温铂电阻(805、804)，该铂电阻(107、805、804)连接一电阻/电压转换模块(22)而与该数据采集卡(99)连接；
一为温度循环提供低温环境的从系统，其含有一具绝热密封盖(812)的液氮母缸(813)、一输液管(806)其一端穿过密封盖(812)伸到该液氮母缸(813)之近底端处，并设一测温电阻(803)，而另一端则穿过该真空容器(808)上顶而伸入该液氮子缸(809)之近底端于铂电阻(805)处，一气液支管(814)穿过该密封盖(812)伸至液氮母缸(813)之缸口，其上端封闭且一分支连接一电磁阀(807)和另一分支连接一气压机(602)的出气管(803)；该铂电(803)与该铂电阻/电压转换模块(22)成电路连接；以及一PC机，编写有自动输液氮控制程序(200)和步进电机往复运动控制程序(900)，并以总线连接数据采集卡(99)，采集测温铂电阻(107)的电阻/电压数据而执行步进电机往复运动控制程序(900)对受测器件(108)的环境温度循环控制；采集测温电阻(803、804、805)的电阻/电压数据，而并执行自动输氮控制程序(200)而进行自动充液氮。

2、  根据权利要求1所述的宽温度范围的高低温循环设备，其特征在于，所说的高温源为室温温度，而低温源为≤-173℃。

3、  根据权利要求1或3所述的宽温度范围的高低温循环设备，其特征在于，所说加热台(406)由铜制成，并封闭且内设二只80瓦电加热片(407，408)，外设有测温铂电阻(405)，以及外接依次成电路连接的加热台温度显示模块(402)、PID温控模块(401)、SSR固态继电器(403)和30V直流电源(404)，并由PID温控模块(401)连接铂电阻(405)和30V直流电压源接入该加热台(406)。

4、  根据权利要求1所述的宽温度范围的高低温循环设备，其特征在于，所述液氮子缸(809)的底部是由平整的紫铜板(811)制成，而加热台(406)由顶面是平整的环形铜构成。

5、  根据权利要求1所述的宽温度范围的高低温循环设备，其特征在于，还设有保护装置，其包括位于真空容器(808)外的套筒(110)上面设有一与其由绝缘环氧板连接的金属触头(105)和一对固定的限位簧片(106)，并且该金属触头(105)和限位簧片(106)与一保护电路模块(33)成电路连接。

6、  根据权利要求1所述的宽温度范围的高低温循环设备，其特征在于，还设有循环次数计数及显示单元，其包括连接数据采集卡(99)的输出端，并依次连接到循环次数计数模块(501)和控制面板上的表头(502)。

7、  根据权利要求1所述的宽温度范围的高低温循环设备，其特征在于，所述的高温源的温度还可为300℃和低温源的温度为≤-173℃。

宽温度范围的高低温循环设备
技术领域：
本发明涉及一种半导体器件的可靠性测试与环境应力筛选设备，尤其适用例如卫星红外探测器等的低温半导体器件可靠性测试。温度范围为-173℃以下到300℃。
背景技术：
由于斯特林制冷机的寿命问题，在某些情况下卫星红外探测器采用了间歇式工作方式，因此它们在太空中会经受从常温(20℃左右)到低温(≤-173℃)的成千上万次的温度循环。为此，必须在地面上先进行可靠性验证，大量工程实践证明，温度循环是环境应力筛选中最有效的筛选模式，它所激发的故障数占环境应力筛选总故障数的一半以上。宽温度范围的高低温循环设备可适应这种要求。通过模拟制冷机间歇式工作方式，利用温度循环试验来验证和改进卫星使用中长波探测器的可靠性，具体研究内容包括检测各引线的焊点质量，考察不同材料的膨胀系数对器件可靠性的影响等等。
斯特林制冷机可以达到-173℃以下，但是如果用来做红外探测器的地面测试，每次试验只能测试一个器件，效率低，造价高。目前其它的半导体器件温度循环设备要么不能达到-173℃以下，要么不能实现真空条件下的温度循环，要么需要人力长达几个月的手工操作，不能做到温循试验的自动化。
发明内容：
综上所述，如何克服现有技术的缺点，使之既能达到低温-173℃以下，又能实现真空条件下的温度循环，而且工作效率高乃是本发明所要解决的技术问题，因此，本发明的目的是提供一种宽温度范围的高低温循环设备，特别是适用对人造卫星用的红外探测器的性能测试。
本发明技术方案如下：
根据本发明的一种宽温度范围的高低温循环设备，包括：
一具有温度循环功能的主系统，其含有一真空容器，设于其内部且自上而下依次排列的一提供低温源的液氮子缸，一可置放受测器件的传热台和一提供高温源的加热台，并在该真空容器下方设一步进电机，一套筒连接该传热台并垂直穿过加热台和真空容器下底而由一螺杆联结该套筒与步进电机，该步进电机受控正转，使套筒推动传热台上升与液氮子缸下底紧接触且步进电机停转而使受测器件处于低温环境；之后，步进电机受控反转，套筒下降并带动传热台与加热台紧接触并停转，使受测器件处于高温环境；该步进电机经一电机驱动器连接一数据来集卡；位于该传热台上的每一只受测器件接一只测温铂电阻；在该液氮子缸的近下底处和近出口处分别设测温铂电阻，该上述几只铂电阻都分别连接一电阻/电压转换模块而与该数据采集卡连接；
一为温度循环提供低温环境的从系统，其含有一具绝缘密封盖的液氮母缸、一输液管其一端穿过密封盖伸到该液氮母缸之近底端处，并设一测温电阻，而另一端则穿过该真空容器上顶而伸入该液氮子缸之近底端于铂电阻处，一气液支管穿过该密封盖伸至液氮母缸之缸口，其上端封闭且一分支连接一电磁阀和另一分支连接一气压机的出气管；同样该铂电阻与电阻/电压转换模块成电路连接；以及一PC机，其内驻留自动输液氮控制程序和步进电机往复运动控制程序，并以总线连接数据采集卡，采集与受测器件相接的测温铂电阻的电阻/电压数据而执行步进电机往复运动控制程序对受测器件的环境温度循环控制；采集液氮缸和子缸上的测温电阻的电阻/电压数据，而并执行自动输氮控制程序而进行自动充液氮。
进一步，所说的高温源为室温温度，而低温源为≤-173℃；
所说加热台由铜制成，并封闭且内设二只80瓦电加热片，外设有测温铂电阻，以及外接依次成电路连接的加热台温度显示模块、PID温控模块、SSR固态继电器和30V直流电源，并由PID温控模块连接所述铂电阻和30V直流电压源接入该加热台；
最好是，所述液氮子缸的底部是由平整的紫铜板制成，而加热台由顶面是平整的环形铜构成；
更可取的是，还设有保护装置，其包括真空容器外的套筒上面有一与其由绝缘环氧板连接的金属触头和在真空容器下面一对固定的限位簧片，并且该金属触头和限位簧片与一保护电路模块成电路连接；
同样最好是，还设有循环次数计数及显示单元，其包括连接数据采集卡的输出端，并依次连接到成电路连接的循环次数计数模块和控制面板上的表头；
此处，所述的高温源的温度还可为300℃和低温源的温度为≤-173℃。
本发明具有以下优点：1，计算机控制的主体温度循环系统，安全稳定的自动输液氮装置，再加上设备硬件保护体系有效避免了控制过程中意外情况带来的损失，实现了整套设备运行的自动化，几乎不需操作人员看护；2，温度范围很宽，-173℃以下到300℃；3，同时可以测试至少4个器件；4，真空条件下的温度循环试验。
附图说明：
图1为本发明的系统总结构原理图；
图2为本发明中的电阻/电压转换原理图；
图3为本发明中的保护电路硬件原理图；
图4为本发明中的PID温控模块示意图；
图5为本发明中的温度循环次数计数模块示意图；
图6为本发明中的步进电机控制模块示意图；
图7为本发明中的主系统控制过程示意图；
图8为本发明中的自动输液氮软件控制程序的流程图；
图9为本发明中的步进电机软件控制程序的流程图；
图10为本发明的器件温度循环实验记录示意图。
具体实施方式：
下面根据图1～图9给出本发明一个较好的实施例，并结合对实施例地描述，进一步给出本发明的技术细节，使能更好地说明本明的结构特征和功能特点，但不是用来限制本发明的范围，因此，凡合乎于本发明范围之精神及类似变化的实施例，均应包含在本发明范畴之内。
请参阅图1所示，本发明设备由主系统和从系统构成。主系统包括：真空容器及传热机构、温度测试电路与计算机屏幕显示、电机传动与控制机构、电加热器与控制及显示屏、循环次数计数显示屏、以及设备保护装置；从系统包括液氮母缸、液氮子缸、液氮母缸空缸报警装置、以及相应的自动输液氮控制。除了电加热器用PID温控模块独立控制，循环次数计数模块独立控制和保护电路独立控制之外，剩下的测试和控制都是由PC机通过数据采集卡及其外围电路来完成的。
具体情况如下：
(一)主系统部分
a.如图1和图4所示，电加热器与控制及显示屏：图1中PID温控模块401，加热台温度显示模块402，两个80W电加热片407，408被封闭固定在铜制加热台406里，加热台406上贴有铂电阻405用来反映加热台温度的变化，铂电阻的阻值随加热台406的温度变化以及PID温控设定而变化。图4中，PID温控模块401的C4端和D4端引入铂电阻405，E4端和F4端接入220V交流电源，输出端G4和H4输出高电平(5V)和低电平(0V)用以控制SSR固态继电器403，SSR串入30V直流电源404的电路中。这样通过控制SSR固态继电器403的通断就可以给加热台406加热和停止加热。
b.如图1和图2所示，温度测试电路与显示屏：图1中，铂电阻803用来监视液氮母缸813是否有液氮810，铂电阻805用来测监视液氮子缸809是否有液氮，铂电阻804用来监视子缸809是否快加满。几只铂电阻107用来监视各被测器件108温度随时间的变化。由于在液氮缸中，液面上和液面下的铂电阻阻值会发生明显的变化，另外铂电阻也会随温度变化而很快的变化，所以铂电阻基本上可以监测各处的温度值。铂电阻107，803，804，805通过图2所示的电阻/电压转换电路(即图1中的模块22)将其阻值转变成电压信号，从模拟端口输入到数据采集卡99，数据采集卡与PC机建立通信。通过LabView软件编程，可以在PC机屏幕上看到由铂电阻107，803，804，805反映出来的电压值和温度值。
c.如图1和图6所示，电机传动与控制机构：图1中，步进电机103，电机驱动器102，驱动器直流24V电源101，螺杆104，套筒110，传热台109。当数据采集卡99给PC提供了各路模拟输入的电压数据之后，通过软件编程，让数据采集卡99输出高低电平到电机驱动器102来控制步进电机103按要求运转，图6中，驱动器102的C6和D6端接来自于PC机通过数据采集卡99发给驱动器的正反转命令，E6和F6端接收步进脉冲命令，G6和H6端接24V直流电源101，直流电源由交流电源11通过交流变直流得来。驱动器102的输出端A6和A6，B6和B6分别接两相步进电机103的线圈导线。步进电机103带动螺杆104运动，当限制了与螺杆配合的套筒110的回转时，套筒110会发生上下运动。
d.如图1和图5所示，循环次数计数及显示屏：图1中电机驱动器102将控制步进电机103正反转状态的高低电平同时引入到图5所示的C5、D5端。E5、F5为循环次数计数模块501的5V电源输入端，当步进电机103正反转一次，正反转状态控制电平就会有一次低电平向高电平的反转，计数器加一，循环次数读数通过控制面板上的表头502显示出来。
e.如图1所示，真空容器及传热机构：真空容器808作为冷环境的液氮子缸809，子缸的底部是由平整的紫铜板811构成，环形铜制加热台406的顶面是平整的。被测器件108被固定在传热台109上，几只铂电阻107被分别固定在该各个器件108上。当传热台109被电机驱动贴紧加热台406时，被测器件108随着加热台升温；当传热台109贴紧冷端811时，实现降温。
f.如图1和图3所示，设备保护装置：为了防止电机103运动超出范围，必须给设备加保护装置。图1中，在套筒110上面固定一个金属触头105，金属触头105与套筒110用绝缘的环氧板连接。在真空容器808下面固定一对金属限位簧片106，限位簧片106与设备绝缘，但是这一对金属限位弹片106是用同一金属片弯出的两个片头。金属触头105和限位弹片106上面各锡焊一根导线接入保护电路模块33的A和B端。图3中，B端接5V直流电源301，直流固态继电器303，U301为一个反相器，选择适当的电阻R301、电阻R302和电容C301。
(二)从系统部分
如图1所示，液氮母缸813为一个容积大于液氮子缸809的液氮储存罐，用绝热材料做一个密封盖812，穿过密封盖812，输液管806伸到离液氮母缸底部2厘米左右的地方，铂电阻803伸到离液氮母缸底部2厘米左右的地方。气液支管814穿过密封盖812并稍稍穿出，气液支管814的一支接电磁阀807，另一支接气压机602的出气管802。810为液氮。
输液管806的另一端伸到离液氮子缸809底部大约1厘米的地方，铂电阻803和804、805分别用来监视母缸813和子缸809里液氮810的位置，这三个铂电阻都被引入电阻/电压模块22，通过数据采集卡99读入计算机，以便实现计算机对液氮810输送的自动控制。
下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
从图7所示可以看出主系统完成温度循环的功能。在被测器件108上安装的铂电阻107的阻值随着被测器件108的温度变化，通过图3所示的温度/电压转化电路转变为变化的负的电压信号，比方说过程301铂电阻107随被测器件108冷到-172.5℃时，电压输出为-0.319V，经过过程302，电机正转→过程303，传热台贴紧加热台，过程304，限位系统保护→过程305，电机停转→过程306，铂电阻107随被测器件108加热到19.5℃时，电压输出为-1.133V，之后，过程307，电机反转→过程308，传热台贴紧液氮缸底，过程309，限位系统保护→过程310，电机停转→过程301，20分钟内被测器件降到-173℃以下。图1所示的电阻/电压转化电路模块22负责将各路铂电阻107转变为变化的负的电压信号。
加热台406被如图4所示的PID温控模块401控制，该温控模块401的控制温度设定为40℃。这样，如图1所示，在真空容器808里，当载有被测器件108的传热台109贴紧加热台406，该加热台406通过热传导给传热台109加热，当加热到被测器件108温度为19.5℃时，因铂电阻107产生的电压Vi0为-1.133V，通过所述模块22输入到数据采集卡99，PC机读入该数据，通过如图9所示的步进电机控制程序900，让数据采集卡99从第0个数字通道输出低电平接到图6所示的电机驱动器102的C6、D6端，预置电机103正转，从而使传热台109向上运动，同时数据采集卡99从第1个数字通道输出序列方波(高电平为+5V，低电平为0V)脉冲使得电机103转动。通过实验，知道电机103运转使传热台109达到指定位置需要2分钟，由于温度梯度的关系，被测器件108在头1分钟内会继续被温度稍高的传热台109加热到20℃，这样在剩下的1分钟内被测器件温度基本保持在20～21℃之间。
当传热台109运动到贴紧液氮子缸809底冷的铜板811时，被测器件108随着传热台109的温度而降低，当降到被测器件108的温度为-172.5℃时，因铂电阻107产生的电压Vi0为-0.319V，通过步进电机控制程序900，执行步骤901，程序启动，执行步骤902，采集器件温度对应的电压Vio，执行步骤903，Vio＜-1.133V，执行步骤904，让数据采集卡99从第0个数字通道输出高电平，预置电机103反转，从而使传热台109向下运动，同时执行步骤907，数据采集卡99从第1个数字通道输出序列方波脉冲使得电机103转动。同样，由于温度梯度的关系，被测器件在头1分钟内会继续被温度稍低的传热台冷到-173℃，这样在剩下的1分钟内器件温度基本保持在-173～-174℃之间。图9表示步进电机控制程序900的流程。
执行步骤905，Vio＞-0.319V，数据采集卡99的第0个数字通道输出的高低电平同时被引入到如图5所示的循环次数计数模块501的C5、D5端，当电平由低到高反转，计数模块501就会计数加一，并显示在表头502上，这个过程步进电机103完成了一次正反转，即器件完成了一次升降温循环。
加热台406设定温度为40℃，当它的温度低于40℃时，铂电阻405温度也会跟着降到40℃以下，这时PID温控模块401的继电器输出端输出高电平，继电器403的输出端导通，电源404给加热片407、408供电，加热片加热，从而使加热台406升温；当加热台温度高于于40℃时，PID温控模块401的继电器输出端输出低电平，电源404停止给加热片407、408供电。这样使加热台406温度基本稳定在设定的40℃。如图4所示。
在正常状态下，以传热台109贴紧加热台和贴紧液氮子缸底板811而金属触头105不碰到限位弹片106，为金属触头105(或套筒110)有效行程的起始和终止点。有效行程处在一对限位弹片距离的中间，其中，下弹片比有效行程的起始点低1毫米，上弹片比有效行程的终止点高1毫米。如图1所示。
当电机103误动作使得套筒110超出有效行程时，必然会使得金属触头105接触到限位弹片106，如图3所示，A、B两输入端相当于用一根导线相连，处于导通状态，这时继电器303输入端为低电平，总电源11断开，总电源11服务的几个模块即步进电机控制模块A3、气压机控制模块B3、电磁阀控制模块C3、电阻/电压转换电路模块22、液氮母缸813空缸报警模块E3全部断电，设备主要部分处于断电状态，从而实现了电机103运动的限位保护，保护了设备的安全。但此时的温度循环计数模块501及其显示仍然工作，从而知道设备工作到了第几个循环。反之，当运动距离没有超出有效行程，金属触头105不会接触到金属弹片106，A、B两端断开，继电器303输入端为高电平，总电源11导通，设备处于工作状态。
从图8可以看出，从系统主要是为了持续给温度循环提供一个低温环境。实验表明当因铂电阻805而产生的电压Vi3＜-0.225V时，液氮子缸808里的液氮快要耗干；当因铂电阻804产生的电压Vi4＞-0.24V时，液氮子缸808里的液氮快要加满。自动输液控制程序200，当步骤201，程序启动，而步骤202，以前者为加液氮的判断标准，步骤205，以后者为停止加液氮的判断标准。步骤202当Vi3＜-0.225V时，步骤203数据采集卡99第3个数字通道输出高电平，继电器601输出端导通，气压机602工作，步骤204第4个通道输出低电平，继电器801的输出端断开，电磁阀802关闭，开始加液氮；即步骤205，当Vi4＞-0.24V时，步骤206，数据采集卡99第3个数字通道输出低电平气压机602停止工作，步骤207，第4个数字通道输出高电平电磁阀802打开，停止加液氮。直到下一次又执行步骤202，Vi3＜-0.225V时，才开始再次加液氮，和当执行步骤205，当Vi4＞-0.24V时，才又再次停止加液氮，如此循环而提供低温环境。
实验表明，当因铂电阻803产生的电压Vi5＜-0.25V时，液氮母缸813里的液氮快要被排空，如图1所示，数据采集卡99输出高电平，固态继电器701输出端导通，声光报警器702工作，提醒操作员往母缸813加液氮。
将传热台上的器件引脚串连，并用导线通过真空插座引出真空容器，可以通过计算机或人工操作对引脚的电特性进行实时监测。
本实施例的高低温循环轨迹由图10所示实验曲线表达。