Термокамера для испытания электронных изделий
Владельцы патента RU 2523098:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ) (RU)
Изобретение относится к устройствам, используемым для климатических испытаний полупроводниковых приборов при одновременном измерении их электрических параметров. Изобретение обеспечивает получение нормированных условий климатических испытаний электронных изделий путем равномерной подачи рециркуляционного воздуха на все полки термокамеры, что обеспечивает необходимую надежность электрических испытаний электронных изделий. Термокамера для испытания электронных изделий содержит корпус с рабочей камерой, вентилятор, установленный в рабочей камере между вытяжным и нагнетательным патрубками, узел очистки рециркуляционного воздуха, установленный в нагнетательном патрубке и выполненный в виде соосно соединенных суживающегося диффузора с винтообразными канавками на внутренней поверхности и расширяющегося сопла, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости, предназначенной для заполнения адсорбирующим веществом. На внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены винтообразные канавки, касательная которых имеет направление против хода часовой стрелки, а касательная винтообразных канавок на внутренней поверхности суживающегося диффузора имеет направление по ходу часовой стрелки. В корпусе в угловых соединениях вертикальных и горизонтальных элементов воздухопровода расположены завихрители, причем каждый завихритель выполнен в виде лопасти, торцевые поверхности которых повернуты на 90° относительно друг друга. 6 ил.
Изобретение относится к устройствам, используемым в полупроводниковом производстве, и может быть применено для климатических испытаний готовых полупроводниковых приборов при одновременном измерении их электрических параметров.
Известна полезная модель термокамеры для испытания электронных изделий (см. патент РФ на полезную модель №51 787, МПК H01L 21/66, 2006, Бюл. №6), содержащая кожух, в котором размещена рабочая камера, вентилятор, установленный в рабочей камере между вытяжным и нагнетательным патрубками, узел очистки рециркуляционного воздуха, установленный в нагнетательном патрубке и выполненный в виде соосно соединенных суживающегося диффузора с винтообразными канавками на внутренней поверхности и расширяющегося сопла, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости, предназначенной для заполнения адсорбирующим веществом, вентилятор снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходами регулятора температуры и регулятора давления, и датчиком температуры и датчиком давления, подсоединенными соответственно к регулятору температуры и регулятору давления, каждый из которых содержит блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода вентилятора.
Недостатком данной термокамеры является снижение надежности результатов испытания электронных изделий из-за ухудшения качества очистки рециркуляционного воздуха при наличии в осевом потоке, проходящем через суживающийся диффузор, твердых частиц ржавчины и/или окалины, а также мелкодисперсной влаги, несобранных во внутренних канавках диффузора и, соответственно, оказывающих отрицательное воздействие на адсорбирующее вещество, заключающееся в засорении и растрескивании зерен адсорбента.
Известна термокамера для испытания электронных изделий (см. патент РФ №2413332, МПК H01L 21/66, Опубл. 27.02.2011), содержащая корпус, в котором размещена рабочая камера, вентилятор, установленный в рабочей камере между вытяжным и нагнетательным патрубками, узел очистки рециркуляционного воздуха, установленный в нагнетательном патрубке и выполненный в виде соосно соединенных суживающегося диффузора с винтообразными канавками на внутренней поверхности и расширяющегося сопла, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости, предназначенной для заполнения адсорбирующим веществом, вентилятор снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходами регулятора температуры и регулятора давления, и датчиком температуры и датчиком давления, подсоединенными соответственно к регулятору температуры и регулятору давления, каждый из которых содержит блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода вентилятора, а узел очистки рециркуляционного воздуха снабжен сеткой, выполненной из биметалла и установленной после внутренней круговой канавки на входе в суживающийся диффузор и соединенной с накопителем загрязнений, при этом на внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены винтообразные канавки, касательная которых имеет направление против хода часовой стрелки, а касательная винтообразных канавок на внутренней поверхности суживающегося диффузора имеет направление по ходу часовой стрелки.
Недостатком технического решения является снижение надежности электронных изделий при электрических испытаниях из-за разнородности воздушных потоков, поступающих на полки термокамеры по ее высоте, обусловленной наличием «застойных зон» в местах перехода воздушного рециркуляционного потока из одного пространственного, например горизонтального, положения в другое - вертикальное и, наоборот, из вертикального в горизонтальное.
Технической задачей изобретения является повышение обеспечение нормированных условий климатических испытаний электронных изделий путем равномерной подачи рециркуляционного воздуха на все полки термокамеры, что обеспечивает необходимую надежность электрических испытаний электронных изделий.
Технический результат достигается тем, что при этом в корпусе в угловых соединениях, вертикальных и горизонтальных элементах, воздухопроводах расположены завихрители, причем каждый завихритель выполнен в виде лопастей, торцевые поверхности которых повернуты на 90° относительно друг друга.
На фиг.1 представлена принципиальная схема термокамеры для испытания электронных изделий с системой автоматизированного контроля температуры и давления рециркуляционного воздуха, на фиг.2 - узел очистки рециркуляционного воздуха с сеткой из биметалла и накопителем загрязнений, на фиг.3 - разрез сетки из биметалла, на фиг.4. - внутренняя поверхность расширяющегося сопла с винтообразными канавками, касательная которых имеет направление против хода часовой стрелки, на фиг.5 - внутренняя поверхность суживающегося диффузора с винтообразными канавками, касательная которых направлена по ходу часовой стрелки, на фиг.6 - завихритель, выполненный в виде лопасти.
Термокамера для испытания электронных изделий (фиг.1) состоит из кожуха 1, в котором размещена рабочая камера 2, вентилятора 3, установленного в рабочей камере 2 между вытяжным 4 и нагнетательным 5 патрубками, узла очистки рециркуляционного воздуха 6, установленного в нагнетательном патрубке 5 и выполненного в виде соосно соединенных суживающегося диффузора 7 с винтообразными канавками 8, расширяющегося сопла 9, осушивающего устройства 10, установленного в расширяющемся сопле 9, занимающего всю площадь выходного сечения и представляющего собой емкость, предназначенную для заполнения адсорбирующим веществом.
Вентилятор снабжен приводом 11 с регулятором скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, а в рабочей камере 2 установлен датчик температуры 13, подключенный к регулятору температуры 14, который содержит блок сравнения 15 и блок задания 16, при этом блок сравнения 15 соединен с входом электронного усилителя 17, оборудованного блоком 18 нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя 17 соединен с входом магнитного усилителя 19 с выпрямителем на выходе, подключенным к регулятору скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
В нагнетательном патрубке 5 перед выходным сечением осушивающего устройства 10 установлен датчик давления 20, подключенный к регулятору давления 21, который содержит блок сравнения 22 и блок задания 23, при этом блок сравнения 22 соединен с входом электронного усилителя 24, оборудованного блоком 25 нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя 24 соединен с входом магнитного усилителя 26 с выпрямителем на выходе, подключенным к регулятору скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт.
Узел очистки рециркуляционного воздуха 6 (фиг.2) снабжен сеткой 27 (фиг.3), выполненной из биметалла и установленной после внутренней круговой канавки 28 на входе 29 в суживающийся диффузор 7 и соединенной с накопителем загрязнений 30. На внутренней поверхности 31 расширяющегося сопла 9 выполнены винтообразные канавки 32, касательная которых имеет направление против хода часовой стрелки, а касательная винтообразных канавок 8 на внутренней поверхности 33 суживающегося диффузора 7 имеет направление по ходу часовой стрелки. Лопасти 34, 35, 36 и 37 расположены в корпусе 1 в угловых соединениях вертикальных и горизонтальных воздуховодах термокамеры. При этом торцевая поверхность 38 каждой лопасти 34, 35, 36 и 37 повернута на 90° относительно торцевой поверхности 39.
Термокамера для испытания электронных изделий работает следующим образом.
При прохождении потоком рециркуляционного воздуха поворота в угловых соединениях корпуса 1 вертикальных и горизонтальных элементов воздуховода, образованного между корпусом 1 и рабочей камерой 2, образуемые «застойные зоны» (см., например, стр.29. Коваленко Л.М. Глушков А.Ф. Теплообменники с интенсификацией теплоотдачи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 240 с.), в которых слои движущегося потока, описывающего дуги больших радиусов (у вогнутой стенки поворота корпуса 1 движутся медленнее, чем слои потока, описывающие дуги малых радиусов у выпуклой стенки поворота корпуса 1). Скорость движения обратно пропорциональна радиусу кривизны траектории частицы, что приводит к перераспределению рециркуляционного потока по полкам рабочей камеры 1 и, соответственно, к изменению климатических параметров воздействия на испытуемые электронные изделия. А это способствует увеличению выхода брака готовой продукции. Для устранения образования «застойных зон» в местах поворота движущегося потока рециркуляционного воздуха установлены завихрители 34, 35, 36 и 37. При этом поток рециркуляционного воздуха при своем движении в местах поворота (угловые соединения вертикальных и горизонтальных воздуховодов) перемещаясь от торцевой поверхности 38 к торцевой поверхности 39 каждой из лопастей 34, 35, 36 и 37 изменяет свое направление на 90°, разрушая «застойную зону» в местах поворота, осуществляя тем самым равномерное распределение потока рециркуляционного воздуха по полкам рабочей камеры. Кроме того удаление «застойных зон» способствует устранению дополнительного аэродинамического сопротивления движущемуся потоку рециркуляционного воздуха, и, как следствие этого, отсутствует необходимость увеличения мощности на привод вентилятора, т.е. обеспечивается энергосберегающий процесс климатических электрических испытаний электронных изделий.
Рециркуляционный воздух от испытуемых электронных изделий, расположенных на полках рабочей камеры 2, с загрязнениями в виде мелкодисперсной пыли, ржавчины и/или окалины и водомасляной эмульсии через вытяжной патрубок 4 поступает в вентилятор 3, и после закрутки воздушного потока направляется к узлу очистки 6 на вход 29 суживающегося диффузора 7.
Загрязненный рециркуляционный воздух контактирует с сеткой 27, где очищается от твердых частиц и мелкодисперсной влаги путем налипания загрязнений на ее поверхность. Так как сетка выполнена из биметалла и при постоянном перепаде температур на выходе из вентилятора 3 и в суживающемся диффузоре 7, равном 2-3°С, (эффект Джоуля - Томсона) между внешней и внутренней поверхностями сетки 27 по ходу движения потока образуется градиент температуры, обеспечивающий возникновение термовибрации (см., например, Дмитриев А.Н. и др. Биметаллы. - Пермь, 1991 - 415 с.). В результате с сетки из биметалла 27 непрерывно осуществляется стряхивание твердых частиц и мелкодисперсной влаги во внутреннюю круговую канавку 28, откуда под действием гравитационных сил они поступают в накопитель загрязнений 30 для последующего удаления вручную или автоматически.
Не задержанные ячейками сетки из биметалла 27 мелкодисперсные загрязнения поступают с потоком рециркуляционного воздуха в полость суживающегося диффузора 7 узла очистки 6, где завихряются, перемещаясь по винтообразным канавкам 8, и переходят в винтообразное движение пограничного слоя потока, движущегося по ходу часовой стрелки (см., например, М.Я.Выгодский. Справочник по высшей математике. - М.: Наука, 1965, стр.872). Взвешенные частицы загрязнений рециркуляционного воздуха центробежной силой отбрасываются к стенке диффузора 7 и перемещаются по внутренним винтообразным канавкам 8, где сталкиваются с другими частицами, укрупняются, становятся ядрами конденсации водомасляного пара. Образовавшаяся смесь загрязнений собирается во внутренней круговой канавке 28 и под действием гравитационных сил они поступают в накопитель загрязнений 30.
Частично очищенный от загрязнений рециркуляционный воздух поступает в расширяющееся сопло 9. В результате внезапного расширения рециркуляционного воздуха резко падает его скорость со снижением температуры, что приводит к дополнительной конденсации паров влаги из рециркуляционного воздуха. А при наличии в нем мелкодисперсных твердых и каплеобразных частиц, не отделившихся в суживающемся диффузоре 7, наблюдается коагуляция сконденсировавшейся парообразной влаги, и полученная смесь перемещается в полости расширяющегося сопла 9 и бомбардирует поверхность осушивающего устройства 10, снижая его очищающие характеристики.
Устранение данного явления наблюдается при выполнении на внутренней поверхности 31 расширяющегося сопла 9 винтообразных канавок 32, касательная которых имеет направление против хода часовой стрелки. Тогда взвешенные частицы загрязнений («витающие» в потоке рециркуляционного воздуха не отделившаяся в суживающемся диффузоре масса мелкодисперсных твердых и каплеобразных частиц и сконденсировавшаяся в полости расширяющегося сопла 9 парообразная влага) под действием центробежной силы отбрасываются к внутренней поверхности 31 и попадают в винтообразные канавки 32, завихряясь в пограничном слое в направлении против хода часовой стрелки. При этом скоагулированные загрязнения по мере укрупнения перемещаются по винтообразным канавкам 32 расширяющегося сопла 9 от осушивающего устройства 10 к суживающемуся диффузору 7.
В результате на месте соединения суживающегося диффузора 7 и расширяющегося сопла 9 встречаются закрученные в противоположных направлениях пограничные слои, что приводит при их контакте к микровзрывам (см., например, Меркулов В.П. Вихревой эффект и его применение в технике. -Куйбышев: Машиностроение. 1969-436 с., ил.), которые устраняют «витание» загрязнений, отбрасывая их к внутренней поверхности 33 суживающегося диффузора 7 в винтообразные канавки 8 с последующим перемещением в круговую канавку 28 для сбора в накопителе загрязнений 30 и последующего удаления, осуществляемого вручную и автоматически (на фиг.2 не показано).
А ламинарно движущийся поток, очищенный от мелкодисперсных твердых и каплеобразных частиц и насыщенный преимущественно парообразной влагой, контактирует с осушивающим устройством 10, выполненным в виде емкости определенной конфигурации и заполненной адсорбирующим веществом.
Процесс адсорбционного поглощения влаги сопровождается выделением определенного количества тепла, повышающего в конечном итоге температуру рециркуляционного воздуха. Возникающее отношение градиента давления к градиенту температуры в узле очистки рециркуляционного воздуха 6 приводит к появлению эффекта Джоуля-Томсона, что особенно явно выражается при увеличении подачи вентилятора 3, т.к. в этом случае возрастает скорость движения воздуха в узле его очистки 6.
Увеличение температуры рециркуляционного воздуха в рабочей камере 2 регулируется датчиком температуры 13. При этом сигнал, поступающий с датчика температуры 13, становится большим, чем сигнал блока задания 16, и на выходе блока сравнения 15 появится сигнал отрицательной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 17 одновременно с сигналом отрицательной нелинейной обратной связи блока 18. За счет этого в электронном усилителе 17 компенсируется нелинейность характеристики привода 1 вентилятора 3. Сигнал с выхода электронного усилителя 17 поступает на вход магнитного усилителя 19, где усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт. Отрицательная полярность сигнала электронного усилителя 17 вызывает уменьшение тока возбудителя на выходе магнитного усилителя 19. В результате снижается момент от привода 11 вентилятора 3, передаваемый на регулятор скорости 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, и подача рециркуляционного воздуха уменьшается, достигая значений, нормированно заданных для условий испытания электронных изделий.
По мере прохождения рециркуляционного воздуха, загрязненного парообразной влагой, через емкость осушивающего устройства 10 наблюдается насыщение адсорбирующего вещества влагой с последующим увеличением перепада давлений на входе и выходе узла очистки рециркуляционного воздуха 6 (см., например, Борисов Г.С.и др. Основные процессы и аппараты химической промышленности. Пособие по проектированию. - М.: Химия, 1991. - 496 с., ил.) и, соответственно падает давление в рабочей камере 2, что регистрируется датчиком давления 20. При этом сигнал блока задания 23 регулятора давления 21 превышает сигнал датчика давления 20 и на выходе блока сравнения 22 появится сигнал положительной полярности, который поступает на вход электронного усилителя 24. Сюда же поступает и сигнал с блока 25 нелинейной обратной связи, который вычитается из сигнала блока сравнения 22. За счет этого в электронном усилителе 24 компенсируется нелинейность характеристики вентилятора 3. сигнал с выхода электронного усилителя 24 поступает на вход магнитного усилителя 26, где он усиливается по мощности, выпрямляется и поступает на регулятор скорости 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода 11 вентилятора 3. Положительная полярность сигнала усилителя 24 вызывает увеличение тока возбуждения на выходе магнитного усилителя 26, тем самым увеличивается момент, передаваемый от привода 11 на регулятор скорости вращения 12 в виде блока порошковых электромагнитных муфт, за счет чего достигается увеличение подачи воздуха вентилятора 3 до тех пор, пока давление в рабочей камере 2 не станет равным заданной величине.
Дополнительное отделение твердых и каплеобразных частиц как на сетке 27 из биметалла, так и в полости расширяющегося сопла 9, способствует устранению загрязнений поверхности адсорбирующего вещества, а это, как известно, приводит к повышению качества осушки рециркуляционного воздуха. На выходе из осушивающего устройства 10 рециркуляционный воздух с заданными климатическими характеристиками по влажности, температуре и давлению поступает на полки рабочей камеры 2 для обеспечения нормированных условий испытаний готовых полупроводниковых приборов при одновременном измерении их электрических параметров.
Оригинальность предлагаемого изобретения заключается в том, что расположение завихрений, выполненных в виде лопасти, торцевые поверхности которой повернуты на 90° относительно друг друга, устраняет образование «застойных зон» в угловых соединениях вертикальных и горизонтальных воздуховодов для рециркуляционного воздуха, образованных между корпусом и рабочей камерой. В результате обеспечивается не только равномерное распределение потока рециркуляционного воздуха по полкам рабочей камеры, что поддерживает нормированные климатические условия для электрических испытаний электронных изделий, но и снижает аэродинамическое сопротивление движущемуся потоку на поворотах, а это приводит к уменьшению мощности на привод вентилятора. Следовательно, в конечном итоге наблюдается уменьшение выхода брака готовой продукции, т.е. снижение себестоимости производства электронных изделий.
Термокамера для испытания электронных изделий, содержащая корпус, в котором размещена рабочая камера, вентилятор, установленный в рабочей камере между вытяжным и нагнетательным патрубками, узел очистки рециркуляционного воздуха, установленный в нагнетательном патрубке и выполненный в виде соосно соединенных суживающегося диффузора с винтообразными канавками на внутренней поверхности и расширяющегося сопла, в котором размещено осушивающее устройство в виде емкости, предназначенной для заполнения адсорбирующим веществом, вентилятор снабжен приводом с регулятором скорости вращения, соединенным с выходами регулятора температуры и регулятора давления, и датчиком температуры и датчиком давления, подсоединенными соответственно к регулятору температуры и регулятору давления, каждый из которых содержит блок сравнения и блок задания, при этом блок сравнения соединен с входом электронного усилителя, оборудованного блоком нелинейной обратной связи, причем выход электронного усилителя соединен с входом магнитного усилителя с выпрямителем, который на выходе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода вентилятора, а узел очистки рециркуляционного воздуха снабжен сеткой, выполненной из биметалла и установленной после внутренней круговой канавки на входе в суживающийся диффузор и соединенной с накопителем загрязнений, при этом на внутренней поверхности расширяющегося сопла выполнены винтообразные канавки, касательная которых имеет направление против хода часовой стрелки, а касательная винтообразных канавок на внутренней поверхности суживающегося диффузора имеет направление по ходу часовой стрелки, отличающаяся тем что в корпусе в угловых соединениях вертикальных и горизонтальных элементов воздухопровода расположены завихрители, причем каждый завихритель выполнен в виде лопасти, торцевые поверхности которых повернуты на 90° относительно друг друга.
