封裝元件除濕設(shè)備：真空熱板爐

鄭宇鵬

（中國(guó)電子科技集團(tuán)第43研究所恒力公司，安徽 合肥230088）

0 前言

早在1975年，R.Thomas對(duì)當(dāng)時(shí)的器件內(nèi)部，由于各種水汽導(dǎo)致腐蝕或其它失效的現(xiàn)象，做了總結(jié)，提出了采用質(zhì)譜儀進(jìn)行內(nèi)部水汽測(cè)量的方法，并將單位大氣壓下0℃時(shí)水汽的露點(diǎn)（6000 ppm），作為判斷是否合格的指標(biāo)。其后，美軍標(biāo)MIL-STD-883和我國(guó)國(guó)軍標(biāo)GJB 548A-96的方法1018基本采納了這一說(shuō)法，并考慮到封裝內(nèi)表面氧化、微裂紋和縫隙會(huì)有利于水汽凝結(jié)，規(guī)定容積為0.01cm3至0.85cm3的封裝內(nèi)，水汽含量應(yīng)不大于5000 ppm?，F(xiàn)在提出的30年長(zhǎng)期貯存指標(biāo)，更是要求水汽含量達(dá)到3000ppm以下。

目前，國(guó)內(nèi)外大部分的生產(chǎn)廠家采用高純度氮?dú)獗Ｗo(hù)，低溫烘烤的方式進(jìn)行除濕及排膠。本文論述的真空熱板爐，在原有工藝的基礎(chǔ)上，增加了一道并行的工藝，迅速抽真空，再充高純氮?dú)?，這樣不斷的循環(huán)，使?fàn)t膛內(nèi)不斷地保持新鮮的氮?dú)猓瑥亩钩凉窦芭拍z更充分，設(shè)備從兩個(gè)方向保證這一指標(biāo)，一是烘烤溫度，二是抽真空-充氮?dú)庋h(huán)。

1 設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)的提出

為實(shí)現(xiàn)上述功能，要解決以下幾項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)：1.180℃下溫度的均勻性；2.180℃和常壓/真空循環(huán)往復(fù)條件下的設(shè)備整體密封性；3.控制系統(tǒng)操作的簡(jiǎn)易性。

由此提出以下幾項(xiàng)重點(diǎn)設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。

長(zhǎng)期使用溫度：180℃；

極限真空度：10Pa；

工作真空度范圍：100～300 Pa；

最長(zhǎng)連續(xù)工作周期：14天；

加熱板表面均勻性：±3℃；

加熱板表面有效空間：500×350（W×D）

2 設(shè)備的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱工系統(tǒng)及中低真空系統(tǒng)結(jié)合自動(dòng)化控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化操控，節(jié)省人力成本，降低勞動(dòng)強(qiáng)度、操作失誤率，提高可靠性等。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（圖1）

2.1.1 熱工設(shè)計(jì)

設(shè)備的加熱方式以傳導(dǎo)為主，采用接觸式烘烤。要保證產(chǎn)品除濕效果一致性，加熱板表面溫度的均勻性指標(biāo)是關(guān)鍵。

如圖2所示，在板內(nèi)均布加熱管，加熱板的材料采用熱導(dǎo)率良好的鋁板，并在內(nèi)部進(jìn)行均勻布置的措施，保證加熱板表面的溫度均勻性，達(dá)到產(chǎn)品除濕效果的一致性。

加熱板表面溫度均勻性驗(yàn)證：見(jiàn)表1。

加熱板表面四角及中心位置放置5點(diǎn)測(cè)溫?zé)崤迹?60℃恒溫平臺(tái)測(cè)試記錄如下：

溫度均勻性測(cè)試記錄1 測(cè)溫點(diǎn) 1 2 3 4 5 160℃1h 157 161 159 163 159 2 測(cè)溫點(diǎn) 1 2 3 4 5 160℃1h 158 160 159 161 162

由測(cè)試結(jié)果分析，最高點(diǎn)163℃，最低點(diǎn)157℃，達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。

2.1.2 真空系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)備由于裝配誤差、長(zhǎng)期使用等情況產(chǎn)生的泄露點(diǎn)主要是：1爐門密封處，2加熱板及熱偶接線處，另外，為了快速響應(yīng)工藝的抽-充要求，合理的選用真空系統(tǒng)也是關(guān)鍵。

爐門密封通過(guò)彈性密封墊與彈簧的雙面彈性式設(shè)計(jì)（圖3），當(dāng)爐膛處于負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，密封墊收縮，彈簧伸展，當(dāng)爐膛充氮?dú)?，處于正壓時(shí)，密封墊伸展，彈簧收縮，始終保證玻璃內(nèi)板與密封墊的貼合。彈性密封墊在高溫下長(zhǎng)期使用后，會(huì)產(chǎn)生一定的塑性變形，伸縮量會(huì)有一定量的減少，此時(shí)，彈簧會(huì)繼續(xù)保持內(nèi)板與其貼合，從而保證了高溫下連續(xù)運(yùn)行的真空密封的可靠性。

為了進(jìn)一步提高密封的可靠性，強(qiáng)弱電引出機(jī)制采用了如圖4所示的方式，法蘭式真空電極采用玻璃熔封工藝來(lái)保證絕緣及密封。不僅可靠，而且安裝及接線簡(jiǎn)便。電極間距較近，外部做了特殊的絕緣防護(hù)措施，避免在真空環(huán)境下放電（圖5）。

對(duì)多段抽氣-充氣工藝的要求，系統(tǒng)的快速響應(yīng)及控制的穩(wěn)定性要求系統(tǒng)能夠快速升降壓。同時(shí)，超長(zhǎng)連續(xù)工作周期和高頻率的升降壓，對(duì)真空泵的使用壽命造成了威脅，設(shè)計(jì)為了解決此難點(diǎn)，在泵與爐膛之間加入真空檔板閥，通過(guò)控制檔板閥的通斷，達(dá)到升降壓的動(dòng)作，避免頻繁的開(kāi)啟和關(guān)閉真空泵。

為防止排出的膠質(zhì)污染真空泵，在爐膛抽氣口處加玻纖過(guò)濾器。對(duì)于工作區(qū)域的潔凈度要求，泵前加油水分離器，過(guò)濾精度可達(dá)到

1μm。

真空系統(tǒng)的選擇：

表2 真空區(qū)域劃分

根據(jù)工作真空度的要求為：極限真空度10Pa，工作真空度100-300Pa,查表2找出真空區(qū)域，確定選用低真空系統(tǒng)。

真空泵的選擇：

選用機(jī)械泵直接對(duì)爐膛進(jìn)行抽氣，在低真空范圍內(nèi)，漏氣量可忽略不計(jì)，抽氣時(shí)間按下式計(jì)算：

式中：V——爐膛容積（L）

v——真空泵的平均抽氣速度（L/s）

p1——爐膛開(kāi)始抽氣時(shí)的壓力（Pa）

p2——經(jīng)τ時(shí)間后停止抽氣時(shí)的爐膛壓力（Pa）

K——修正系數(shù)，見(jiàn)表3

抽氣壓力范圍（Pa）P1-P2 101325-13332 13332-1333.2 1333.2-133.32 133.32-13.33 13.32-1.33 K 1 1.25 1.5 2 4

真空熱處理爐經(jīng)干燥除氣空爐狀態(tài)下，當(dāng)爐膛容積小于0.6m3時(shí)，應(yīng)在20min內(nèi)抽到工作真空度；爐膛容積大于0.6m3時(shí)，應(yīng)在30min內(nèi)抽到工作真空度。

本設(shè)備爐膛容積：

V=W×D×H=5×3.5×5.5=96L，

帶入式3-1中，求出

v＝1.1 L/s，

綜合考慮耐溫特性和系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，選擇2L/s的旋片式真空泵。工作壓力為100Pa-300Pa,計(jì)算在7.5分鐘可抽到工作壓力。實(shí)際測(cè)得5-6min可以抽到100Pa。

排水試燒效果驗(yàn)證：見(jiàn)表4水分測(cè)試記錄。

試樣編號(hào)工藝烘烤 烘烤+抽充循環(huán)1 4820 ppm 2230 ppm 2 5105 ppm 2182ppm 3 4930 ppm 2203 ppm 4 4960 ppm 2235ppm

通過(guò)測(cè)試記錄對(duì)比，具備新工藝的設(shè)備處理過(guò)的產(chǎn)品，水分含量降幅達(dá)到40%以上，而且一致性也比老工藝設(shè)備好。

2.2 控制系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

該控制系統(tǒng)分為溫度控制系統(tǒng)和真空控制系統(tǒng)。采用DCS控制系統(tǒng)，多段式循環(huán)設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了8段斜率升溫和200段抽-充循環(huán)設(shè)置。其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖6所示。

2.2.1 溫度控制系統(tǒng)

控溫模塊為進(jìn)口山武智能控制器，可實(shí)現(xiàn)終極分散配置，通過(guò)分散配置的各模塊共同實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)控制，可提高生產(chǎn)性及節(jié)省能源，一臺(tái)可最多控制四個(gè)回路，每個(gè)回路可對(duì)應(yīng)一個(gè)報(bào)警輸出，可方便確認(rèn)是哪一回路報(bào)警。

溫度控制系統(tǒng)為八段斜率升溫，程序采用三級(jí)嵌套調(diào)用，使用指針間接尋址進(jìn)行循環(huán)設(shè)計(jì)，整個(gè)程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可維護(hù)性較高，便于問(wèn)題原因查找。溫度控制嵌套調(diào)用循環(huán)流程圖如下圖7所示。

在接受到啟動(dòng)信號(hào)時(shí)，通過(guò)調(diào)用溫度循環(huán)功能塊進(jìn)行指針地址傳值，在溫度循環(huán)功能塊中嵌套調(diào)用斜率升溫段子程序功能塊進(jìn)行斜率計(jì)算，在斜率升溫段中嵌套調(diào)用寫(xiě)參數(shù)值子程序功能塊，從而實(shí)現(xiàn)了溫度控制循環(huán)調(diào)用功能。

2.2.2 真空控制系統(tǒng)

真空控制系統(tǒng)是反復(fù)的進(jìn)行抽、充循環(huán)控制，最后進(jìn)入保壓控制階段；抽、充循環(huán)段數(shù)可設(shè)定，最大可設(shè)定為200段；抽到低壓值、低壓偏差、低壓保壓時(shí)間、充到的高壓值、高壓偏差、高壓保壓時(shí)間均可在觸摸屏中自由設(shè)定。真空控制系統(tǒng)循環(huán)流程圖如圖8所示。

在接收到啟動(dòng)信號(hào)后，真空控制系統(tǒng)通過(guò)調(diào)用抽真空、充氣子程序功能塊不斷循環(huán)調(diào)用，在循環(huán)段完成后，通過(guò)調(diào)用保壓控制子程序進(jìn)行保壓控制。

3 結(jié)論

本設(shè)備通過(guò)自動(dòng)化控制結(jié)合可靠的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，完全達(dá)到了新工藝的全部指標(biāo)。從功能和指標(biāo)上來(lái)看，此設(shè)備還可應(yīng)用于微電子、醫(yī)療等行業(yè)的膜封元件除濕、排膠處理工藝，具有廣闊的市場(chǎng)前景。

［1］[美]格普塔（Gupta,T.K.）.厚薄膜混合微電子學(xué)手冊(cè)[S].電子工業(yè)出版社，2005,6.

［2］王秉銓,主編.工業(yè)爐設(shè)計(jì)手冊(cè)[S].3版.北京機(jī)械工業(yè)出版社，2010.5.

［3］胡壽松.自動(dòng)控制原理[M].北京，科學(xué)出版社，2007.9.

［4］高安邦.西門子S7-200PLC工程應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2011.10.

［5］楊晨，張素娟密封封裝內(nèi)部水汽含量判據(jù)研究[OL/J].北京，摘自百度文庫(kù).