Результат интеллектуальной деятельности: ТЕРМОКАМЕРА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ

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 №51787, МПК H01L 21/66, 2006, Бюл. №6), 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.

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, Бюл. №6), 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, кроме того, 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, причем 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 является снижение надежности результатов испытания электронных изделий при длительной эксплуатации, обусловленное тепловыми потерями от наружной поверхности корпуса термокамеры к внутреннему воздуху помещения, что приводит не только к ухудшению качества готового продукта, но и требует дополнительных энергозатрат на поддержание нормированного температурного режима внутри термокамеры.

Технической задачей предлагаемого изобретения является поддержание оптимального температурного режима для испытания электронных изделий при длительной эксплуатации путем покрытия наружной поверхности корпуса тонковолокнистым базальтовым материалом, выполненным в виде витых пучков, расположенных продольно вытянутыми по высоте термокамеры. Кроме того, это обеспечивает нормированный теплообменный процесс ко всему общему корпусу из-за расположения тонковолокнистого базальтового материала в виде витых пучков, позволяющих аккумулировать тепловую энергию рециркуляционного воздуха (см., например, Волокнистые материалы из базальтов Украины. «Техники». (Киев. 1971, -76 с., ил.).

Технический результат достигается тем, что термокамера для испытания электронных изделий содержит 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 датчиками температуры и давления, подсоединенными, соответственно, к регулятору температуры и 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 входе подключен к регулятору скорости в виде блока порошковых электромагнитных муфт привода вентилятора, 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, причем узел очистки рециркуляционного воздуха снабжен сеткой, выполненной из биметалла, установленной после внутренней круговой канавки на входе в суживающийся диффузор и соединенной с накопителем загрязнений, при этом на наружной поверхности корпуса расположен тонковолокнистый базальтовый материал, выполненный в виде витых пучков по высоте корпуса.

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.

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 с винтообразными канавками 32, осушивающего устройства 10, установленного в расширяющемся сопле 9, занимающего всю площадь входного 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, 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 входе, подключенный к регулятору скорости вращения 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 5 нелинейной связи, причем выход электронного усилителя 24 соединен с входом магнитного усилителя 26 с выпрямителем на входе, подключенном 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, 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 суживающегося диффузора 7 имеет направление по ходу часовой стрелки.

На наружной поверхности 34 корпуса 1 расположен тонковолокнистый базальтовый материал 35, выполненный в виде витых пучков 36 продольно вытянутых по высоте корпуса 1.

Термокамера для электронных приборов работает следущим образом.

Температура внутреннего воздуха помещения, где размещена термокамера, находится в пределах 18-22°C (см., например, СНиП II-13-79*. Строительная теплотехника / Минстрой России, -М.: ГП ЦПП, 1995. - 29 с.), а в условиях климатических испытаний электронных изделий температура в рабочей камере 2 изменяется от 50°C до минус 50°C, следовательно, по корпусу 1 от наружной поверхности 34 осуществляется интенсивный отвод теплоты к окружающей среде, что нарушает температурный режим испытаний электронных изделий в термокамере с последующим ухудшением качества готового продукта (см., например, Чистые помещения/Пер. с японского под ред. И. Хаякавы. М.: Мир. 1990. - 454 с., ил.).

При расположении на наружной поверхности 34 базальтового материала 35 в виде витых пучков 36 продольно вытянутыми по высоте корпуса в процессе испытаний электрических изделий с воздействием высоких температур (плюс 150°C) устранятся тепловые потери из рабочей камеры 2 к воздуху внутри помещения, а в процессе испытания электронных изделий с воздействием высоких отрицательных температур (минус 50°C) устранит подвод теплоты от внутреннего воздуха помещения в рабочею камеру 2, так как тонковолокнистый базальтовый материал обладает теплоизоляционными свойствами, кроме того это обеспечивает нормированный теплообменный процесс ко всему общему корпусу из-за расположения тонковолокнистого базальтового материала в виде витых пучков, позволяющих аккумулировать тепловую энергию рециркуляционного воздуха (см., например, Волокнистые материалы из базальтов Украины. «Техники». (Киев. 1971, -76 с., ил.). Все это обеспечивает качественный выход готового продукта после климатических испытаний.

Рециркуляционный воздух от испытуемых электронных изделий, расположенных на полках рабочей камеры 2, с загрязнением 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°C, (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.

Незадержанные 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, Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. - М: Наука, 1965, с.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, 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, нормировано 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 устройства заключается в том, что поддержание надежности результатов испытаний электронных изделий для условий резких климатических воздействий обеспечивается расположением на наружной поверхности корпуса тонковолокнистого базальтового материала, выполненного в виде витых пучков продольно вытянутых по высоте термокамеры, а это способствует возрастанию выхода качественного готового продукта.