某儀器電控系統(tǒng)SB3控制箱熱測(cè)試分析

劉意 高軍 王紅濤 劉洋 劉建南

摘? 要：在產(chǎn)品研發(fā)過程中，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行環(huán)境試驗(yàn)，使其充分暴露潛在的設(shè)計(jì)、制造、裝配等缺陷十分重要。本文通過對(duì)某儀器電控系統(tǒng)SB3控制箱進(jìn)行熱測(cè)試，獲得SB3控制箱在常溫條件下的熱場(chǎng)分布，以及在特定環(huán)境溫度下的各關(guān)鍵點(diǎn)溫度;測(cè)試發(fā)現(xiàn)該SB3控制箱的多項(xiàng)潛在缺陷，并對(duì)其設(shè)計(jì)缺陷提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。通過改進(jìn)有利于提升產(chǎn)品的固有可靠性與成熟度水平，從而提高用戶滿意度，減輕售后維修保障負(fù)擔(dān)。

關(guān)鍵詞：SB3控制箱;熱測(cè)試;潛在缺陷

中圖分類號(hào)：TP303+.3? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2019）20-0040-04

Abstract：In the product development process，it is very important to conduct environmental tests on the product to fully expose potential defects in design，manufacturing，and assembly. In this paper，the thermal test of the SB3 control box of an instrument electronic control system is carried out to obtain the thermal field distribution of the SB3 control box under normal temperature conditions and the temperature of each key point at a specific ambient temperature. The test found that the SB3 control box has multiple thermal potentials defects，and suggestions for improvement of its design flaws，through improvement will help improve the product's inherent reliability and maturity level，thereby improving user satisfaction and reducing the burden of after-sales maintenance support.

Keywords：SB3 control box;thermal test;potential defects

0? 引? 言

隨著集成電路不斷向微型化、多功能化和高性能化方向發(fā)展，導(dǎo)致集成電路上的電子元器件的熱流密度與功耗不斷增加，因此在研發(fā)設(shè)計(jì)過程中如果不能進(jìn)行有效的熱設(shè)計(jì)，將直接影響系統(tǒng)的可靠性與工作壽命[1，2]。過高的溫度會(huì)使集成電路中的電子元器件加速老化、壽命縮短，甚至導(dǎo)致瞬間或永久失效[3-5]。因此對(duì)樣機(jī)進(jìn)行熱測(cè)試，獲得樣機(jī)的實(shí)際溫度分布值，驗(yàn)證樣機(jī)的熱性能是否滿足規(guī)定的條件;如果不滿足規(guī)定的要求則提出整改措施，對(duì)提高產(chǎn)品的可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[6]。

1? 熱測(cè)試方法

在工程實(shí)際運(yùn)用中，熱測(cè)試方法目前主要有兩種：接觸式和非接觸式測(cè)試。紅外熱像儀常被用作非接觸式測(cè)量方法，該方法不需要與被測(cè)對(duì)象接觸，因此不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài)，但該方法易受環(huán)境因素影響，只限于測(cè)量物體外部溫度，不方便測(cè)量物體內(nèi)部和存在障礙物時(shí)的溫度，因此不易測(cè)出被測(cè)件的實(shí)際溫度[7-11]。接觸式測(cè)試有熱電偶傳感器法、熱敏電阻傳感器法等。在工程實(shí)際中廣泛采用數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行測(cè)量，能夠精確地測(cè)量出物體和液體內(nèi)部溫度。同時(shí)該方法被廣泛用于密封空間內(nèi)的各種組件、器件的溫度測(cè)量，但是該方法在實(shí)際運(yùn)用中比較耗時(shí)，效率較低[12-15]。

本文將紅外熱像儀和高低溫濕熱試驗(yàn)箱配對(duì)使用，首先利用紅外熱像儀獲得某儀器電控系統(tǒng)SB3控制箱內(nèi)各元器件表面溫度分布云圖，確定熱源位置后再進(jìn)行傳感器的布局;其次采用高低溫濕熱試驗(yàn)箱對(duì)被測(cè)儀器電控系統(tǒng)SB3控制箱進(jìn)行溫度步進(jìn)環(huán)境試驗(yàn)，溫度梯度從+40℃、+50℃、+60℃逐步遞增，使其充分、快速地暴露其熱設(shè)計(jì)缺陷，有助于提高熱測(cè)試準(zhǔn)確性和改善儀器整體熱環(huán)境，以及消除產(chǎn)品內(nèi)部過熱點(diǎn)，從而提升SB3控制箱的可靠性水平和使用壽命。

2? SB3控制箱熱測(cè)試

本文以某儀器電控系統(tǒng)SB3控制箱熱測(cè)試為例，該SB3控制箱是儀器的核心部件，然而在實(shí)際工作過程中SB3控制箱整體功耗偏高，因此在改型過程中對(duì)其熱設(shè)計(jì)的評(píng)估是衡量其質(zhì)量及可靠性的重要依據(jù)。

2.1? 測(cè)試儀器

本文采用的測(cè)試儀器由高低溫濕熱試驗(yàn)箱（SDJ61FA）、熱像儀（Tis65）、數(shù)據(jù)采集器（34972A）三部分組成，測(cè)試設(shè)備及檢測(cè)儀表均滿足測(cè)試要求且在校準(zhǔn)有效期內(nèi)，其測(cè)試儀器分別如圖1—3所示。

2.2? 熱測(cè)試流程

通過工程實(shí)踐，對(duì)某儀器SB3控制箱進(jìn)行溫度步進(jìn)熱測(cè)試的試驗(yàn)順序及各步驟間的相互關(guān)系如圖4所示。

溫度步進(jìn)熱測(cè)試的試驗(yàn)步驟如下：

（1）在實(shí)驗(yàn)室常溫條件下，采用熱像儀進(jìn)行非接觸式熱測(cè)試，初步獲取各個(gè)電路板的溫度云圖，根據(jù)云圖初步分析高溫點(diǎn)，對(duì)于高溫點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置元器件耐溫范圍，初步確定SB3控制箱的潛在高溫風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn);

（2）將SB3控制箱放置在試驗(yàn)箱中，針對(duì)潛在的高溫風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)一步部署熱電偶，將試驗(yàn)溫度先后分別升至+40℃、+50℃、+60℃，各保持1個(gè)小時(shí)，采用數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行接觸式溫度測(cè)量，精確獲得各個(gè)溫度監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫度;從而獲得各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)在不同高溫環(huán)境下的溫度變化趨勢(shì)，為確定SB3控制箱耐溫薄弱環(huán)節(jié)提供詳細(xì)數(shù)據(jù)。

3? 常溫下紅外熱成像非接觸式檢測(cè)

常溫條件下，利用紅外成像儀對(duì)SB3控制箱上的發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行溫度檢測(cè)。電控系統(tǒng)SB3控制箱電路板如圖5所示，在常溫下利用紅外成像儀測(cè)試電控系統(tǒng)SB3控制箱電路板，溫度云圖分別如圖6—8所示。當(dāng)SB3控制箱按照指定工況進(jìn)行工作時(shí)，測(cè)試共發(fā)現(xiàn)5個(gè)高溫元器件，如圖中圈出部分所示，各元器件型號(hào)及測(cè)試溫度如表1所示。后續(xù)將采用溫度數(shù)據(jù)采集器在不同環(huán)境溫度下對(duì)以上5個(gè)元器件以及客戶要求測(cè)試的發(fā)熱區(qū)域進(jìn)行精確檢測(cè)，并針對(duì)檢測(cè)結(jié)果給予相應(yīng)的整改意見。

4? 不同溫度下熱電偶接觸式檢測(cè)

采用接觸式熱電偶和溫度數(shù)據(jù)采集器，測(cè)試電控系統(tǒng)SB3控制箱上電路板發(fā)熱器件分別在環(huán)境溫度+40℃、+50℃、+60℃下的溫度，驗(yàn)證是否滿足器件自身工作環(huán)境溫度要求。

4.1? 測(cè)試點(diǎn)布置

根據(jù)紅外成像儀測(cè)試結(jié)果，對(duì)SB3控制箱RN3、U6、PS1、P2、P3粘貼溫度傳感器，在溫度梯度分別為+18.5℃、+40℃、+50℃、+60℃時(shí)進(jìn)行測(cè)試。檢查是否滿足器件自身工作環(huán)境溫度要求。SB3控制箱測(cè)試點(diǎn)布置如圖9所示，其溫度試驗(yàn)應(yīng)力圖如圖10所示。

4.2? 測(cè)試結(jié)果

通過溫度步進(jìn)法對(duì)SB3控制箱電路板熱電偶接觸式檢測(cè)，結(jié)果如表2所示。

5? 結(jié)? 論

本文將紅外熱像儀和高低溫濕熱試驗(yàn)箱配對(duì)使用，針對(duì)某儀器電控系統(tǒng)SB3控制箱進(jìn)行熱測(cè)試，根據(jù)熱像儀測(cè)試結(jié)果，對(duì)SB3控制箱中的5個(gè)元器件粘貼熱電偶溫度傳感器，并在40℃、50℃、60℃的環(huán)境溫度下進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過測(cè)試結(jié)果可知，RN3元器件在40℃、50℃、60℃環(huán)境條件下溫升較明顯，分別為18.526℃、20.368℃、20.537℃，在元器件額定工作溫度范圍內(nèi)且有充足余量，滿足使用要求;P2、P3元器件在60℃環(huán)境溫度下所測(cè)得的工作溫度分別為：63.715℃、63.253℃，較最高額定工作溫度低6.285℃、6.747℃，滿足元器件的工作環(huán)境溫度要求，但是溫度余量較小，建議更換更大工作溫度范圍的元器件。通過上述熱測(cè)試的方法介紹，以期為同行提供一定的借鑒。

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作者簡(jiǎn)介：劉意（1973-），男，漢族，四川大竹人，項(xiàng)目經(jīng)理，本科，主要研究方向：電子產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性研究工作;通訊作者：高軍（1978-），男，漢族，湖南長(zhǎng)沙人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要研究方向：儀器設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作;王紅濤（1990-），男，漢族，山東金鄉(xiāng)人，技術(shù)工程師，碩士研究生，主要研究方向：儀器設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作;劉洋（1991-），男，漢族，四川成都人，碩士研究生在讀，主要研究方向：儀器設(shè)備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作;劉建南（1989-），女，漢族，河南南陽(yáng)人，質(zhì)量與可靠性體系工程師，主要研究方向：產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性工作。