红外瞄准镜热电制冷控制电路在温度冲击环境下热性能研.docx
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红外瞄准镜热电制冷控制电路在温度冲击环境下热性能研.docx
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红外瞄准镜热电制冷控制电路在温度冲击环境下热性能研
红外瞄准镜热电制冷控制电路在温度冲击环境下热性能研究
ThermalResearchofInfraredSightThermoelectricCoolerControlCircuitunderTemperatureShockEnvironment
摘要:
本文研究了红外瞄准镜热电制冷控制电路在温度冲击环境下的热性能稳定技术,对系统选择的ADI芯片ADN8830器件、焊接材料和PCB电路板首先进行模型参数及几何参数设定,利用ANSYYS工程有限元分析软件对采用CSP32分布型热电制冷控制电路进行热冲击加载仿真与波形曲线研究分析,由于整体模型中焊点在X方向即焊点竖直方向上的应力应变比其他两个方向大的多,所以对单个焊点局部模型施加热载荷时主要考虑X方向的初始应力约束,在分离整体模型中应变最大对角端焊点绝对热载荷应力时,根据热载荷的循环进行插值处理,求得局部模型上下面中节点的塑性应变及热应力。
Abstract:
ThispaperstudiestheinfraredsightthermoelectriccoolingcontrolcircuitinthetemperatureofthethermalshockenvironmentstableperformancetechnologythesystemofchoiceADIchipADN8830devicesweldingmaterialsandPCBcircuitboardfirstofallthemodelparametersandgeometricparameterssettingtheuseofANSYYSengineeringfiniteelementanalysissoftwareusingCSP32distributionpatternofthermoelectriccoolingloadcontrolcircuitforthermalshockwavecurveofsimulationandresearchandanalysisduetotheoverallmodelofsolderjointsintheXdirectionoftheverticaldirectionofthestressandstrainthantheothertwothedirectionoflargerthereforethepartialmodelofasinglesolderjointthermalloadimposedbythemainconsiderationforXdirectionoftheinitialstressconstraintintheseparationoftheoverallmodelthebiggeststrainontheangle-sidesolderjointstresstheabsolutethermalloaddependingonthermalloadcycleoninterpolationprocessingpartialmodelobtainedthefollowingnodesintheplasticstrainandthermalstress.
分析结果表明:
随着温度循环载荷的运行,每个循环的X向力最大值不断增大;危险点的塑性应变不断积累,同时结构变形和等效塑性应变最大的位置在第一和第八个焊点处,最终将会造成结构失效。
Theresultsshowthat:
WiththetemperaturecyclicloadingoperationeachcycleofXtothepowerofthemaximumgrowing;dangerouspointincontinuedaccumulationofplasticstrainwhilestructuraldeformationandthelocationofmaximumequivalentplasticstraininthefirstandeighthasolderjointofficewillultimatelyresultinstructuralfailure.
关键词:
光电子学;热性能研究;温度冲击试验;红外瞄准镜;热电制冷控制电路
Keywords:
optoelectronics;thermalperformancestudies;temperatureimpacttest;infraredsight;thermoelectricrefrigerationcontrolcircuit
1引言
随着大规模集成电路和电子封装集成度的提高,电子设备及系统正向轻、薄、短、小、低功耗、多功能、可靠性等方面发展,但是集成电路的发热量也越来越高[1]。
1Introduction
Withthelargescaleintegratedcircuitsandelectronicpackagingintegrationoftheraiseelectronicequipmentandsystemsbeinglightthinshortsmalllowpowermulti-functionreliabilityandsothedevelopmentofintegratedcircuitsbuthaveanincreasedheatThehigher[1].
为了适应已经出现的超高速、高发热、多端子、窄节距等要求,在保障芯片性能的同时尽量实现高密度封装。
Thathasemergedinordertomeettheultra-fasthighfevermultipleterminalsnarrowpitchetc.intheprotectionofchipperformancewhileminimizinghigh-densitypackaging.
如今,集成电路的可靠性在军用产品的地位和产品本身的质量要求已经同等重要,如何提高和保证军用电子产品的可靠性已经成为电子产品生产和军品研究部门的共同研究课题,而微电子封装的可靠性是保证军品电子产品整体可靠性的技术关键[2]。
TodaythereliabilityofICproductsinthemilitarystatusandthequalityrequirementsoftheproductitselfhasbeenequallyimportanthowtoimproveandensurethereliabilityofmilitaryelectronicproductshasbecometheelectronicproductmanufacturingandmilitaryresearchjointresearchprojectswhilethemicroelectronicpackagingreliabilityistoensuretheoverallreliabilityofmilitaryelectronicstechnicalkey[2].
电子封装及电路板组件在工艺或服役过程中,因为环境过高引起热膨胀在封装结构内产生热应力应变,从而导致电子封装的电、热或机械失效,所以军用电子产品的电子封装的可靠性是该技术领域的关键,研究和分析电子封装的可靠性,也是当前各个相关研究机构的重点研究课题[3]。
Electronicpackagingandcircuitboardassemblyintheprocessorserviceprocessbecausetheenvironmentcausedbyexcessivethermalexpansionofthepackagestructureheatgeneratedwithinthestressandstrainleadingtoelectronicpackagingofelectricityheatormechanicalfailuresomilitaryelectronicsproductselectronicpackagingandreliablesexisthekeytechnologyresearchandanalysisofthereliabilityofelectronicpackagingbutalsoinvariousrelatedresearchinstitutionscurrentlyakeyresearchproject[3].
要对电子封装整体和各个部件进行研究与分析,主要有两种方法:
第一种是试验方法,该方法主要包含有压阻式应变计试验测量法、激光干涉仪测验应变法、结合热循环条件的应力测试方法。
WanttopackageasawholeandthevariouscomponentsofelectronicresearchandanalysisTherearetwomainways:
thefirstisatestmethodwhichconsistsmainlyofapiezoresistivestraingaugetestmeasurementslaserinterferometerteststrainmethodcombinedwiththermalcyclingconditionsofstresstestingmethods.
但是由于试验条件的限制,封装尺寸较小,服役环境的试验模拟困难等因素,使得采用该试验方法进展缓慢[4]。
Howeverduetotestingconditionsthepackagesizesmallanddifficulttosimulateserviceenvironmentfactorssuchasthepilotmakingslowprogressinadoptingthetestmethod[4].
第二种是数值模拟的方法,具体采用计算机仿真软件的方法,对试验试件进行热冲击过程软件仿真模拟,对芯片、焊料、PCB板、热介质等进行材料参数与结构参数设置,然后进行热加载及求解,最后得到仿真数据结果分析,结果对红外瞄准镜的生产和环境试验的研究具有指导意义[5]。
ThesecondisthenumericalsimulationmethodthespecificmethodofusingcomputersimulationsoftwareforthermalshocktestingspecimenstheprocessofsoftwaresimulationonthechipsolderPCBthermalmediaetc.ofmaterialparametersandstructuralparametersofsettingandthenheatloadandsolvingthefinalresultsobtainedsimulationdataanalysistheresultsofinfraredsighttotheproductionandenvironmentaltestingofguidingsignificanceforthestudy[5].
2温度冲击试验
这里使用TST-05B型温度冲击试验装置适合于半导体器件、电子产品和其它军用设备在周围大气温度急剧变化条件下的适应性试验。
2.TemperatureImpactTest
TST-05Bmodelusedherethetemperatureshocktestdevicesuitableforsemiconductordeviceselectronicproductsandothermilitaryequipmentrapidchangesinthesurroundingairtemperaturetheadaptabilitytestunderthecondition.
温度控制器采用进口可编程温度控制器,进口LED数显(P、I、D+S、S、R)微电脑集成控制,温度传感器采用Pt100铂电阻,制冷机组采用进口德国谷轮半封闭压缩机组,制冷方式采用二元复叠压缩制冷,冷却方式采用水冷(冷却水水压:
0.2~0.4MPa,水温:
≤30℃)冷凝器采用板式换热器,加热器和冷却器采用镍铬合金电加热器、翅片式冷却器,循环风采用机轴流风机,气动气缸采用提篮在高、低温室转换驱动器,空气压缩机采用提供驱动气缸的压缩空气温度预热上限/预冷下限
ProgrammabletemperaturecontrollertemperaturecontrollerofimportsandimportLEDdigitaldisplay(PID+SSR)micro-computerintegratedcontrolusingPt100platinumresistancetemperaturesensorrefrigerationunitsimportedGermanCopelandSemi-hermeticCompressorUnitscoolingmethodusingthedual-cascadecompressionrefrigerationcoolingmethodusingwater-cooled(coolingwaterpressure:
0.2~0.4MPawatertemperature:
≤30℃)condenserwithplateheatexchangersheatersandcoolersuseofnickel-chromiumalloyelectricheaterfin-typecoolersaxialfancirculatingairusingmachinespneumaticcylinderwithbasketinhighandlowtemperaturechambertoconvertthedriveaircompressorsusedcompressedairtoprovideadrivingcylinderthetemperaturelimitpreheat/pre-coolinglimit+180℃/-75℃,满足GJB4239-2001、GJB150.6-86和MIL-STD-810F标准[6]。
+180℃/-75℃tomeettheGJB4239-2001GJB150.6-86andMIL-STD-810Fstandard[6].
本项目试验样品(控制电路部分)附近测量系统的温度应在试验温度的±2℃以内,其温度梯度不超过1℃/m,或总的最大值为2.2℃(试验样品不工作)。
Theprojectofthetestsample(controlcircuitpart)nearthetemperaturemeasuringsystemshallbethetesttemperaturewithin±2℃thetemperaturegradientofnomorethan1℃/mortotalmaximumvalueof2.2℃(thetestsampledoesnotwork).
控制传感器附近空气的相对湿度应在被测试值的±5%以内,绝对湿度相当于35℃时50%的相对湿度。
Controlsensorinthevicinityofairrelativehumidityshouldbetestedvaluewithin±5%absolutehumidityisequivalentto35℃50%relativehumidity.气压波动范围是±10%。
Pressurefluctuationrangeis±10%.
试验样品附近空气速度不超过1.7m/s。
Airvelocityinthevicinityofthetestsampledoesnotexceed1.7m/s.为了限制热辐射,试验箱(室)内壁的温度与试验温度之间的差不超过试验温度(按照K值计算)3%,这个规定适合整个试验箱(室)内壁,而试验样品不经受任何不符合这一项目规定的其它加热和冷却因素。
Tolimittheheatradiationthechamber(room)walltemperatureandtesttemperaturedoesnotexceedthedifferencebetweenthetesttemperature(inaccordancewithKvalue)3%thisrequirementfortheentirechamber(room)wallwhilethetestsampleisnotsubjectedtoanynotinconformitywiththeprovisionsofthisprojecttootherheatingandcoolingelements.
温度变化率不得超过10°C/min[7]。
Thetemperaturechangerateshouldnotexceed10°C/min[7].如图1是本次进行试验的红外瞄准镜光学镜头和其它核心部件(主要包含控制电路、微测辐射热计阵列探测器和光学变焦镜),微测辐射热计阵列采用法国ULIS公司生产的UL01011型320×240a-Si阵列,配上光学镜头和显示设备,可以构成热成像系统。
Figure1istotestthisinfraredsightopticallensesandothercorecomponents(mainlycontainsthecontrolcircuitsmicro-bolometerdetectorarrayandopticalzoomlens)micro-bolometerarraysproducedusingFranceULISUL01011-type320×240a-Siarraycoupledwithopticallensesanddisplaydevicescanconstituteathermalimagingsystem.
控制电路是自主开发的电源电路、信号处理电路和温度控制电路,具体见图2所示,其中信号处理电路是控制电路的核心部分。
Controlcircuitisself-developedpowersupplycircuitsignalprocessingcircuitandtemperaturecontrolcircuitspecificallyasshowninFigure2inwhichsignalprocessingcircuitisthecoreofthecontrolcircuit.
图1光学镜头和其它核心部分Figure1opticallensesandothercorepartsof图2控制电路部分Figure2controlcircuitpartofthe
Fig.1lensesandotherpartsofcoreFig.2ControlcircuitFig.1lensesandotherpartsofcoreFig.2Controlcircuit
试验样品应该在正常试验的标准大气压下进行安装,并且尽可能安装在试验设备中央。
OfthetestsampleshouldbethestandardtestinthenormalatmosphericpressureforinstallationandtestequipmentasinstalledintheCentral.温度冲击试验的具体步骤是:
Temperatureimpacttestconcretestepsare:
(1)将瞄准镜控制电路取下,包装完好分别进行高低温环境冲击试验;
(1)Removethesightcontrolcircuitpackagingintactwerethehigh-lowtemperatureimpacttest;
(2)将瞄准镜控制电路呈非工作状态,水平置于低温试验箱内,温度控制在-55℃±2℃,恒温1h,或者试验样品达到温度稳定,以时间长者为准;
(2)Sightcontrolcircuitwasnon-workstatustheleveloflow-temperaturetestsplacedinsideatemperaturecontrolledat-55℃±2℃temperature1horthetestsampletoreachtemperaturestabilityatimewhichever;
(3)低温结束后,在5min内将瞄准镜控制电路置于高温试验箱内,温度控制在125℃±2℃,恒温1h或者试验样品达到温度稳定,以时间长者为准;(3)lowtemperatureaftertheendofthe5mincontrolcircuitwithinsightplacedinsidehigh-temperaturetestst
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