CN102590679B - 一种温变试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种温变试验装置，包括控制处理单元、程控电源、半导体制冷模块和探头；所述控制处理单元根据设定的温度参数，向所述程控电源输出电流控制信息；所述程控电源根据所述电流控制信息，控制流经所述半导体制冷模块的电流的大小和方向；所述半导体制冷模块根据所述程控电源的输出电流，在施温面上进行制冷或制热；所述探头与所述半导体制冷模块的施温面连接，将所述施温面的温度传递到被测器件。本发明实施例提供的温变试验装置基于半导体制冷技术实现制冷和制热，能够按照设定的温度参数实施自动化温变，对被测器件的全部或者局部区域进行温变试验。

Description

一种温变试验装置

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种基于半导体制冷技术的温变试验装置。 

背景技术

在对电子系统做可靠性试验，或者对半导体器件做高低温环境试验时，常常需要控制被测器件的工作环境温度。尤其是在电子系统失效分析试验中，还需要隔离电路板上不同区域的器件，对局部区域的关键器件做温变分析，找出导致系统在低温或者高温环境下失效的具体器件。 

现有的大型温度试验箱（简称大型温箱）能够按照设定的温度曲线控制温变变化，将整个电子系统放入大型温箱中可做温变试验。但是，难以隔离电子系统上的器件，不能对局部区域的关键器件做温变分析。 

目前普遍使用的控制局部区域温度的方法有：利用液态氮挥发吸热的特性，将液态氮喷洒在被测器件的局部区域上，使其产生局部温度变化；或者使用热风枪加热风的方式产生局部温度变化。但是，使用液态氮制冷的方法只能对器件做低温试验，不能做高温试验，且液态氮是一次性昂贵的耗材，无法满足长期的温变试验需求。而使用热风枪加热风的方法则只能对器件做高温试验，不能做低温试验。而且，这两种方法都难以控制温度变化，不能按照设定的温度曲线实施自动化温变。 

发明内容

本发明实施例提出一种温变试验装置，基于半导体制冷技术实现制冷和制热，能够按照设定的温度参数实施自动化温变，对被测器件的全部或者局部区域进行温变试验。 

本发明实施例提供一种温变试验装置，包括控制处理单元、程控电源、半导体制冷模块、探头、计算机通信接口和温度传感模块； 

所述计算机通信接口用于获取用户设定的温度曲线数据，并将所述温度曲线数据传送给所述控制处理单元，所述温度曲线数据为温度参数； 

所述控制处理单元根据设定的所述温度参数，向所述程控电源输出电流控制信息； 

所述程控电源根据所述电流控制信息，控制流经所述半导体制冷模块的电流的大小和方向； 

所述半导体制冷模块根据所述程控电源的输出电流，在施温面上进行制冷或制热； 

所述探头与所述半导体制冷模块的施温面连接，将所述施温面的温度传递到被测器件； 

所述温度传感模块用于检测所述探头的温度，对温度信号进行模数转换处理，将处理后的温度信息传送至所述控制处理单元； 

所述控制处理单元还用于根据所述温度传感模块反馈的温度信息，向所述程控电源输出电流修正控制信息，调节流经所述半导体制冷模块的电流的大小和方向。 

本发明实施例提供的温变试验装置，基于半导体制冷技术实现制冷和制热，由控制处理单元控制流经半导体模块的电流的大小和方向，能够按照设定的温度参数实施自动化温变，并通过探头将半导体制冷模块施温面的温度传递到被测器件，能对被测器件的全部或者局部区域进行温变试验。本温变试验装置应用于电子设备、半导体失效分析试验中可以轻易获得任意温度，任意空间大小的局部温度变化。 

附图说明

图1是本发明实施例一提供的温变试验装置的结构示意图； 

图2是本发明实施例二提供的温变试验装置的半导体制冷模块的结构示意 图； 

图3是本发明实施例三提供的温变试验装置的半导体制冷模块的结构示意图； 

图4是本发明实施例四提供的一体化结构的温变试验装置的结构示意图； 

图5是本发明实施例五提供的温变试验装置的支架的结构示意图； 

图6是本发明实施例六提供的温变试验装置的探头的结构示意图； 

图7是本发明实施例七提供的温变试验装置的探头的结构示意图； 

图8是本发明实施例八提供的温变试验装置的探头的结构示意图； 

图9是本发明实施例九提供的温变试验装置的探头的结构示意图； 

图10是本发明实施例十提供的分体式结构的温变试验装置的结构示意图。 

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 

参见图1，是本发明实施例一提供的温变试验装置的结构示意图； 

本实施例提供的温变试验装置包括控制处理单元11、程控电源12、半导体制冷模块3和探头4；具体如下： 

控制处理单元11根据设定的温度参数，向程控电源12输出电流控制信息；可选的，所述温度参数为温度变化曲线； 

程控电源12根据电流控制信息，控制流经半导体制冷模块3的电流的大小和方向； 

半导体制冷模块3根据程控电源的输出电流，在施温面上进行制冷或制热； 

探头4与半导体制冷模块3的施温面连接，将施温面的温度传递到被测器件。 

此外，本实施例提供的温变试验装置还包括散热装置和散热驱动单元13。 

其中，半导体制冷模块3的一个端面和所述散热装置连接；半导体制冷模块3的另一端面为施温面，与探头4连接。 

具体实施时，半导体制冷模块3的施温面传递热量至探头4。探头4用于将热电效应在半导体制冷模块3的施温面产生的热量（或冷量，冷量和热量只是温度高低的区别）传递到被测器件，起冷热传导的作用。 

控制处理单元11还用于向散热驱动单元13发送散热控制信号；散热驱动单元13根据所述散热控制信号，控制散热装置对半导体制冷模块3进行散热。 

具体的，散热装置包括风扇和冷却器。冷却器包括导流管和油泵，导流管与油泵连接。风扇、油泵分别与散热驱动单元13连接；散热驱动单元13还与控制处理单元11连接。 

本发明实施例提供的温变试验装置，基于半导体制冷技术实现制冷和制热，能够按照设定的温度参数实施自动化温变，对被测器件的全部或者局部区域进行温变试验。 

参见图2，是本发明实施例二提供的温变试验装置的半导体制冷模块的结构示意图。 

在一个实施方式中，本发明提供的温变试验装置的半导体制冷模块是利用帕尔帖效应开发的，又称为热电制冷器（Thermo Electric Cooling，简称TEC）。 

半导体制冷技术也叫温差制冷技术，其工作原理是基于帕尔帖效应。帕尔帖效应的物理原理为：电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，当它从高能级向低能级运动时，就会释放出多余的热量（即表现为制热）。反之，就需要从外界吸收热量（即表现为制冷）。 

利用帕尔帖效应的开发出的半导体制冷模块的结构如图2所示。假设散热装置安装在QH端，当电流方向为图2箭头所示的方向时，若QL端从环境吸收热量，那么QH端则放出相应的热量，从而冷端陶瓷片的温度不断降低，直至QL和QH产生的温差和施加的电动势平衡。例如在一定的电流下，某规格的TEC器件可在QL和QH两端产生35℃的温差，那么只要控制热端尽快散热并保持25℃度的常温，则冷端会不断从周围环境吸热，冷端温度会逐步降低到-10℃， 并在电流不变的情况下保持温差平衡。 

同理，当电流方向为反方向时，则QL端为放热端，QH端为吸热端。同样的，由于QH端安装有散热装置，该散热装置能很快地从周围环境吸热并和周围环境保持温度平衡。即当安装散热装置的一端为热端时，散热器的温度高于周围环境，表现出散热器向环境传递热量而温度降低；当电流方向转变，安装散热装置的一端为冷端时（所谓散冷），散热装置的温度低于环境温度，从周围环境中吸收热量。简单地说，就是利用散热装置保持QH端和环境温度接近，这样在QH为热端时，温差⊿T为负值，QL端温度等于QH温度减去温差⊿T；QH为冷端时，温差⊿T为正值，QL端温度等于QH温度加上温差⊿T。用公式表示，如下： 

TQL=TQH±|⊿T| 

其中，TQL为施温面温度，TQH为安装散热装置的一面的温度；⊿T为温差绝对值，由流经TEC的电流大小和方向决定。 

需要说明的是，本实施例中的散热装置是沿用了传统的叫法，实际上散热装置不仅具有散热功能，还具有吸热功能。当散热装置的温度高于环境温度时，向周围环境散热；当散热装置的温度低于环境温度时，从周围环境吸热。该散热装置通过风扇和油泵的共同作用，利用空气加热TEC的冷端。 

参见图3，是本发明实施例三提供的温变试验装置的半导体制冷模块的结构示意图。 

在本实施例中，半导体制冷模块由多个半导体制冷片TEC串联组成，以获得更多的制冷量。实际应用中为了快速实现较大的温差，可以将多个TEC器件叠加，图3仅以3个TEC级联为例进行说明。第一制冷片的热端和第二制冷片的冷端紧贴（中间涂抹散热硅胶），第二制冷片的热端和第三制冷片的冷端紧贴。散热装置安装于第三制冷片的热端，施温探头安装于第一制冷片的冷端。 

多级叠加的温差为：∑⊿T=⊿T1+⊿T2…+⊿Tn。 

需要说明的是，多个TEC级联应用时，流经各个TEC的电流大小可以单独调节，也可以分开调节，但是多个TEC的电流方向需要保持一致。 

具体实施时，控制处理单元根据设定的温度参数输出相应的控制信息，控制程控电源的输出电流的大小及方向，使半导体制冷模块制冷或者制热。当接触面需要从低温快速温变到高温的时候，将电流方向反转，并控制适当的电流大小即可。同理，当接触面需要从高温快速温变到低温时，再次将电流方向反转，控制电流大小，同时控制油泵和风扇转速，确保半导体制冷模块热端散热良好，能够快速从高温转向低温。 

当半导体制冷片的热端和冷端的温差不大时，需要通过散热驱动单元调整风扇的转速和油泵流动速度，从而控制好半导体制冷模块的热端和冷端的温差⊿T，以获得更佳的温差制冷（或制热）效果。 

本实施例提供的温变试验装置具有良好的散热特点，使用油泵油冷加风扇的高效散热设计，能够迅速将半导体制冷模块热端的热量导走，保证冷端温度迅速变化，从而获得快速温变曲线。 

进一步的，如图1所示，本实施例提供的温变试验装置还包括温度传感模块5。温度传感模块5用于检测探头4的温度，并将温度信息传送到控制处理单元11。控制处理单元11还用于根据温度传感模块5反馈的温度信息，向程控电源12输出电流修正控制信息，调节流经半导体制冷模块3的电流的大小和方向。 

可选的，温度传感模块5包括热电偶和温度采集单元；热电偶设置在探头4上，且热电偶与温度采集单元连接；温度采集单元还与控制处理单元11连接。其中，热电偶用检测探头4的温度，将温度信号传递给温度采集单元；温度采集单元用于对所述温度信号进行模数转换处理，将处理后的温度信息传送至控制处理单元11。 

具体实施时，热电偶检测探头4的温度，将温度信号转换为热电动势信号；温度采集单元将所述热电动势信号转换为数字量，并传送到控制处理单元11。控制处理单元11接收温度传感模块反馈的温度信息，与存储的温度曲线当前值进行比较，如果实际温度比当前温度控制点的温度高，则需要加大正向电流， 使温度下降。反之则需要减小电流使温度升高。本实施例提供的温变试验装置具有温度闭环控制功能，根据温度传感模块5反馈的温度信息及时修正半导体制冷模块3的电源供应，保证探头温度变化曲线与预先设定的温度曲线保持一致。 

此外，本实施例提供的温变试验装置还包括显示屏、键盘、输入输出控制单元14和显示驱动单元15； 

显示屏与输入输出控制单元14连接，用于显示温度信息及工作模式信息； 

键盘与输入输出控制单元14连接，用于输入温度参数及工作模式信息； 

显示驱动单元15与控制处理单元11连接，用于驱动显示屏； 

输入输出控制单元14与控制处理单元11连接；输入输出控制单元14包括计算机通信接口，用于与外部计算机进行通信。 

具体的，输入输出控制单元14包含RS232、RJ45接口（可通过PC串口或以太网接口通信）、以太网协议处理模块等，能够接入显示屏和键盘，使用者可通过机身自带的键盘和显示屏进行温度设置，使温变试验装置产生相应的温度变化。使用者还可通过计算机设置温度曲线，由计算机将温度曲线数据传送给温变试验装置，实现对温度参数的实时编程。 

本发明实施例提供的温变试验装置，可以采用一体式结构或者分体式结构，下面结合图4～图10进行详细描述。 

参见图4，是本发明实施例四提供的温变试验装置的结构示意图。 

实施例四提供的温变试验装置采用一体式结构，除了具有上述实施一的构件外，还包括电控箱1和散热箱2。 

控制处理单元、程控电源、散热驱动单元、输入输出控制单元、显示驱动单元和温度采集单元设置在电控箱1内；显示屏和键盘设置在电控箱1外侧。如图4所示的面板101，是显示屏和键盘的安装位置。且电控箱1上还具有电源线102和通讯接口103。 

可选的，通讯接口103包括RJ45接口和RS232接口。本实施例提供的温变试验装置包含计算机通信接口，并包含相关通信协议及计算机上层软件，可通过上层软件设置温度曲线实现，通过计算机对器件表面温度进行编程操作，实现该装置和计算机组成的温变自动化实验和测试。 

如图4所示，散热箱2的上端设有进风口；风扇21、冷却器22设置在散热箱2内，呈上下分布，风扇21位于冷却器22的上方，且风扇21的出风口朝下，正对着冷却器22。冷却器22包括油泵221和导流管222，导流管222采用油冷或水冷方式，且导流管222与油泵221连接。 

散热箱2固定在半导体制冷模块3的上方。电控箱1、散热箱2、半导体制冷模块3、探头4按照从上到下的安装顺序，通过螺栓9串接为一体化结构。电控箱1的顶端还设有手握柄104，便于携带。 

探头4与半导体制冷模块3的施温面连接，且探头4上设有冷凝水收集槽41，在冷凝水收集槽41的底端还设有排水管42。冷凝水收集槽41的作用是回收探头4长时间使用时低温凝结的水，并通过排水管42将水排走，避免冷凝水损坏被测器件。短时间使用时，可以堵住排水管42，使用结束后，再打开排水管42将水排走。 

如图4所示，本实施例提供的温变试验装置还包括导热硅胶43；导热硅胶43设置在探头4上，探头4通过导热硅胶43将温度传递到被测器件6。 

此外，本实施例提供的温变试验装置还包括用于固定被测器件6的支架。如图4所示，支架包括第一横杆81、第二横杆82、第一紧固件83、第二紧固件84和底板7。其中，第一横杆81和第二横杆82的结构相同，第一紧固件83和第二紧固件84的结构相同；底板7用于承载被测器件6。 

优选的，第一紧固件83和第二紧固件84为翼形螺栓。 

参见图5，是温变试验装置的支架的俯视图，本实施例仅以第一横杆81和第一紧固件83的结构为例进行说明。第一横杆81的一个末端设有安装孔801，且第一横杆81上还设有滑轨802。第一紧固件83穿插在滑轨802上，且第一紧固件83可在滑轨802上移动。 

如图4所示，螺栓9穿过第一横杆81末端的安装孔，将第一横杆81固定在散热箱2的左侧。螺栓9穿过第二横杆82末端的安装孔，将第二横杆82固定在散热箱2的右侧。第一横杆81和第二横杆82沿水平方向设置，且能够以各自的安装孔为基点，在同一水平面上旋转。例如，如图5所示，当第一横杆81绕安装孔801旋转α角度后，到达虚线位置。 

第一紧固件83的顶端卡置在第一横杆81的滑轨上，第二紧固件84的顶端卡置在第二横杆82的滑轨上。第一紧固件83的底端和第二紧固件84的底端穿过底板7，并采用螺母旋紧固定。本实施例通过调整第一紧固件83和第二紧固件84，使底板7上的被测器件6与探头4可靠接触，保证半导体制冷模块3的热量能够可靠地传递到被测器件6。 

具体实施时，第一横杆81和第二横杆82除了可以固定在散热箱的两侧外，还可以固定在电控箱或探头的两侧。而且，当被测器件6是印刷电路板（Printed Circuit Board，PCB）上的元件器时，可以省去底板7，由第一紧固件83和第二紧固件84直接固定PCB板，使PCB板上的被测器件6与探头4可靠接触。 

具体实施时，被测器件6可以是PCB板或电子设备上的元件器，例如半导体电子器件、芯片等。或者，被测器件6是PCB板或电子设备上的一个局部区域。被测器件6还可以是其他的独立的元器件。本实施例提供的温变试验装置通过更换不同大小和形状的探头，能够适应不同大小的被测器件或者被测区域，实现对被测器件的全部或者局部区域进行温变试验。 

下面结构图6～图9，对探头的结构进行详细描述。 

参见图6是本发明实施例六提供的温变试验装置的探头的结构示意图。 

本实施例六提供的探头包括安装端头401和施温端头402。其中，安装端头401用于连接半导体制冷模块；施温端头402用于将温度传递到被测器件。 

本实施例六的施温端头402为直头，安装端头401和施温端头402构成一体化结构的“T”型探头。在施温端头402的外围设有冷凝水收集槽41，且在冷凝水收集槽41的底端还设有排水管42。 

参见图7，是本发明实施例七提供的温变试验装置的探头的结构示意图。 

与上述的实施例六相比，本实施例七的不同点在于：探头的施温端头比上述实施例六的施温端头小。 

图8是本发明实施例八提供的温变试验装置的探头的结构示意图； 

本实施例八提供的探头包括安装端头601和施温端头602。其中，安装端头601用于连接半导体制冷模块；施温端头602用于将温度传递到被测器件。 

本实施例八的施温端头602为弯头，安装端头601和施温端头602构成一体化结构的“七”型探头。 

在施温端头602的外围设有冷凝水收集槽41，且在冷凝水收集槽41的底端还设有排水管42。 

参见图9，是本发明实施例九提供的温变试验装置的探头的结构示意图。 

与上述的实施例八相比，本实施例九的不同点在于：探头的施温端头比上述实施例八的施温端头小。 

具体实施时，可根据被测器件或者被测区域的大小，选择不同大小和形状的探头，实现对被测器件的全部或者局部区域进行温变试验。 

参见图10，是本发明实施例十提供的温变试验装置的结构示意图。 

本实施例十提供的温变试验装置采用分体式结构，包括制冷部分和探头部分。如图10所示，制冷部分包括主控箱、面板、散热箱和半导体制冷模块；探头部分包括探头和支架，两部分通过导热管连接。 

具体的，热导管20包括第一接头201和第二接头202；第一接头201与半导体制冷模块3的施温面连接，第二接头202与探头4连接。热导管20用于将半导体制冷模块的施温面的温度传递到探头4。支架的两个横杆通过螺栓固定在探头4的两侧。可选的，热导管20采用油冷方式。 

本实施例十提供的温变试验装置将探头部分独立出来，通过热导管和制冷部分保持热量交换，其优点是：可以将制冷部分的功率做得足够大，而探头又可以足够小，从而适应单板上被测区域空间狭小的应用场景。 

本发明实施例提供的温变试验装置，具有以下有益效果： 

（1）、本温变试验装置基于半导体制冷技术实现制冷和制热，由控制处理单元控制流经半导体模块的电流的大小和方向，能够按照设定的温度参数实施自动化温变，并通过探头将半导体制冷模块施温面的温度传递到被测器件，能对被测器件的全部或者局部区域进行温变试验。本温变试验装置应用于电子设备、半导体失效分析试验中可以轻易获得任意温度，任意空间大小的局部温度变化。 

（2）、本温变试验装置包含计算机通信接口，并包含相关通信协议及计算机上层软件，可通过上层软件设置温度曲线实现，通过计算机对器件表面温度进行编程操作，实现该装置和计算机组成的温变自动化实验和测试。 

（3）、本温变试验装置具有良好的散热特点，使用油泵油冷加风扇的高效散热设计，能够迅速将半导体制冷模块热端的热量导走，保证冷端温度迅速变化，从而获得快速温变曲线。 

（4）、本温变试验装置具有温度闭环控制功能，根据温度传感模块反馈的温度信息及时修正半导体制冷模块的电源供应，保证探头温度变化曲线与预先设定的温度曲线保持一致。 

（5）、本温变试验装置的探头上设有冷凝水收集槽，用于收集长时间使用所凝结的水珠，避免冷凝水损坏被测器件。 

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。 

Claims (7)

1.一种温变试验装置，其特征在于，包括控制处理单元、程控电源、半导体制冷模块、探头、计算机通信接口和温度传感模块； 

所述计算机通信接口用于获取用户设定的温度曲线数据，并将所述温度曲线数据传送给所述控制处理单元，所述温度曲线数据为温度参数； 

所述控制处理单元根据设定的所述温度参数，向所述程控电源输出电流控制信息； 

所述程控电源根据所述电流控制信息，控制流经所述半导体制冷模块的电流的大小和方向； 

所述半导体制冷模块根据所述程控电源的输出电流，在施温面上进行制冷或制热； 

所述探头与所述半导体制冷模块的施温面连接，将所述施温面的温度传递到被测器件； 

所述温度传感模块用于检测所述探头的温度，对温度信号进行模数转换处理，将处理后的温度信息传送至所述控制处理单元； 

所述控制处理单元还用于根据所述温度传感模块反馈的温度信息，向所述程控电源输出电流修正控制信息，调节流经所述半导体制冷模块的电流的大小和方向。 

2.如权利要求1所述的温变试验装置，其特征在于，所述温变试验装置还包括散热装置和散热驱动单元； 

所述半导体制冷模块的一个端面和所述散热装置连接；所述半导体制冷模块的另一端面为施温面，与所述探头连接； 

所述控制处理单元还用于向所述散热驱动单元发送散热控制信号；所述散热驱动单元根据所述散热控制信号，控制所述散热装置对所述半导体制冷模块进行散热。 

3.如权利要求2所述的温变试验装置，其特征在于，所述散热装置包括风扇和冷却器； 

所述冷却器包括导流管和油泵；所述导流管与所述油泵连接； 

所述风扇、油泵分别与所述散热驱动单元连接；所述散热驱动单元还与所述控制处理单元连接。 

4.如权利要求1所述的温变试验装置，其特征在于，所述温度传感模块包括热电偶和温度采集单元； 

所述热电偶设置在所述探头上，且所述热电偶与所述温度采集单元连接；所述温度采集单元还与所述控制处理单元连接； 

所述热电偶用检测所述探头的温度，将温度信号传递给所述温度采集单元； 

所述温度采集单元用于对所述温度信号进行模数转换处理，将处理后的温度信息传送至所述控制处理单元。 

5.如权利要求1所述的温变试验装置，其特征在于，所述探头上设有冷凝水收集槽，在所述冷凝水收集槽的底端还设有排水管。 

6.如权利要求1～5任一项所述的温变试验装置，其特征在于，所述温变试验装置还包括热导管； 

所述热导管包括第一接头和第二接头；所述第一接头与所述半导体制冷模块的施温面连接，所述第二接头与所述探头连接； 

所述热导管用于将所述半导体制冷模块的施温面的温度传递到所述探头。 

7.如权利要求6所述的温变试验装置，其特征在于，所述温变试验装置还包括导热硅胶；所述导热硅胶设置在所述探头上，所述探头通过所述导热硅胶将温度传递到被测器件。 

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