CN109738320B - 一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，包括加热系统和冷却系统；加热系统包括加热机，加热机包括上端的水平加热台，加热台呈长条形结构，在加热台一端的上表面设有试样放置装夹结构，试样放置装夹结构用于放置试样并加热；在加热台另一端套设有水平的感应线圈，且感应线圈的端部和试样放置装夹结构在加热台长度方向呈间隔设置；所述冷却系统包括加热台上所述试样放置装夹结构下方设有的冷却流道，冷却流道上至少设有一个液体入口和一个液体出口；在液体入口连接有冷却液输入管；在液体出口上连接有冷却液输出管；且在冷却液输入管上设有直流水泵。本发明具有升温速率更高，低温段温度更低，测试效率更高，测试效果更好的优点。

Description

一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置及方法

技术领域

本发明涉及热疲劳实技术领域，尤其涉及一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置及方法。

背景技术

随着IGBT和LED等大功率器件的逐步推广和应用，封装体密度越来越高，焊点尺寸越来越小，焊点数量越来越多，其元器件内部芯片所承受的功率越来越大，封装体内部的热流密度也越来越高，为了更好的发挥其性能必须进行冷却降温。因此元器件内部焊点在服役过程中必将承受着高频率、急剧的温度变化，必将导致元器件内部各种材料的热膨胀系数失配，以及起连接作用的焊点承受着应力应变的循环变化，进而引起焊点的热疲劳破坏，导致整个封装器件的失效。

根据IPC9701A-2006标准可知常规含热冲击和热循环实验温度变化慢，循环周期特别长。例如文献[Yan Qi,Rex Lam,et al.Temperature profile effects inaccelerated thermal cycling of SnPb and Pb-free solder joints.Microelectronics Reliability,2006,46 (2-4):574-588]采用两种升温速率（14℃/min和95℃/min）对晶体管2512和PBGA256电子元件的SnPb和无铅焊料进行试验。研究发现，在相同的失效模式下，高升温速率大大缩短了测试时间，但升温速率依然达不到大功率器件内部焊点在服役过程中温度变化速率。又如某公司的D/GDWJB-800L高低温冲击试验箱，其设备升温速率低（0~25℃/min），单个循环周期大。又如文献[李聪，电子封装快速热疲劳可靠性的研究，华中科技大学硕士论文，2012]和[陈继兵, 快速热疲劳对无铅微焊点性能和微观组织的影响, 华中科技大学博士论文, 2013]采用三种升温速率（7℃/S、12.5℃/S和14℃/S）和三种热循环温度（55～125℃、55～180℃、60～200℃）对无铅焊点进行快速热疲劳试验。其试验装置的升温速率较常规热疲劳有较大提升，但升温速率还有优化的空间，且低温段温度过高还需要大幅度降低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：怎样设计一种升温速率更高，低温段温度更低，测试效率更高，测试效果更好的电磁感应加热式快速热疲劳实验装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，包括加热系统和冷却系统；其特征在于，所述加热系统包括加热机，所述加热机包括上端的水平加热台，加热台呈长条形结构，在加热台一端的上表面设有试样放置装夹结构，试样放置装夹结构用于放置试样并加热；在加热台另一端套设有水平的感应线圈，且感应线圈的端部和试样放置装夹结构在加热台长度方向呈间隔设置；所述冷却系统包括加热台上所述试样放置装夹结构下方设有的冷却流道，冷却流道上至少设有一个液体入口和一个液体出口；在液体入口连接有冷却液输入管；在液体出口上连接有冷却液输出管；且在冷却液输入管上设有直流水泵。

这样，通过在加热台上设置一个感应线圈，先对加热台进行升温，然后通过固-固换热将加热台上的试样进行加热，依靠这些涡流的能量达到加热目的。在加热台上试样放置装夹结构下方设有冷却流道，能够使得整个加热台快速冷却以达到试样快速冷却的目的，能够更加方便更快的对试样进行冷却处理。与传统的实验装置相比，传统的热循环耗时一般在一百小时及以上，耗费了大量时间。本装置能够快速热循环在几小时或者几十小时就能够达到相同的效果，大大提高了实验效率。传统的热疲劳实验一台热循环机就高达数万元，本装置成本千元左右，在实验成本上节省了一大笔费用。感应线圈的端部和试样放置装夹结构在加热台长度方向呈间隔设置，使得试样置于电磁场外，避免了电磁场对试验样品的影响，从而增加试验的可靠性。并且本装置具有小型化和轻型化的特点，在运输和搬运过程中，显得十分灵活方便。上述的装置具有升温速率更高，测试效率更高，测试效果更好的优点。

一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，包括加热系统和冷却系统；其特征在于，所述加热系统包括加热机，所述加热机包括上端的水平加热台，加热台呈长条形结构，在加热台上表面设有试样放置装夹结构，试样放置装夹结构用于放置试样并加热；在加热台上套设有水平的感应线圈，且试样放置装夹结构位于感应线圈内部；所述冷却系统包括加热台上所述试样放置装夹结构下方设有的冷却流道，冷却流道上至少设有一个液体入口和一个液体出口；在液体入口连接有冷却液输入管；在液体出口上连接有冷却液输出管；且在冷却液输入管上设有直流水泵。

这样，通过在加热台上设置一个感应线圈，先对加热台进行升温，然后通过固-固换热将加热台上的试样进行加热，依靠这些涡流的能量达到加热目的。在加热台上试样放置装夹结构下方设有冷却流道，能够使得整个加热台快速冷却以达到试样快速冷却的目的，能够更加方便更快的对试样进行冷却处理。与传统的实验装置相比，传统的热循环耗时一般在一百小时及以上，耗费了大量时间。本装置能够快速热循环在几小时或者几十小时就能够达到相同的效果，大大提高了实验效率。传统的热疲劳实验一台热循环机就高达数万元，本装置成本千元左右，在实验成本上节省了一大笔费用。试样放置装夹结构位于感应线圈内部，这样能够使得感应线圈更好的对试样进行加热，更好的提高试验的效率。并且本装置具有小型化和轻型化的特点，在运输和搬运过程中，显得十分灵活方便。上述的装置具有升温速率更高，测试效率更高，测试效果更好的优点。

作为优化，所述冷却系统还包括水箱，且冷却液输入管上背离加热台的一端与水箱上的出液口相连，冷却液输出管上背离加热台的一端与水箱上的回液口相连。

这样，能够使得冷却液循环使用，降低冷却液的使用成本，更加环保。且能够降低整个装置的使用成本。

作为优化，还包括制冷装置；所述制冷装置包括半导体制冷片以及与半导体制冷片连接的一号直流开关电源；且所述半导体制冷片呈水平的设置于水箱底部；并且在半导体制冷片上设置有温度传感器，在半导体制冷片的电控端连接有温度控制器。

这样，能够使得冷却液的温度更低，使得对试样的冷却效果更好，试验时，低温段温度更低，试验效果更好。

作为优化，所述温度控制器为PID温度控制器；所述温度传感器为PT100温度传感器。

这样，更加方便使用，且工作更加可靠。

作为优化，还包括控制系统；所述控制系统包括K型热电偶、智能温度变送器、USB数据采集卡和PC电脑；所述K型热电偶设置在加热台上并用于监控加热台的温度；且K型热电偶的数据输出端与智能温度变送器的数据输入端数据传输连接；智能温度变送器的数据输出端与USB数据采集卡的数据输入端数据传输连接；USB数据采集卡数据输出端与PC电脑数据传输连接。

这样，能够更好的采集加热台的温度，并且通过智能温度变送器和USB数据采集卡将温度信息传输至PC电脑。设计更加合理，实验时更加方便使用；

作为优化，所述控制系统还包括二号直流开关电源和光耦隔离继电器模块，所述二号直流开关电源与直流水泵电连接；在二号直流开关电源的控制端连接有光耦隔离继电器模块；且光耦隔离继电器模块的数据输出端与所述USB数据采集卡的数据输入端数据传输连接。

这样，能够更好的通过二号直流开关电源和光耦隔离继电器模块去控制直流水泵，设计更加合理。

作为优化，所述PC电脑内储存有LABVIEW软件。

这样，加热台上装有K型热电偶，用于实时监控加热台温度，K型热电偶的温度信号由智能温度变送器线性放大后送入USB数据采集卡中，USB数据采集卡实时采集的温度信号作为反馈信号送入电脑，电脑运行LABVIEW软件后，运算结果送入USB数据采集卡，从而控制0-5v控制直流开关电源功率，以达到控制ZVS高频感应加热机的功率和加热台温度的目的。

作为优化，所述加热机为ZVS高频感应加热机。

这样，选用ZVS高频感应加热机具有加热效果更好的优点，能够更好的对试样进行加热，更加方便整个装置的使用。

作为优化，还包括三号直流开关电源，三号直流开关电源与加热机电连接并供电。

这样，能够更加方便对加热机供电。

还公开了一种热疲劳实验方法 ，包括以下步骤，a获取上述电磁感应加热式快速热疲劳实验装置；b打开一号直流开关电源，并在PID温度控制器预设一个温度；c当PT100温度传感器的温度达到特定温度时，将试样放置于试样放置装夹结构上，再打开二号直流开关电源和三号直流开关电源；d在PC电脑上打开LABVIEW软件并设置试样加热温度，设置试样的加热时间和保持时间以及设置试样的降温时间和保持时间；启动程序，整个系统自动运转并完成试验。

这样，上述的试验方法更加简单，方便试验操作，且试验效率更高。

附图说明

图1为本发明具体实施方式中的流程图。

图2为电磁感应加热式快速热疲劳实验装置的结构示意图。

图3为图2中加热台放大图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

具体实施时：如图1至图3所示，一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，包括加热系统和冷却系统；其特征在于，所述加热系统包括加热机1，所述加热机包括上端的水平加热台2，加热台呈长条形结构，在加热台一端的上表面设有试样放置装夹结构，试样放置装夹结构用于放置试样3并加热；在加热台另一端套设有水平的感应线圈4，且感应线圈的端部和试样放置装夹结构在加热台长度方向呈间隔设置；所述冷却系统包括加热台上所述试样放置装夹结构下方设有的冷却流道5，冷却流道上至少设有一个液体入口和一个液体出口；在液体入口连接有冷却液输入管6；在液体出口上连接有冷却液输出管7；且在冷却液输入管上设有直流水泵8。

这样，通过在加热台上设置一个感应线圈，先对加热台进行升温，然后通过固-固换热将加热台上的试样进行加热，依靠这些涡流的能量达到加热目的。在加热台上试样放置装夹结构下方设有冷却流道，能够使得整个加热台快速冷却以达到试样快速冷却的目的，能够更加方便更快的对试样进行冷却处理。与传统的实验装置相比，传统的热循环耗时一般在一百小时及以上，耗费了大量时间。本装置能够快速热循环在几小时或者几十小时就能够达到相同的效果，大大提高了实验效率。传统的热疲劳实验一台热循环机就高达数万元，本装置成本千元左右，在实验成本上节省了一大笔费用。感应线圈的端部和试样放置装夹结构在加热台长度方向呈间隔设置，使得试样置于电磁场外，避免了电磁场对试验样品的影响，从而增加试验的可靠性。并且本装置具有小型化和轻型化的特点，在运输和搬运过程中，显得十分灵活方便。上述的装置具有升温速率更高，测试效率更高，测试效果更好的优点。

其中，试样放置装夹结构为竖向设置的盲孔或者为水平的长条形容纳槽。这样设计结构更加简单，方便使用。

一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，包括加热系统和冷却系统；其特征在于，所述加热系统包括加热机，所述加热机包括上端的水平加热台，加热台呈长条形结构，在加热台上表面设有试样放置装夹结构，试样放置装夹结构用于放置试样并加热；在加热台上套设有水平的感应线圈，且试样放置装夹结构位于感应线圈内部；所述冷却系统包括加热台上所述试样放置装夹结构下方设有的冷却流道，冷却流道上至少设有一个液体入口和一个液体出口；在液体入口连接有冷却液输入管；在液体出口上连接有冷却液输出管；且在冷却液输入管上设有直流水泵。

这样，通过在加热台上设置一个感应线圈，先对加热台进行升温，然后通过固-固换热将加热台上的试样进行加热，依靠这些涡流的能量达到加热目的。在加热台上试样放置装夹结构下方设有冷却流道，能够使得整个加热台快速冷却以达到试样快速冷却的目的，能够更加方便更快的对试样进行冷却处理。与传统的实验装置相比，传统的热循环耗时一般在一百小时及以上，耗费了大量时间。本装置能够快速热循环在几小时或者几十小时就能够达到相同的效果，大大提高了实验效率。传统的热疲劳实验一台热循环机就高达数万元，本装置成本千元左右，在实验成本上节省了一大笔费用。试样放置装夹结构位于感应线圈内部，这样能够使得感应线圈更好的对试样进行加热，更好的提高试验的效率。并且本装置具有小型化和轻型化的特点，在运输和搬运过程中，显得十分灵活方便。上述的装置具有升温速率更高，测试效率更高，测试效果更好的优点。

本具体实施方式中，所述冷却系统还包括水箱9，且冷却液输入管上背离加热台的一端与水箱上的出液口相连，冷却液输出管上背离加热台的一端与水箱上的回液口相连。

这样，能够使得冷却液循环使用，降低冷却液的使用成本，更加环保。且能够降低整个装置的使用成本。

本具体实施方式中，还包括制冷装置；所述制冷装置包括半导体制冷片10以及与半导体制冷片连接的一号直流开关电源11；且所述半导体制冷片呈水平的设置于水箱底部；并且在半导体制冷片上设置有温度传感器13，在半导体制冷片的电控端连接有温度控制器12。

这样，能够使得冷却液的温度更低，使得对试样的冷却效果更好，试验时，低温段温度更低，试验效果更好。

本具体实施方式中，所述温度控制器12为PID温度控制器；所述温度传感器13为PT100温度传感器。

这样，更加方便使用，且工作更加可靠。

本具体实施方式中，还包括控制系统；所述控制系统包括K型热电偶14、智能温度变送器15、USB数据采集卡16和PC电脑17；所述K型热电偶设置在加热台上并用于监控加热台的温度；且K型热电偶的数据输出端与智能温度变送器的数据输入端数据传输连接；智能温度变送器的数据输出端与USB数据采集卡的数据输入端数据传输连接；USB数据采集卡数据输出端与PC电脑数据传输连接。

这样，能够更好的采集加热台的温度，并且通过智能温度变送器和USB数据采集卡将温度信息传输至PC电脑。设计更加合理，实验时更加方便使用；

本具体实施方式中，所述控制系统还包括二号直流开关电源18和光耦隔离继电器模块19，所述二号直流开关电源与直流水泵电连接；在二号直流开关电源的控制端连接有光耦隔离继电器模块；且光耦隔离继电器模块的数据输出端与所述USB数据采集卡的数据输入端数据传输连接。

这样，能够更好的通过二号直流开关电源和光耦隔离继电器模块去控制直流水泵，设计更加合理。

本具体实施方式中，所述PC电脑内储存有LABVIEW软件。

这样，加热台上装有K型热电偶，用于实时监控加热台温度，K型热电偶的温度信号由智能温度变送器线性放大后送入USB数据采集卡中，USB数据采集卡实时采集的温度信号作为反馈信号送入电脑，电脑运行LABVIEW软件后，运算结果送入USB数据采集卡，从而控制0-5v控制直流开关电源功率，以达到控制ZVS高频感应加热机的功率和加热台温度的目的。

本具体实施方式中，所述加热机1为ZVS高频感应加热机。

这样，选用ZVS高频感应加热机具有加热效果更好的优点，能够更好的对试样进行加热，更加方便整个装置的使用。

本具体实施方式中，还包括三号直流开关电源20，三号直流开关电源与加热机电连接并供电。

其中，三号直流开关电源为0-5V控制直流开关电源。

这样，能够更加方便对加热机供电。

还公开了一种热疲劳实验方法 ，包括以下步骤，a获取上述电磁感应加热式快速热疲劳实验装置；b打开一号直流开关电源，并在PID温度控制器预设一个温度；c当PT100温度传感器的温度达到特定温度时，将试样放置于试样放置装夹结构上，再打开二号直流开关电源和三号直流开关电源；d在PC电脑上打开LABVIEW软件并设置试样加热温度，设置试样的加热时间和保持时间以及设置试样的降温时间和保持时间；启动程序，整个系统自动运转并完成试验。

这样，上述的试验方法更加简单，方便试验操作，且试验效率更高。

下面为实验时，具体的试验数值。

案例一

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置5℃，当冷却液温度保持在5℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和号直流开关电源。将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度150℃，加热时间10秒并保温时间5秒，降温时间10秒并保温时间5秒，启动程序，整个系统自动运转。

案例二

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置10℃，当冷却液温度保持在10℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度160℃，加热时间10秒并保温时间10秒，降温时间10秒并保温时间10秒，启动程序，整个系统自动运转。

案例三

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置20℃，当冷却液温度保持在20℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度170℃，加热时间10秒并保温时间15秒，降温时间10秒并保温时间15秒，启动程序，整个系统自动运转。

案例四

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置0℃，当冷却液温度保持在0℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度180℃，加热时间10秒并保温时间5秒，降温时间10秒并保温时间5秒，启动程序，整个系统自动运转。

案例五

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置0℃，当冷却液温度保持在0℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度150℃，加热时间15秒并保温时间5秒，降温时间15秒并保温时间5秒，启动程序，整个系统自动运转。

案例六

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置0℃，当冷却液温度保持在0℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度160℃，加热时间15秒并保温时间10秒，降温时间15秒并保温时间10秒，启动程序，整个系统自动运转。

案列七

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置100℃，当冷却液温度保持在10℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度160℃，加热时间15秒并保温时间10秒，降温时间15秒并保温时间10秒，启动程序，整个系统自动运转。

案例八

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置20℃，当冷却液温度保持在20℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度170℃，加热时间15秒并保温时间15秒，降温时间15秒并保温时间15秒，启动程序，整个系统自动运转。

案例九

首先，打开一号直流开关电源，在PID温度控制器上设置10℃，当冷却液温度保持在20℃时，然后打开0-5V控制直流开关电源和二号直流开关电源。如图3所示，将试样放置于加热台上，在LABVIEW上面设置加热温度190℃，加热时间15秒并保温时间5秒，降温时间15秒并保温时间5秒，启动程序，整个系统自动运转。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，包括加热系统和冷却系统；其特征在于，所述加热系统包括加热机（1），所述加热机包括上端的水平加热台（2），加热台呈长条形结构，在加热台一端的上表面设有试样放置装夹结构，试样放置装夹结构用于放置试样（3）并加热；在加热台另一端套设有水平的感应线圈（4），且感应线圈的端部和试样放置装夹结构在加热台长度方向呈间隔设置；所述冷却系统包括加热台上所述试样放置装夹结构下方设有的冷却流道（5），冷却流道上至少设有一个液体入口和一个液体出口；在液体入口连接有冷却液输入管（6）；在液体出口上连接有冷却液输出管（7）；且在冷却液输入管上设有直流水泵（8），试样放置装夹结构为竖向设置的盲孔或者为水平的长条形容纳槽；

所述冷却系统还包括水箱（9），且冷却液输入管上背离加热台的一端与水箱上的出液口相连，冷却液输出管上背离加热台的一端与水箱上的回液口相连；

还包括制冷装置；所述制冷装置包括半导体制冷片（10）以及与半导体制冷片连接的一号直流开关电源（11）；且所述半导体制冷片呈水平的设置于水箱底部；并且在半导体制冷片上设置有温度传感器（13），在半导体制冷片的电控端连接有温度控制器（12）。

2.如权利要求1所述的一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述温度控制器（12）为PID温度控制器；所述温度传感器（13）为PT100温度传感器。

3.如权利要求2所述的一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，还包括控制系统；所述控制系统包括K型热电偶（14）、智能温度变送器（15）、USB数据采集卡（16）和PC电脑（17）；所述K型热电偶设置在加热台上并用于监控加热台的温度；且K型热电偶的数据输出端与智能温度变送器的数据输入端数据传输连接；智能温度变送器的数据输出端与USB数据采集卡的数据输入端数据传输连接；USB数据采集卡数据输出端与PC电脑数据传输连接。

4.如权利要求3所述的一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述控制系统还包括二号直流开关电源（18）和光耦隔离继电器模块（19），所述二号直流开关电源与直流水泵电连接；在二号直流开关电源的控制端连接有光耦隔离继电器模块；且光耦隔离继电器模块的数据输出端与所述USB数据采集卡的数据输入端数据传输连接；

所述PC电脑（17）内储存有LABVIEW软件。

5.如权利要求1所述的一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述加热机（1）为ZVS高频感应加热机。

6.如权利要求4所述的一种电磁感应加热式快速热疲劳实验装置，其特征在于，还包括三号直流开关电源（20），三号直流开关电源与加热机电连接并供电。

7.一种热疲劳实验方法，其特征在于， 包括以下步骤，a获取如权利要求6所述的电磁感应加热式快速热疲劳实验装置；b打开一号直流开关电源，并在PID温度控制器预设一个温度；c当PT100温度传感器的温度达到步骤b中PID温度控制器预设的温度时，将试样放置于试样放置装夹结构上，再打开二号直流开关电源和三号直流开关电源；d在PC电脑上打开LABVIEW软件并设置试样加热温度，设置试样的加热时间和保持时间以及设置试样的降温时间和保持时间；启动程序，整个系统自动运转并完成试验。

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