CN117032341B - 一种用于芯片截面热应变测量的温控系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及温控领域，公开了一种用于芯片截面热应变测量的温控系统及控制方法，其具有以下特点：1、本发明通过对PID算法中积分项的调整，计算实测差值，得到目标PID控制公式，再根据目标PID控制公式计算输出控制变量值，并根据所得输出控制变量值对受控设备进行相应的控制，在现有PID控制公式的基础上，对积分项进行了改进，实现了能够同时兼顾系统的跟踪速度与响应品质，缩短温度的调节时间，并使得温度调节过程更加精准；2、在本发明利用温度检测模块的检测数值对芯片内部的温度进行等效，避免温度检测模块在使用时受到较大挤压，同时还考虑到了环境对于温度传导变化之间的关联，进而便于获取实际的芯片温度，使得温度控制更加精准。

Description

一种用于芯片截面热应变测量的温控系统及控制方法

技术领域

本发明涉及温控领域，更具体的说是涉及一种用于芯片截面热应变测量的温控系统及控制方法。

背景技术

随着摩尔定律的发展，芯片层数和晶体管数量急剧增加，容易导致芯片温度过高，发生热应变翘曲问题，严重影响电子电路的可靠性。由于芯片是多种材料封装而成，为研究其产生热应变的机理，因此，有必要对芯片截面热应变问题展开研究，其中智能温控系统是芯片热应变研究的重要一环，为热应变测量提供准确的温度环境，具有至关重要的作用。

目前芯片的温控系统在进行芯片截面热应变测量时，需要对芯片进行频繁的升温与降温，一方面会导致温度控制不准确，另一个方面是升温降温时间长，变温速度慢。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于芯片截面热应变测量的温控系统及控制方法，用于克服现有技术中的上述缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，所述温控系统配置有温度控制器和冷热台，所述冷热台上设置有加热结构和冷却结构，所述温控系统包括

温度测量模块，所述温度测量模块设置于所述冷热台上并获取芯片温度，

输入模块，所述输入模块供输入设定温度以定义为期望温度值，

计算模块，所述计算模块计算所述芯片温度与所述期望温度值之间的差异以定义为实测差值，计算相邻两个测量周期的实测差值，确定积分项以获取PID控制公式，

输出模块，所述输出模块根据所述PID控制公式获取控制输出值，并生成加热信号至加热结构进行加热或者生成降温信号至降温结构进行降温至达到期望温度值；

所述积分项具体为：

其中I(k)表示积分项，e(k)表示当前测量周期的实测差值，e(k-1)表示前一测量周期的实测差值，Δt表示测量周期的时长，Δe₀表示预设变化率，Ki为积分增益。

在本发明中，优选的，在所述温度测量模块获取所述芯片温度的过程中，所述温度测量获取加热台的温度以定义为实测温度，所述温度测量模块配置有芯片温度计算策略以计算所述芯片温度。

在本发明中，优选的，所述芯片温度计算策略的表达式具体为：

其中Q表示导热效率，α表示空气的导热系数，A表示芯片受热的横截面积，T表示温度测量模块测量得到的实测温度，t表示芯片温度，a表示温度测量模块和芯片中心之间在热传递方向上的间距。

进一步地，在所述计算模块中配置有积分项计算的预设条件，所述预设条件具体为：相邻两个实测差值的差值小于零，且相邻两个实测差值的差值与当前实测差值乘积的绝对值不小于预设变化值的平方。

在本发明中，优选的，所述PID控制公式具体为：

其中u(t)具体为控制输出值，Kp为比例增益，Kd为微分增益。

在本发明中，优选的，所述输出模块通过PID控制算法计算输出脉冲宽度调制的大小，升温则通过脉冲宽度调制输出控制冷热台的加热功率的大小，降温则通过脉冲宽度调制输出控制冷热台的降温功率的大小。

一种用于芯片截面热应变测量的温控控制方法，应用于如上所述的用于芯片截面热应变测量的温控系统，包括如下步骤：所述温度测量模块设置于所述冷热台上并获取芯片温度；

所述输入模块供输入设定温度以定义为期望温度值；

所述计算模块计算所述芯片温度与所述期望温度值之间的差异以定义为实测差值，计算相邻两个测量周期的实测差值，确定积分项以获取PID控制公式；

所述输出模块根据所述PID控制公式获取控制输出值，并生成加热信号至加热结构进行加热或者生成降温信号至降温结构进行降温至达到期望温度值。

本发明的有益效果：

1、本发明通过对PID算法中积分项的调整，计算实测差值，得到目标PID控制公式，再根据目标PID控制公式计算输出控制变量值，并根据所得输出控制变量值对受控设备进行相应的控制，在现有PID控制公式的基础上，对积分项进行了改进，实现了能够同时兼顾系统的跟踪速度与响应品质，缩短温度的调节时间，并使得温度调节过程更加精准。

2、在本发明利用温度检测模块的检测数值对芯片内部的温度进行等效，避免温度检测模块在使用时受到较大挤压，同时还考虑到了环境对于温度传导变化之间的关联，进而便于获取实际的芯片温度，使得温度控制更加精准。

附图说明

图1是本发明中立式双边导热冷热台的整体结构示意图；

图2是本发明中立式双边导热冷热台的侧视结构示意图；

图3是本发明中一种用于芯片截面热应变测量的温控系统的连接示意图。

附图标记：

1第一加热块、2第一支撑滑块、3螺杆、4第一液氮出口管、5第一液氮进口管、6底座、7第二液氮进口管、8第二液氮出口管、9旋钮、10第二加热块、11第二支撑滑块、24第二温控快插接头、25第二传感器快插接头、26第二温度传感器、27第二浮动板、28第二温控线、29第二固定板、12立式双边导热冷热台、13温度控制器、14OLED显示屏、15电脑、16液氮罐、17第二真空泵输入口、18第一真空泵输入口、19氮气输出口、20第二加热接口、21第一加热接口、22第一温度传感器输入端、23第二温度传感器输入端。

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做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。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请同时参见图1至图3，本实施例提供了一种芯片截面热应变测量的温控装置，属于温控系统的一部分，为便于后文理解，首先对温控装置的结构进行概述。温控装置包括一种双边立式导热的冷热台，该冷热台能对不同厚度的芯片进行导热，能够给芯片的截面热应变测量提供一个准确可控的温度场环境；该冷热台可对芯片进行立式固定，同时利用液氮降温，能够对芯片进行均匀变温，具有温度梯度小、精度高、芯片温度均匀性好、变温速率快等特点，此款冷热台采用可快速插拔的接头，线路连接简单，操作方便。

如图1所示，根据本发明实施例一种立式双边导热冷热台主要由底座6、第一支撑滑块2、第二支撑滑块11、螺杆3、旋钮9、第一加热块1和第二加热块10组成，底座6和第一支撑滑块2与第二支撑滑块11由底座6上的燕尾槽与支撑滑块2、11上的燕尾凸台进行配合，并且第一支撑滑块2和第二支撑滑块11上设有螺纹孔，分别为正牙螺纹与反牙螺纹；结合螺杆3上的正反牙螺纹进行螺纹传动，可使第一支撑滑块2和第二支撑滑块11随螺杆3旋转进行相对移动，起到适应不同厚度的芯片作用和固定芯片的作用；上述螺杆3与旋钮9是螺纹连接；第一支撑滑块2和第二支撑滑块11内部分别有第一加热块1和第二加热块10；加热块内部设有液氮进出管，以第二加热块为例，于第二加热块10侧边设有第二液氮进口管7和第二液氮出口管8；加热块为悬空设计，避免了在控温过程中，热传导到底座6和支撑滑块2、11上，造成安全问题。

以第二加热块10为例，图2所示了第二加热块10的安装结构，第二加热块10由第二浮动板27与第二固定板28进行限位固定；第二固定板28通过螺钉与第二支撑滑块11进行连接；第二支撑滑块11上设有两个直槽孔，对第二浮动板27的自由度进行限制，使其只有一个自由度，27可以随紧固螺钉进行移动，进而固定第二加热块10；所述第二加热块10上设有第二温控线28，以及以螺纹进行连接的第二温度传感器26，用于实时反馈第二加热块的实际温度值；第二温控快插接头24和第二传感器快插接头25固定在第二支撑滑块11上，用于连接第二温控线28和第二温度传感器26。

如图3所示，一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，包括立式双边导热冷热台12、温度控制器13、OLED显示屏14、电脑15、液氮罐16；其中所述温度控制器13通过USB数据线与电脑15连接；液氮罐16通过耐高低温的硅胶管一分二分别连接到第一液氮进口管5和第二液氮进口管7；所述温度控制器13设有第一真空泵输入口18和第二真空泵输入口17，分别与第一液氮出口管4和第二液氮出口管8连接；降温时，液氮从液氮罐16抽出，流经加热块1、10到真空泵输入口18、17进入真空泵，再从氮气输出口19排出到空气中；在此过程中液氮从液态慢慢气化，最后以氮气形式排出；第一加热接口21和第二加热接口20分别接到支撑滑块2、11的温控快插接头上；第一温度传感器输入端22和第二温度传感器输入端23分别接到支撑滑块2、11的传感器快插接头上。

一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，温控系统配置有温度控制器和冷热台，冷热台上设置有加热结构和冷却结构，其中冷热台、加热结构和冷却结构均如上文所述，温控系统包括单片机和上位机，单片机包括温度测量模块，输入模块，计算模块和输出模块，温度测量模块设置于冷热台上并获取芯片温度，输入模块供输入设定温度以定义为期望温度值，计算模块计算芯片温度与期望温度值之间的差异以定义为实测差值，计算相邻两个测量周期的实测差值，确定积分项以获取PID控制公式，输出模块根据PID控制公式获取控制输出值，并生成加热信号至加热结构进行加热或者生成降温信号至降温结构进行降温至达到期望温度值。

在本发明中，优选的，在温度测量模块获取芯片温度的过程中，温度测量获取加热台的温度以定义为实测温度，温度测量模块配置有芯片温度计算策略以计算芯片温度。

在本发明中，优选的，芯片温度计算策略的表达式具体为：

其中Q表示导热效率，α表示空气的导热系数，A表示芯片受热的横截面积，T表示温度测量模块测量得到的实测温度，t表示芯片温度，a表示温度测量模块和芯片中心之间在热传递方向上的间距。其中导热效率具体取决于芯片的材质，空气的导热系数取决于环境温度以及芯片与空气的接触面积。

在本发明中，优选的，在计算模块中配置有积分项计算的预设条件，预设条件具体为：相相邻两个实测差值的差值小于零，且相邻两个实测差值的差值与当前实测差值乘积的绝对值不小于预设变化值的平方，利用公式进行表示即：

e(k)-e(k-1)<0，

其中，e(k)表示当前测量周期的实测差值，e(k-1)表示前一测量周期的实测差值，Δt表示测量周期的时长，Δe₀表示预设变化率。此处相邻两个实测差值的差小于零，表明系统在当前工作状态下芯片的温度在逐步接近期望温度值，的预设变化值为预设变化率与测量周期的乘积，预设变化值实际指代的温控系统的温变能力，也就是加热台的升温能力和降温能力，具体取值取决于加热台的加热功率以及真空泵的工作功率，能够根据当前工作状态取值。上述第二个公式主要考虑的是当前测量周期的实测差值较大的情况下，积分项的增加会给系统的响应速度带来不利影响，因此采用新的积分项计算公式能够提高响应速度，并且当前测量周期的实测差值减小到一定程度时，采用原始的积分项计算公式来调整控制输出值，进而使芯片温度能够贴近设定温度值。

在本发明中，优选的，积分项具体为：

其中I(k)表示积分项，e(k)表示当前测量周期的实测差值，e(k-1)表示前一测量周期的实测差值，Δt表示测量周期的时长，Δe₀表示预设变化率，Ki为积分增益。

本实施例中对积分项的具体计算进行了调整，在常规算法中，当实测差值在减小时积分项仍然在增大，这会导致系统的相应发生滞后。本实施例则是利用新的算法，使得积分项减小，进而提高响应速度，使冷热台能够快速调整到设定温度。

在本发明中，优选的，PID控制公式具体为：

其中u(t)具体为控制输出值，Kp为比例增益，Kd为微分增益。

在本发明中，优选的，输出模块通过PID控制算法计算输出脉冲宽度调制的大小，升温则通过脉冲宽度调制输出控制冷热台的加热功率的大小，降温则通过脉冲宽度调制输出控制冷热台的降温功率的大小。当单片机上电后立即执行系统初始化步骤，然后等待上位机设置预定温度命令和发送加热开始命令。当单片机开始进行加热程序时，配置一个周期为1秒的定时器实时调节PWM的占空比周期。当定时器中断到来后，系统通过模数转换器来采集温度传感器的电压值并将其转化为温度值。然后送入位置式PID控制算法处理程序，算法处理完成后得到新的PWM占空比，将其应用于加热片功率的调整以达到控制加热片温度的目的。

一种用于芯片截面热应变测量的温控控制方法，应用于如上的用于芯片截面热应变测量的温控系统，包括如下步骤：温度测量模块设置于冷热台上并获取芯片温度；

输入模块供输入设定温度以定义为期望温度值；

计算模块计算芯片温度与期望温度值之间的差异以定义为实测差值，计算相邻两个测量周期的实测差值，确定积分项以获取PID控制公式；

输出模块根据PID控制公式获取控制输出值，并生成加热信号至加热结构进行加热或者生成降温信号至降温结构进行降温至达到期望温度值。

用于芯片截面热应变测量的温度控制方法，具体实施过程中包括如下步骤：

1)实时采集反馈双路温度数据：

步骤1-1，单片机控制器上电后作初始化动作，对通讯、显示屏及相关参数进行初始化设定；

步骤1-2，单片机控制器与上位机通讯连接模块进行连接，并实时检测串口通信的缓存大小，实时等待接收；

步骤1-3，判断是否接收到上位机系统的指令，如接收到控制指令，单片机控制器对通讯数据进行解码，获取期望温度值，控制温度采集模块获取双路的实测温度数据，温度测量模块根据芯片温度计算策略将实测温度转化为芯片温度，并依据通讯协议生成指定格式的数据包发送到上位机控制系统中，接着对冷热台进行温度控制；如未接收到控制指令，则跳至步骤1-4；

步骤1-4，单片机控制器判断是否达到温度的检测周期，如到达检测周期，则控制温度采集模块获取双路实时温度数据并显示于OLED显示屏上，若未到达检测周期，则返回步骤1-2；

2)双路温度控制：

步骤2-1，单片机控制器首先进行系统采样时间的判断，如达到采样时间，控制温度采集模块获取双路实时温度数据以及芯片温度，并计算由步骤1-3解析得到的期望温度值与实时温度数据的误差；如未达到采样时间，则返回步骤1-2；

步骤2-2，单片机控制器对误差值进行判断，如误差值大于等于0，则进行升温控制，如小于0，则进行降温控制；

步骤2-3，单片机控制器由计算获得的误差值，通过PID控制算法中计算输出脉冲宽度调制(PWM)的大小，升温则通过PWM输出控制SSR继电器对冷热台的输入电压进行控制，控制其功率的大小，降温则通过PWM输出控制真空泵的转速进而控制降温功率的大小。

工作原理：

首先连接好管路与线路，将芯片样品竖直放入冷热台的两加热块(1、10)之间，通过旋转旋钮(9)使两加热块相互靠近，直至轻微贴到芯片的表面则停止；启动开关电源，此时OLED显示屏(14)实时地显示两加热块(1、10)的实际温度值；假设现需要芯片在稳定在80℃的温度下。

1.打开上位机控制系统，通过状态指示模块可以检查是否与单片机连接成功；

2.选择在定点控温模式并设置目标温度为80℃，并通过控制按钮向单片机控制系统发送温度控制的指令；

3.上位机控制系统数据采集模块接收解析并存储来自单片机控制器的数据信息；上位机通过曲线实时地显示目标温度、第一加热块实际温度值和第二加热块实际温度值，并分别计算在当前加热模式下芯片温度，此处会计算得到两个芯片温度，分别对于对芯片两侧的加热块进行调控；上位机控制系统则会自动反复此步骤，即可看到完整的温度变化的曲线图以及系统温度控制的效果；

4.若此时实际温度值小于等于期望温度值，则单片机控制器通过PID控制算法周期性计算并输出PWM信号，SSR继电器接收PWM信号调整冷热台的控制功率，到达温度控制的效果；

5.若此时实际温度值大于期望温度值，则单片机控制器通过PID控制算法周期性计算并输出PWM信号，真空泵通过接收不同大小的PWM信号实现对真空泵电机的不同转速控制，进而控制液氮流经加热块(1、10)的流量，进而达到控温效果。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，其特征在于：所述温控系统

配置有温度控制器和冷热台，所述冷热台上设置有加热结构和冷却结构，所述

温控系统包括

温度测量模块，所述温度测量模块设置于所述冷热台上并获取芯片温度，

输入模块，所述输入模块供输入设定温度以定义为期望温度值，

计算模块，所述计算模块计算所述芯片温度与所述期望温度值之间的差异

以定义为实测差值，计算相邻两个测量周期的实测差值，确定积分项以获取PID

控制公式，

输出模块，所述输出模块根据所述PID控制公式获取控制输出值，并生成

加热信号至加热结构进行加热或者生成降温信号至降温结构进行降温至达到期

望温度值；

所述积分项具体为：

其中I(k)表示积分项，e(k)表示当前测量周期的实测差值，e(k-1)表

示前一测量周期的实测差值，Δt表示测量周期的时长，Δe₀表示预设变化率，Ki

为积分增益。

2.根据权利要求1所述的一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，其特征在于：在所述温度测量模块获取所述芯片温度的过程中，所述温度测量获取

加热台的温度以定义为实测温度，所述温度测量模块配置有芯片温度计算策略

以计算所述芯片温度。

3.根据权利要求2所述的一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，其特征在于：所述芯片温度计算策略的表达式具体为：

其中Q表示导热效率，α表示空气的导热系数，A表示芯片受热的横截面积，T表示温度测量模块测量得到的实测温度，t表示芯片温度，a表示温度测量模块和芯片中心之间在热传递方向上的间距。

4.根据权利要求1所述的一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，其特征在于：在所述计算模块中配置有积分项计算的预设条件，所述预设条件具体为：相邻两个实测差值的差值小于零，且相邻两个实测差值的差值与当前实测差值乘积的绝对值不小于预设变化值的平方。

5.根据权利要求1所述的一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，其特征在于：所述PID控制公式具体为：

其中u(t)具体为控制输出值，Kp为比例增益，Kd为微分增益。

6.根据权利要求1所述的一种用于芯片截面热应变测量的温控系统，其特征在于：所述输出模块通过PID控制算法计算输出脉冲宽度调制的大小，升温则通过脉冲宽度调制输出控制冷热台的加热功率的大小，降温则通过脉冲宽度调制输出控制冷热台的降温功率的大小。

7.一种用于芯片截面热应变测量的温控控制方法，应用于如权利要求1-6内任意一项所述的用于芯片截面热应变测量的温控系统，其特征在于：包括如下步骤：所述温度测量模块设置于所述冷热台上并获取芯片温度；

所述输入模块供输入设定温度以定义为期望温度值；

所述计算模块计算所述芯片温度与所述期望温度值之间的差异以定义为实测差值，计算相邻两个测量周期的实测差值，确定积分项以获取PID控制公式；

所述输出模块根据所述PID控制公式获取控制输出值，并生成加热信号至加热结构进行加热或者生成降温信号至降温结构进行降温至达到期望温度值。