封裝元件除濕設備：真空熱板爐

鄭宇鵬

（中國電子科技集團第43研究所恒力公司，安徽 合肥230088）

0 前言

早在1975年，R.Thomas對當時的器件內(nèi)部，由于各種水汽導致腐蝕或其它失效的現(xiàn)象，做了總結，提出了采用質譜儀進行內(nèi)部水汽測量的方法，并將單位大氣壓下0℃時水汽的露點（6000 ppm），作為判斷是否合格的指標。其后，美軍標MIL-STD-883和我國國軍標GJB 548A-96的方法1018基本采納了這一說法，并考慮到封裝內(nèi)表面氧化、微裂紋和縫隙會有利于水汽凝結，規(guī)定容積為0.01cm3至0.85cm3的封裝內(nèi)，水汽含量應不大于5000 ppm。現(xiàn)在提出的30年長期貯存指標，更是要求水汽含量達到3000ppm以下。

目前，國內(nèi)外大部分的生產(chǎn)廠家采用高純度氮氣保護，低溫烘烤的方式進行除濕及排膠。本文論述的真空熱板爐，在原有工藝的基礎上，增加了一道并行的工藝，迅速抽真空，再充高純氮氣，這樣不斷的循環(huán)，使爐膛內(nèi)不斷地保持新鮮的氮氣，從而使除濕及排膠更充分，設備從兩個方向保證這一指標，一是烘烤溫度，二是抽真空-充氮氣循環(huán)。

1 設備的主要技術參數(shù)的提出

為實現(xiàn)上述功能，要解決以下幾項技術難點：1.180℃下溫度的均勻性；2.180℃和常壓/真空循環(huán)往復條件下的設備整體密封性；3.控制系統(tǒng)操作的簡易性。

由此提出以下幾項重點設計技術指標。

長期使用溫度：180℃；

極限真空度：10Pa；

工作真空度范圍：100～300 Pa；

最長連續(xù)工作周期：14天；

加熱板表面均勻性：±3℃；

加熱板表面有效空間：500×350（W×D）

2 設備的結構與控制系統(tǒng)設計

熱工系統(tǒng)及中低真空系統(tǒng)結合自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化操控，節(jié)省人力成本，降低勞動強度、操作失誤率，提高可靠性等。

2.1 結構設計（圖1）

2.1.1 熱工設計

設備的加熱方式以傳導為主，采用接觸式烘烤。要保證產(chǎn)品除濕效果一致性，加熱板表面溫度的均勻性指標是關鍵。

如圖2所示，在板內(nèi)均布加熱管，加熱板的材料采用熱導率良好的鋁板，并在內(nèi)部進行均勻布置的措施，保證加熱板表面的溫度均勻性，達到產(chǎn)品除濕效果的一致性。

加熱板表面溫度均勻性驗證：見表1。

加熱板表面四角及中心位置放置5點測溫熱偶，160℃恒溫平臺測試記錄如下：

溫度均勻性測試記錄1 測溫點 1 2 3 4 5 160℃1h 157 161 159 163 159 2 測溫點 1 2 3 4 5 160℃1h 158 160 159 161 162

由測試結果分析，最高點163℃，最低點157℃，達到設計指標。

2.1.2 真空系統(tǒng)設計

設備由于裝配誤差、長期使用等情況產(chǎn)生的泄露點主要是：1爐門密封處，2加熱板及熱偶接線處，另外，為了快速響應工藝的抽-充要求，合理的選用真空系統(tǒng)也是關鍵。

爐門密封通過彈性密封墊與彈簧的雙面彈性式設計（圖3），當爐膛處于負壓狀態(tài)時，密封墊收縮，彈簧伸展，當爐膛充氮氣，處于正壓時，密封墊伸展，彈簧收縮，始終保證玻璃內(nèi)板與密封墊的貼合。彈性密封墊在高溫下長期使用后，會產(chǎn)生一定的塑性變形，伸縮量會有一定量的減少，此時，彈簧會繼續(xù)保持內(nèi)板與其貼合，從而保證了高溫下連續(xù)運行的真空密封的可靠性。

為了進一步提高密封的可靠性，強弱電引出機制采用了如圖4所示的方式，法蘭式真空電極采用玻璃熔封工藝來保證絕緣及密封。不僅可靠，而且安裝及接線簡便。電極間距較近，外部做了特殊的絕緣防護措施，避免在真空環(huán)境下放電（圖5）。

對多段抽氣-充氣工藝的要求，系統(tǒng)的快速響應及控制的穩(wěn)定性要求系統(tǒng)能夠快速升降壓。同時，超長連續(xù)工作周期和高頻率的升降壓，對真空泵的使用壽命造成了威脅，設計為了解決此難點，在泵與爐膛之間加入真空檔板閥，通過控制檔板閥的通斷，達到升降壓的動作，避免頻繁的開啟和關閉真空泵。

為防止排出的膠質污染真空泵，在爐膛抽氣口處加玻纖過濾器。對于工作區(qū)域的潔凈度要求，泵前加油水分離器，過濾精度可達到

1μm。

真空系統(tǒng)的選擇：

表2 真空區(qū)域劃分

根據(jù)工作真空度的要求為：極限真空度10Pa，工作真空度100-300Pa,查表2找出真空區(qū)域，確定選用低真空系統(tǒng)。

真空泵的選擇：

選用機械泵直接對爐膛進行抽氣，在低真空范圍內(nèi)，漏氣量可忽略不計，抽氣時間按下式計算：

式中：V——爐膛容積（L）

v——真空泵的平均抽氣速度（L/s）

p1——爐膛開始抽氣時的壓力（Pa）

p2——經(jīng)τ時間后停止抽氣時的爐膛壓力（Pa）

K——修正系數(shù)，見表3

抽氣壓力范圍（Pa）P1-P2 101325-13332 13332-1333.2 1333.2-133.32 133.32-13.33 13.32-1.33 K 1 1.25 1.5 2 4

真空熱處理爐經(jīng)干燥除氣空爐狀態(tài)下，當爐膛容積小于0.6m3時，應在20min內(nèi)抽到工作真空度；爐膛容積大于0.6m3時，應在30min內(nèi)抽到工作真空度。

本設備爐膛容積：

V=W×D×H=5×3.5×5.5=96L，

帶入式3-1中，求出

v＝1.1 L/s，

綜合考慮耐溫特性和系統(tǒng)的快速響應性能，選擇2L/s的旋片式真空泵。工作壓力為100Pa-300Pa,計算在7.5分鐘可抽到工作壓力。實際測得5-6min可以抽到100Pa。

排水試燒效果驗證：見表4水分測試記錄。

試樣編號工藝烘烤 烘烤+抽充循環(huán)1 4820 ppm 2230 ppm 2 5105 ppm 2182ppm 3 4930 ppm 2203 ppm 4 4960 ppm 2235ppm

通過測試記錄對比，具備新工藝的設備處理過的產(chǎn)品，水分含量降幅達到40%以上，而且一致性也比老工藝設備好。

2.2 控制系統(tǒng)功能設計

該控制系統(tǒng)分為溫度控制系統(tǒng)和真空控制系統(tǒng)。采用DCS控制系統(tǒng)，多段式循環(huán)設計，從而實現(xiàn)了8段斜率升溫和200段抽-充循環(huán)設置。其控制系統(tǒng)的結構圖如下圖6所示。

2.2.1 溫度控制系統(tǒng)

控溫模塊為進口山武智能控制器，可實現(xiàn)終極分散配置，通過分散配置的各模塊共同實現(xiàn)協(xié)調控制，可提高生產(chǎn)性及節(jié)省能源，一臺可最多控制四個回路，每個回路可對應一個報警輸出，可方便確認是哪一回路報警。

溫度控制系統(tǒng)為八段斜率升溫，程序采用三級嵌套調用，使用指針間接尋址進行循環(huán)設計，整個程序結構簡單，可維護性較高，便于問題原因查找。溫度控制嵌套調用循環(huán)流程圖如下圖7所示。

在接受到啟動信號時，通過調用溫度循環(huán)功能塊進行指針地址傳值，在溫度循環(huán)功能塊中嵌套調用斜率升溫段子程序功能塊進行斜率計算，在斜率升溫段中嵌套調用寫參數(shù)值子程序功能塊，從而實現(xiàn)了溫度控制循環(huán)調用功能。

2.2.2 真空控制系統(tǒng)

真空控制系統(tǒng)是反復的進行抽、充循環(huán)控制，最后進入保壓控制階段；抽、充循環(huán)段數(shù)可設定，最大可設定為200段；抽到低壓值、低壓偏差、低壓保壓時間、充到的高壓值、高壓偏差、高壓保壓時間均可在觸摸屏中自由設定。真空控制系統(tǒng)循環(huán)流程圖如圖8所示。

在接收到啟動信號后，真空控制系統(tǒng)通過調用抽真空、充氣子程序功能塊不斷循環(huán)調用，在循環(huán)段完成后，通過調用保壓控制子程序進行保壓控制。

3 結論

本設備通過自動化控制結合可靠的結構設計，完全達到了新工藝的全部指標。從功能和指標上來看，此設備還可應用于微電子、醫(yī)療等行業(yè)的膜封元件除濕、排膠處理工藝，具有廣闊的市場前景。

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