环境应力筛选中的温度测量研究综述

2014-12-10缪海杰李军

电子产品可靠性与环境试验 2014年6期

缪海杰，李军

（中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳 621900）

0 引言

环境应力筛选[1]是为发现和排除产品中的不良零件、元器件和工艺缺陷，以及防止出现早期失效，在环境应力下所做的一系列试验。它是可靠性试验中的一种类型，也是产品制造过程中非常重要的一道工序。对电子产品，环境应力筛选的应力主要选择温度（高、低温）循环和随机振动，这两种应力的组合筛选效果较好，能暴露产品各组装等级的大部分故障。研究表明，高低温循环的筛选效果取决于4个方面：高、低温的设定值，高、低温保持的时间，温度变化速率和循环的次数。由此可见，对产品施加精确的温度应力是正确开展环境应力筛选的基础。而要施加精确的温度应力，准确的温度测量是必不可少的。本文对环境应力筛选中的温度测量加以研究。

1 温度测量方法简介

温度测量有很多分类方法，例如：从测量是否与被测对象接触，可分为接触式和非接触式；从测量时传感器中有无电信号，可分为非电测量和电测量等。而温度测量有很多具体的检测手段，例如：膨胀式温度计、热电偶温度计、热电阻温度计、光学温度计和红外温度计等。

1.1 接触式温度测量方法

接触式测温法[2]测量时需要与被测物体接触，它可分为膨胀式测温、电量式测温和接触式光电、热色测温等。

a）膨胀式测温

膨胀式测温主要利用物质的热胀冷缩原理进行温度测量。膨胀式温度计包括玻璃液体温度计、双金属膨胀式温度计和压力式温度计等。膨胀式温度计的结构简单，价格低廉，可直接读数，使用方便，但准确度较差，不易实现自动化，而且容易损坏。它属于非电测量方式，因此，可以用于防爆等有特殊要求的场合。

b）电量式测温方法

电量式测温主要利用材料的电势、电阻或其他电性能与温度的关系进行温度测量，包括热电偶温度测量、热电阻温度测量等。

热电偶是将两种不同材料的金属焊接在一起，当参考端和测量端有温差时，就会产生热电势，通过测量热电势就可以测量温度。

热电阻是根据材料的电阻和温度的关系来进行测量的。热电阻测量的准确度较高，输出信号大，稳定性好，但元件结构一般比较大，动态响应差，不适宜测量体积狭小和温度瞬变的区域。

c）接触式光电、热色测温方法

接触式光电测温主要通过接触被测对象，将温度变化引起的热辐射或光信号引出，通过光电转换器件来测量温度。常见的接触式光电测温仪器如光导管式光电高温计，它适用于高温液体或气体介质的温度测量，高温辐射通过高温计后端的光电转换器件转换为电信号，该电信号与感受的温度单调对应，从而测量出介质的温度。

热色测温主要通过示温敏感材料的颜色在不同的温度下发生变化来指示温度。示温敏感材料可以测量运动物体或其他复杂情况表面的温度分布，使用简单、方便，缺点是影响判别温度结果的因素比较多，难以实现自动化。

1.2 非接触式温度测量方法

非接触式测温无需与被测对象接触，主要包括辐射式测温、光谱法测温和激光干涉测温，以及声波测温等。

a）辐射式测温方法

辐射式测温[3]建立在热辐射定律的基础上，辐射式温度计可分为全辐射高温计、亮度式高温计和比色式高温计。全辐射高温计的结构相对简单，但受被测对象发射率和中间介质的影响比较大，测温偏差较大，不适用于测量低发射率目标。亮度温度计的结构也比较简单，灵敏度比较高，受被测对象发射率和中间介质的影响相对较小，测量的亮度温度与真实温度的偏差较小，但也不适用于测量低发射率物体的温度，并且测量时要避开中间介质的吸收带。比色测温法的测量结果最接近真实的温度，并且适用于低发射率物体的温度测量，但结构比较复杂，价格较贵。

b）光谱方法测温方法

光谱测温主要通过检测被测对象的激发光谱信号进行温度测量。当单色光线照射透明物体时，会发生光的散射现象。散射光包括弹性散射和非弹性散射，弹性散射中的瑞利散射和非弹性散射的拉曼散射的光强都与介质的温度有关。相比而言，拉曼散射光谱测温技术的实用性更好，其主要应用之一就是测量高温气体的温度。

c）激光干涉测温方法

激光干涉测温[4]基于光的干涉原理，适用于高温火焰和气流温度的测量。该方法首先测量被测对象的折射率分布，将流场中各处折射率的变化（即密度变化）转变为各种光参量的变化，以此为基础再得到相应的温度分布。

d）声波、微波法测温方法

声学测温基于声速与传播介质温度相关的原理。因此可以通过测得声速来推算出温度。

微波法可以用来测量火焰温度，当入射微波通过火焰时，与火焰中的等离子体相互作用，使其射出的微波强度减弱，通过测量入射微波的衰减程度可以确定火焰气体的温度。

2 基于热电偶的温度测量

环境应力筛选试验通常采用恒定高温应力筛选和温度循环应力筛选，在这两类筛选中，所施加的环境温度通常不超过200℃，温度变化率不超过20℃/min。目前我国标准化的8种热电偶，测量温度范围为-200～1800℃，响应时间快，具有远距离测量和自动控制的特点，因此，将热电偶应用于环境应力筛选的温度测量非常合适。

热电偶测温的基本原理是热电效应[5]，即两种不同的导体（或半导体）两端接合并组成回路，当两个接合点的温度不同时，会在回路内产生热电势。热电偶产生热电势必须具备的条件是：1）热电偶必须用两种不同的热电极构成；2）热电偶的两接点必须具有不同的温度。热电偶回路中产生的热电势为：

式（1）中：N——材料的电子密度；

σ——导体的汤姆逊系数；

K——玻尔兹曼常数。

目前国际化标准分度的热电偶包括S型、R型、B型、K型、N型、E型、J型和T型等8种，它们分别是：铂铑10-铂热电偶、铂铑13-铂热电偶、铂铑30-铂铑6热电偶、镍铬-镍硅热电偶、镍铬硅-镍硅热电偶、镍铬-铜镍（康铜）热电偶、铁-铜镍（康铜）热电偶和铜-铜镍（康铜）热电偶。这些热电偶各有优缺点，其中，镍铬-镍硅热电偶（K型热电偶）是目前用量最大的廉金属热电偶，其使用温度范围为-200～1300℃。它具有线性度好、热电动势较大、灵敏度较高、稳定性与均匀性较好、抗氧化性能强和价格便宜等优点，能用于氧化性、惰性气氛中。根据K型热电偶的特点分析，它可以被应用于电子产品的温度测量。

为了实现精确地检测温度，需要对热电偶进行冷端补偿，可采用MAXIM的DS 600高精度模拟温度传感器，它在-20～100℃内精度为±0.5℃，输出增益为6.45 mV/℃，0℃时偏移为509 mV。

K型热电偶用于电子产品温度测量的电路包含以下几个主要模块：热电偶、放大模块、偏置模块、低通滤波器、AD转换器和冷端补偿。放大模块用于将热电偶产生的微弱信号进行放大，放大后的信号经偏置模块处理为一定范围内的电压信号，再将其送入低通滤波器进行滤波。滤波后的信号通过AD转换器的转换即可成为数字信号。同样，冷端补偿输出的电压信号也通过AD转换器的转换即可成为数字信号。转换后的数字信号即可提供给计算机以便计算出电子产品的温度。温度测量系统r设计框图如图1所示。