马克·埃弗里和丹·布洛克著
Mark Everly是首席系统工程师，Dan Block是实验室技术人员在Watlow
氮化铝已成为一种流行的加热材料，减少环氧树脂或共晶键合时间在模具键合应用。然而，制造商也需要缩短粘合过程的冷却时间。强制空气冷却是最便宜和可能最有效的冷却技术之一。
在不断加快生产的过程中，半导体制造商一直在寻找快速固化用于模具粘接和集成电路应用的环氧树脂和共晶焊接材料的方法。加热通常是首选的固化方法。在升高的温度激活环氧树脂或熔化共晶材料后，必须冷却包装，以便在从夹具上拆卸之前，粘合剂提供足够的处理强度。这种循环加热和冷却需要时间。任何时候，加热和冷却步骤都可以缩短几秒或几分钟，这使得半导体制造商能够提高他们的产量。
加热器技术的最新进展允许使用氮化铝(AlN)作为加热器的结构矩阵，用于在模具连接操作中加热封装的半导体，比其他材料更快，缩短了加热时间。Watlow的工程师开发了一种AlN矩阵加热器设计，该加热器具有集成的热产生电阻电路，允许电力直接连接到AlN矩阵。热电偶也与AlN矩阵集成，包括第三组引线连接到矩阵。这种结构产生了必要的快速发展的热量，然而，AlN陶瓷需要快速冷却，以允许半导体封装移动。
工程师们对几种替代方案进行了初步评估，如液态水或油冷却、热电元件和散热器，以在粘结材料达到固化阶段后快速冷却aln基加热器。对这些替代品的成本效益分析表明，对于许多使用最新AlN加热技术的应用来说，强制空气冷却是一种很好的、便宜的和方便的选择。
S和标准
对带整体散热片的加热器和标准“平面”加热器进行了强制风冷试验。
“直舷”加热器
与其他冷却方式相比，压缩空气有几个优点。它广泛使用，没有液体或油冷却方法的泄漏风险，它可以适应一系列常见的加热器操作温度，并且可以很容易地集成到生产设备中，因为它需要相对简单、小、轻量化的组件，并且不复杂的电气隔离要求。基于这些信息，Watlow的工程师们用压缩空气测试了几种配置，以加速陶瓷AlN加热器的冷却。
基本测试
为了测试目的，加工了一个简单的支撑夹具，包括加热器位置的正下方的管道。在基本测试配置中，加热器形成矩形风管的第四边，并由加工成风管壁的凹槽支撑。压缩空气通过过滤器调节器进入这个管道，同时流量计控制和测量流量。空气被注入靠近加热器中心的风管，并从风管两端排出。
气流中的热电偶测量进气口的温度，焊接在加热器上的热电偶测量加热器的温度。使用自动数据采集系统以大约0.2秒的间隔记录这些温度，随后用于评估系统在各种条件下的性能。
对风道入口的各种气流和空气温度进行了测试，以确定冷却速率对这些因素的依赖性。除了标准的“平面”加热器外，还测试了带整体翅片的加热器。这些加热器尺寸为50.0毫米x 10.0毫米x 2.5毫米(1.9英寸)。X 0.39英寸。X 0.10英寸)。翅片使加热器的厚度增加了1.0毫米，但暴露在气流中的表面积增加了三倍。
测试配置包括一个简单的支撑夹具加工，包括一个管道直接低于加热器位置。加热器形成矩形风管的第四边，并由加工成风管壁的凹槽支撑。压缩空气通过过滤器调节器被输送到这个管道，并被注入到靠近加热器中心的管道中。空气从加热器两端的管道排出。
结果和观察
正如预期的那样，初步测试表明加热器空气流量和冷却速率之间有很强的关系。翅片的存在也增加了冷却速度。
该图显示了5和10 CFM空气流量的标准加热器和5、10和20 CFM空气流量的翅片加热器的时间-温度曲线。
表1所示的计算冷却速率和传热系数数据使用了加热器作为单个集中质量的近似值，这意味着假设加热器内的温度均匀。这一假设是合理的，因为AlN基体的导热系数约为140 W/m°C。
然而，温度/时间曲线表明，在切断每个加热器的电源后，需要超过0.5 s才能达到测量到的峰值冷却速率。即使在加热过程中有气流的情况下，这种行为也是正确的，这表明由于其在加热器矩阵中的位置，加热器传感器测量的温度低于冷却开始时的峰值加热器温度。
此外，在靠近加热器中心的地方，当进入的空气撞击加热器底部时，局部传热系数可能较大，而在靠近末端的地方则较小。从加热器到空气的热量传递在接近末端时也会被沿加热器流动的空气温度的升高所阻碍。局部热流的变化在冷却过程中驱动加热器的温度梯度，从而导致在最初的0.5到1.0秒的冷却过程中低估热损失，并在随后的冷却过程中高估。表I中所示的平均传热系数数据是在冷却过程的时间内以及在加热器面积上的平均值，以补偿冷却速率测量中的误差。
无流动加热器的冷却速率表明，当温度接近200℃时，大约有4 ~ 5w的热量流失到机械支撑结构和加热器的工作表面，即Qo在4 ~ 5w之间。这种热损失相对于风管内强制空气的热流来说并不显著，因此除了风管内气流外，热损失的适度变化可以忽略不计。
对翅片加热器计算的平均传热系数比标准加热器低，尽管事实上流动横截面积的减少实际上增加了管道中的流速。这种差异可能是由于沿着鳍的长度的温度变化造成的;鳍的尖端无疑更冷。然而，即使减少了单位表面积的热流通量，对于翅片结构，从加热器传递到空气的热量明显更高，正如简化方程Qc = h A ?T所表明的那样。表面积增加三倍比热流降低40%对传热的影响更大。
还应该指出的是，工程师们在测试中使用了一个不太理想的鳍型。相反，选择它是为了制造方便。因此，如果增加的成本是可以接受的，冷却速度可能会有所提高。长鳍与锥形截面可能显示改善的结果。
这张图显示了空气温度降低到1°C(34°F)的影响，这比空气速度的小变化的影响要小。
从公式中可以看出，降低入口空气温度使冷却速率与加热器温度与空气温度之差的增加成比例地提高。涡流管被测试为一种降低空气温度的方法，而无需增加制冷系统的费用。测试装置将空气温度降低到1°C(34°F)。空气温度下降越大，对冷却速度的影响也就越大;然而，实现非常冷的空气流可能需要更多的资本设备，而不是使用现有系统的更大流量的压缩空气。
在现有低温氮气或氩气输送系统的工厂中，降低空气(或更准确地说“冷却剂”)温度可以是一种经济有效的加速冷却速度的方法。
在最终设备设计之前，应进行额外的测试以确定可接受的冷却速率极限。
必须冷却到接近或低于环境温度的加热器和相关设备比在明显高于环境温度的温度下运行的系统对冷却的强制空气反应更好。
因此，对于需要循环加热和冷却的应用，压缩空气是一种冷却方法。使用强制空气作为冷却剂可以帮助具有适当设计的热循环的系统满足应用需求，而不具有与其他冷却技术相关的高初始成本和复杂性的缺点。
Mark Everly是Watlow单一迭代部门的首席系统工程师。Everly拥有密苏里大学罗拉分校机械工程硕士学位。Dan Block是Watlow的实验室技术员，并持有vattterott College的应用电气技术副学士学位。欲了解更多信息，请联系Watlowwww.watlow.com．
设计建议
准确估计带有负载或附加加热部件的加热器的冷却速率需要特别考虑。换热数据的平均系数，如表1所示，可以帮助您估计暴露在特定气流中的AlN加热器表面的热流。然而，被加热的部分可能有明显的温度梯度，它与加热器的热耦合可能不是完美的，或者它可能有时间依赖的热量获得或损失来源。由于这些原因，大多数设计必须使用以下一种更详细的方法进行验证:具有时间步进求解器的有限元模型，计算流体动力学，或物理测试(如果可以以合理的成本构建部分原型)。
无论采用何种验证方法，都有必要为分析或测试设计一个粗略的系统近似。在使用强制空气冷却的系统中，以下方法可以为实现所需冷却时间的设计确定一个合理的初步近似。
确定要加热和冷却的工件，包括其尺寸和材料。
选择合适的加热容量和尺寸的加热器，以达到加热速度和均匀性的目标。(注意;这两个步骤确定了要加热和冷却的组件。)这些元件，包括工件、加热器和与加热器没有热隔离的任何其他元件，构成了冷却(和加热)的控制体积。
识别并量化除强制气流外，来自(或流向)控制体积的任何重要热量获得或损失来源。热获得或热损失来源的例子包括通过结构支撑的传导，对环境的辐射，以及外部表面的对流换热。
通过计算强制空气必须去除多少热量和多快来估计所需的冷却功率。冷却功率可以通过将每个部件的热容乘以所需的冷却速率来估算，将结果相加，并将冷却时间段内的任何热增益添加到控制体积(Q = Qc + Qo = [(V Cp) dT/ dT])。
选择空气的容积流量，以达到理想的出风口温度。Vf(空气)= Q /(空气)x Cp(空气)x T(进口到出口))
计算加热器与空气的平均温差:T =[(加热器高温+加热器低温)/2]-[(进风口温度+出风口温度)/2]。
计算支持所需冷却功率所需的传热系数:h = Q / (A(加热器)x T)(其中A(加热器)在步骤2中确定
选择一个流道尺寸，以达到所需的流速，从而给出所需的传热系数。(注意，更高的速度通常意味着更大的压降，如果使用表中的值，对加热器表面的冲击是重要的。)
如果在合理的空气速度下不能达到所需的传热系数，翅片或其他形式的扩展表面可以增加暴露在流动中的面积(步骤7中的加热器)。请记住，表观传热系数将减少一个扩展的表面。其他调整，如增加空气流量或增加加热器的长度或宽度，也有助于改善冷却，如果选择的初始值不能提供所需的性能，可以考虑。
简单热系数关系式
在设计未来的冷却系统时，确定与数据相对应的平均传热系数。表I总结了基于测试数据分析和以下简单关系获得的信息。
Q = Qc + Qo = [(V Cp) dT/ dT] Qc = h A T
qc = h T = qc / A
地点:
Q是加热器在冷却过程中每秒的总热量损失，
Qo是每秒加热器不包括风管内空气的热量损失，
Qc是每秒钟空气中的热量损失，
(V Cp)为加热器热容(密度x体积x材料比热容)的表达式，dT/ dT为冷却速率，或加热器温度的时间变化率，
H是加热器表面的平均传热系数，
Qc是平均热流，或单位面积的热流到风管中的空气，
A是加热器暴露在风管气流中的面积，和
T为加热器温度与风道内散装空气温度之间的温差。
::设计世界::
了下:半导体，电子•电气，加热器(电气)，材料•先进
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