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快速溫變半導(dǎo)體老化測(cè)試箱的制冷循環(huán)過程
閱讀：38 發(fā)布時(shí)間：2025-8-6在半導(dǎo)體可靠性測(cè)試領(lǐng)域，快速溫變老化測(cè)試箱承擔(dān)著模擬溫度波動(dòng)環(huán)境的重要任務(wù)，其核心功能之一便是通過制冷循環(huán)實(shí)現(xiàn)快速降溫，與加熱系統(tǒng)協(xié)同完成短時(shí)間內(nèi)的劇烈溫度變化，從而加速半導(dǎo)體元件的老化過程，評(píng)估其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
快速溫變測(cè)試箱的制冷循環(huán)以制冷劑為能量載體，通過一系列物理狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)熱量的轉(zhuǎn)移。整個(gè)循環(huán)始于壓縮機(jī)，壓縮機(jī)的核心作用是對(duì)氣態(tài)制冷劑進(jìn)行壓縮。進(jìn)入壓縮機(jī)的制冷劑通常處于低壓氣態(tài)狀態(tài)，經(jīng)過壓縮機(jī)的機(jī)械壓縮后，其壓力與溫度大幅升高，轉(zhuǎn)化為高溫高壓的氣態(tài)。這一過程看似簡(jiǎn)單，實(shí)則需要壓縮機(jī)具備快速響應(yīng)能力——在快速溫變測(cè)試中，當(dāng)設(shè)備從高溫段切換至降溫模式時(shí)，壓縮機(jī)需在短時(shí)間內(nèi)提升功率，迅速啟動(dòng)壓縮過程，避免降溫延遲影響測(cè)試節(jié)奏。
壓縮后的高溫高壓氣態(tài)制冷劑隨后進(jìn)入冷凝器。冷凝器的作用是通過熱交換將制冷劑攜帶的熱量釋放到外界環(huán)境中，使制冷劑從氣態(tài)冷凝為液態(tài)。為滿足快速溫變的需求，冷凝器的散熱效率至關(guān)重要。常見的冷凝器設(shè)計(jì)會(huì)結(jié)合強(qiáng)制風(fēng)冷或水冷方式：風(fēng)冷冷凝器配備高轉(zhuǎn)速風(fēng)扇，通過加速空氣流動(dòng)帶走熱量；水冷冷凝器則利用循環(huán)冷卻水的流動(dòng)實(shí)現(xiàn)熱交換，其散熱效率更高，尤其適用于需要持續(xù)大功率制冷的場(chǎng)景。
從冷凝器流出的高壓液態(tài)制冷劑，接下來(lái)會(huì)進(jìn)入膨脹閥（或毛細(xì)管），這是制冷循環(huán)中的“節(jié)流降壓"環(huán)節(jié)。膨脹閥如同一個(gè)流量控制器，通過縮小流通截面使高壓液態(tài)制冷劑迅速降壓，同時(shí)伴隨溫度的驟降，部分制冷劑會(huì)在此過程中蒸發(fā)為低壓氣液混合狀態(tài)。膨脹閥的開度調(diào)節(jié)直接影響進(jìn)入蒸發(fā)器的制冷劑流量，而流量大小又與降溫速率密切相關(guān)——在快速降溫階段，膨脹閥會(huì)變大開度，讓更多低溫制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器；當(dāng)溫度接近目標(biāo)值時(shí)，開度則逐漸減小，避免溫度過度下降。
經(jīng)過膨脹閥節(jié)流后的低壓氣液混合制冷劑進(jìn)入蒸發(fā)器，這是制冷循環(huán)中實(shí)現(xiàn)測(cè)試箱內(nèi)部降溫的核心環(huán)節(jié)。蒸發(fā)器通常安裝在測(cè)試箱的腔體內(nèi)部或風(fēng)道系統(tǒng)中，其表面與箱內(nèi)空氣直接接觸。當(dāng)?shù)蛪簹庖夯旌现评鋭┝鹘?jīng)蒸發(fā)器時(shí)，會(huì)吸收箱內(nèi)空氣的熱量，使自身從液態(tài)蒸發(fā)為低壓氣態(tài)，而箱內(nèi)空氣則因熱量被吸收而溫度降低。為了保證測(cè)試箱內(nèi)溫度場(chǎng)的均勻性，蒸發(fā)器的布局與風(fēng)道設(shè)計(jì)需緊密配合：蒸發(fā)器通常采用多組盤管設(shè)計(jì)，均勻分布在腔體側(cè)壁或背部，配合循環(huán)風(fēng)扇形成立體氣流循環(huán)，使被冷卻的空氣能快速擴(kuò)散至腔體各個(gè)角落，避免局部溫度偏差。
從蒸發(fā)器流出的低壓氣態(tài)制冷劑再次回到壓縮機(jī)，完成整個(gè)制冷循環(huán)。這一閉環(huán)設(shè)計(jì)確保了制冷劑的循環(huán)利用，而循環(huán)效率的高低則取決于各環(huán)節(jié)的協(xié)同配合：壓縮機(jī)的壓縮效率、冷凝器的散熱能力、膨脹閥的調(diào)節(jié)精度以及蒸發(fā)器的熱交換效果，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的短板都會(huì)導(dǎo)致制冷性能下降。
為適應(yīng)快速溫變的特殊要求，現(xiàn)代測(cè)試箱的制冷循環(huán)往往采用復(fù)合設(shè)計(jì)。部分設(shè)備會(huì)配備雙級(jí)壓縮系統(tǒng)，通過兩臺(tái)壓縮機(jī)串聯(lián)工作，實(shí)現(xiàn)更低溫度的快速到達(dá)壓縮機(jī)將制冷劑壓縮至中等壓力，經(jīng)過中間冷卻后，由二級(jí)壓縮機(jī)進(jìn)一步壓縮至高壓，這種設(shè)計(jì)能有效提升低溫段的制冷效率，尤其適用于需要降溫至零下幾十?dāng)z氏度的測(cè)試場(chǎng)景。此外，制冷系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)控制也是關(guān)鍵，在快速溫變循環(huán)中，制冷系統(tǒng)需與加熱系統(tǒng)無(wú)縫切換：當(dāng)進(jìn)入升溫階段時(shí)，制冷循環(huán)迅速減弱或暫停，加熱系統(tǒng)啟動(dòng)；當(dāng)進(jìn)入降溫階段時(shí)，加熱系統(tǒng)關(guān)閉，制冷循環(huán)立即全力運(yùn)行，這種快速切換依賴于中央控制器對(duì)兩大系統(tǒng)的調(diào)度，避免出現(xiàn)溫度“滯后"或“超調(diào)"。
制冷劑的選擇同樣影響制冷循環(huán)的性能。適用于快速溫變測(cè)試箱的制冷劑需具備良好的穩(wěn)定性、較高的 latent heat（潛熱）以及與設(shè)備材料的兼容性。潛熱是指制冷劑在相變過程中吸收或釋放的熱量，潛熱越高，單位質(zhì)量的制冷劑能攜帶的熱量越多，制冷效率也就越高。同時(shí)，制冷劑需在較寬的溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，避免在快速溫變導(dǎo)致的溫度劇烈波動(dòng)中發(fā)生分解或變質(zhì)，影響循環(huán)的持續(xù)性。
制冷循環(huán)過程中的壓力與溫度監(jiān)測(cè)是保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。設(shè)備通常會(huì)在壓縮機(jī)進(jìn)出口、冷凝器出口、膨脹閥前后安裝壓力傳感器與溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)制冷劑的狀態(tài)參數(shù)。當(dāng)檢測(cè)到壓力異常升高（如冷凝器散熱不良導(dǎo)致）或溫度異常波動(dòng)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)及時(shí)。
總的來(lái)說(shuō)，快速溫變半導(dǎo)體老化測(cè)試箱的制冷循環(huán)是一個(gè)集動(dòng)力驅(qū)動(dòng)、熱交換、狀態(tài)調(diào)節(jié)與智能控制于一體的復(fù)雜系統(tǒng)。只有當(dāng)制冷循環(huán)系統(tǒng)與加熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)協(xié)同，才能讓快速溫變測(cè)試箱真正發(fā)揮其價(jià)值，為半導(dǎo)體產(chǎn)品的可靠性驗(yàn)證提供技術(shù)支撐。