氮化铝加热器的快速冷却

半导体消费量的持续增长，使得许多半导体生产过程需要更快的吞吐量。其中的一些过程，如芯片粘合和集成电路测试，需要循环加热和冷却。增加这些循环热处理的处理量需要减少加热和冷却时间。使用氮化铝（AlN）基体材料的加热器技术的新进展使得加热时间大大缩短，并需要冷却方法，从而有助于缩短整个循环时间。

单次迭代是Watlow的一个分支，已经对几种替代方案进行了初步概念生成和评估，以提供基于ALN的加热器的快速冷却。各种替代方案的成本/效益分析表明，对于新的ALN加热技术的许多应用，强制空气冷却是优先选则。虽然压缩空气不是冷却性能方面的至佳解决方案，但压缩空气广泛可用，通常不会引起与泄漏有关的问题，能够适应普通加热器的工作温度范围，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、小型、轻量的部件。并且不会使电气隔离要求复杂化。在此基础上，通过试验，对几种采用压缩空气加速冷却氮化铝加热器的方案进行了可行性和性能评价。提出了典型的传热系数和设计方法。

测试配置

为了测试的目的，一个简单的支持夹具被加工成包括一个管道，直接低于加热器的位置。基本测试配置的简化说明如图1所示。在基本测试配置中，加热器构成矩形风管的第四侧，由机加工到风管壁上的凹槽支撑。压缩空气通过过滤器/调节器和流量计进入该管道，用于控制和测量流量，并注入加热器中心附近的管道中。空气从加热器两端的管道中排出。气流中的热电偶用于测量空气进口处的温度，焊接到加热器中的热电偶用于测量加热器温度。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。测试了管道入口的各种气流和空气温度，以确定冷却速度对这些因素的依赖性。除了标准的“平面”加热器外，还测试了带整体散热片的加热器。这些试验中使用的加热器测量值为50.0 mm x 10.0 mm x 2.5 mm（1.9 in.0.39英寸。x 0.10英寸）。散热片增加了1.0毫米的厚度加热器，但增加了表面积暴露在空气流量的系数3。图2是被测加热器的照片。空压机厂家

氮化铝加热器图

加热器试验样品

结果和观察

与预期的一样，初步测试表明空气流量和加热器的冷却速度之间有很强的关系。散热片的存在也增加了冷却速度。图3包括空气流量为5和10 cfm的标准加热器和空气流量为5、10和20 cfm的鳍片加热器的时间-温度曲线。

结果和观察图表

对于未来冷却系统的设计，确定与数据相对应的平均传热系数是很有用的。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。空压机厂家

Q=qc qo=[（ρv cp）dt/dt]

QC＝H Aδt

qc=hΔt=qc/a

哪里：

q是冷却过程中加热器每秒的总热损失，

qo是加热器每秒的热损失，不包括管道中的空气，

qc是管道中空气每秒的热损失，

（ρv cp）表示加热器的热容量（密度x体积x材料的比热容量），

dt/dt是冷却速率，或加热器温度变化的时间速率，

h是加热器表面积上的平均传热系数，

qc是管道中空气的平均热通量或单位面积的热流，

a是暴露在管道中气流中的加热器区域，以及

Δt是加热器温度和管道中的散装空气温度之间的温差。

表一试验数据汇总表

表1中计算的冷却速率和传热系数数据使用近似值。

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