Thermische Vorauslegung eines Temperaturreglers für ICs

In einem Funktionstester sollen ICs mit einer Genauigkeit von 0,5 [K] temperiert werden. Es soll untersucht werden, ob und unter welchen Voraussetzungen ein entsprechendes Regelsystem realisiert werden kann. Der prinzipielle mechanische Aufbau beinhaltet, wie in der oberen Abbildung dargestellt, einen heiz- und kühlbaren Plunger, ein gegen den Plunger verschiebbares Nest zur Aufnahme des ICs sowie Kontaktfedern zur elektrischen Kontaktierung des ICs mit dem elektronischen Test-Equipment.

Für den Plunger und das Nest sind prinzipiell verschiedene Materialien und Abmessungen möglich, die den thermischen Erfordernissen angepasst werden können. Die Länge der Kontaktfedern ist für verschiedene IC-Tests unterschiedlich. Die dem IC abgewandten Enden der Kontaktfedern befinden sich näherungsweise bei Umgebungstemperatur.

Erste Voruntersuchungen zeigten, dass das thermische Verhalten des Reglers sehr stark von den Wärmeübergängen zwischen Plunger und Nest, zwischen Nest und IC sowie durch die Länge der Kontaktfedern bestimmt wird. Vorteilhaft wirken sich gezielte Beschichtungen von Nest und Plunger sowie ein Anströmen der Kontaktfedern mit temperierter Luft aus.

Für die thermische Grobauslegung des Temperaturreglers durch den Konstrukteur wurde ein auf MATLAB aufbauendes Anwenderprogramm entwickelt. Der Anwender gibt in verschiedenen Eingabemenüs (mittlere Abbildung) geometrische Abmessungen, Materialdaten und –zuordnungen, Daten zu den Kontaktpaarungen sowie thermische Randbedingungen wie Wärmelasten, Temperaturrandbedingungen und die Strömungsbedingungen für die Kontaktfedern ein.

Das Programm baut aus diesen Eingaben ein Finite-Differenzen-Modell auf. Als Ausgaben erhält der Anwender die Temperaturverläufe (untere Abbildung) sowie die Verteilung der thermischen Widerstände.