CN103105410A - 一种多层导热材料热阻测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种多层导热材料热阻测量方法涉及测试领域，能够测量多层导热材料中每一层材料的热阻。测试系统中半导体器件起热源作用及测试作用；将半导体器件固定在多层导热材料上表面，多层导热材料下表面固定在恒温平台上；在任一时刻对半导体器件施加一段时间的工作电流，达到稳态后撤除工作电流，并在测试电流下测量出半导体器件结温随时间的变化曲线；由于多层导热材料中各层材料的热阻、热容以及热量传输速率的不同，测量得到的半导体器件结温随时间的变化曲线反映了各层导热材料的热阻和热容；通过结构函数法，计算出多层导热材料中各层材料的热阻构成；该方法为非破坏性测试。
Description
技术领域：
本技术涉及测试技术领域。主要应用于多层导热材料热阻的测量与分析。
背景技术：
半导体器件在工作时会产生大量的热，致使半导体器件内部芯片及外壳的温度升高。工作状态下的半导体器件若处于散热通道不好的环境，器件本身会积累大量的热，从而导致半导体器件各项性能参数的退化，严重影响半导体器件可靠性及寿命。制造良好的散热通道能够及时排除半导体器件工作产生的热量，保证器件处于相对稳定的温度环境空间。因此，半导体器件散热通道内导热材料的热阻分析对实际设计及应用显得尤为重要。
目前测量导热材料的方法主要为对导热材料两端施加功率，测试两端温度变化差值，从而计算出该导热材料热阻。但此种方法不能分析多层导热材料内部不同层材料热阻构成，不能快速方便地发现问题所在，即测量是哪一层材料热阻过大对器件寿命产生主要影响。本方法为非破坏性测量。
发明内容：
本发明提供一种多层导热材料热阻测量方法，可以实现对多层导热材料热阻测量及分析。利用半导体器件PN结处正向压降与结温在相当宽的温度范围内，呈现出近似的线性关系，通过测量电压来计算PN结处结温的变化量，进而探知用于多层导热材料的主要热阻构成。本发明测试方法能够分析散热通道内部各种材料的热阻构成，精度高，而且对待测的材料不具有破坏性。
本发明设计的测试方法包括以下特征：
半导体器件A，其所引出的PN结、肖特基结温度系数约为-1～2mV/K，该数值在绝对温度275 K至475 K之间误差不超过7%。
测量系统B包括：采集板B1，用于采集A两端的电压；恒流源B2，用于提供A的测试电流；恒流源B3，用于提供A的加热电流；计算机B4，用于控制采集板B1的开启，以及恒流源B2、B3提供加热电流和测试电流的通断；
多层导热材料C，一般情况下建议两层及两层以上导热材料；
具体操作步骤为：
(1)自上至下，依次将半导体器件A、多层导热材料C固定于恒温平台D上；
(2)计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，调节恒温平台D的温度，测量在不同温度下半导体器件A两端的电压，拟合得到半导体器件A的电压-温度系数；
(3)从0时刻开始，计算机B4控制恒流源B3对器件A通入加热电流，经时间t1，待半导体器件A、多层导热材料C、恒温平台D组成的系统的温度保持稳定后，自上之下温度保持一定的温度梯度，温度不在发生变化，此时停止对半导体器件A施加加热电流，系统开始冷却；
(4)计算机B4控制恒流源B2对器件A通入测试电流，通过采集板B1采集测试半导体器件A的电压，直至半导体器件A温度等于恒温平台D的温度；通过采集板B1采集这一温度变化过程的半导体器件A两端电压，采集到的测量数据保存在计算机中，即可得到半导体器件A相对于恒温平台D的瞬态电压冷却响应曲线；
(5)利用(2)测得的半导体器件A的电压-温度系数，将得到的半导体器件A瞬态电压响应曲线转换为瞬态温度冷却响应曲线；该曲线可以表述为半导体器件A、多层导热材料C、恒温平台D组成的串联热阻、热容共同作用的结果；该串联热阻、热容用Foster串联网络模型表示；
(6)由于Foster热阻、热容网络模型中的节点对节点热容没有明确的物理意义，利用结构函数法，将Foster网络转换为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，其中的热阻表示模型中真实的热阻；
(7)按照其阶数将Cauer网络模型的热阻、热容进行累加，绘制积分式结构函数曲线，为了更加明确地读出热阻构成结果，对积分式结构函数曲线取微分，获得微分式结构函数曲线，半导体器件A、多层导热材料C的热阻即可根据谱线上的峰位的间距从曲线横坐标直接读出；
(8)一般情况下由于材料结构比较复杂，不容易从图中区分多层导热材料C的热阻，为了从中有效提取出多层导热材料C的热阻，需要剔除半导体器件A的热阻，因此：
直接将半导体器件A固定至恒温平台D上；恒温平台D维持半导体器件A表面温度恒定不变；
(9)计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，调节恒温平台D的温度，测量在不同温度下半导体器件A两端的电压，拟合得到半导体器件A的电压-温度系数；
(10)刻开始，计算机B4控制恒流源B3对半导体器件A通入加热电流，经时间t1，待系统温度保持稳定后，停止对半导体器件A施加加热电流，系统开始冷却；
(11)计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，通过采集板B1采集测试半导体器件A的电压，直至半导体器件A温度等于恒温平台D的温度；通过采集板B1采集这一温度变化过程的半导体器件A两端电压，采集到的测量数据保存在计算机中，即可得到半导体器件A相对于恒温平台D的瞬态电压响应曲线；
(12)利用(2)测得的半导体器件A的电压-温度系数，将得到的半导体器件A瞬态电压响应曲线转换为瞬态温度响应曲线；该曲线可以表述为半导体器件A、导热材料C、恒温平台D组成的串联热阻、热容共同作用的结果；该串联热阻、热容可以用Foster串联网络模型表示；
(13)由于Foster热阻、热容网络模型中的节点对节点热容没有明确的物理意义，利用结构函数法，将Foster网络转换为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，其中的热阻表示模型中真实的热阻；
(14)按其阶数将Cauer网络模型的热阻、热容进行累加，绘制积分式结构函数曲线，为了更加明确地读出热阻构成结果，对积分式结构函数曲线取微分，获得微分式结构函数曲线，半导体器件A的内部热阻即可根据谱线上的峰位的间距从曲线横坐标直接读出。
(15)比较(7)得到的半导体器件A、多层导热材料C的热阻微分式结构函数曲线和(14)得到的半导体器件A内部的热阻微分式结构函数曲线，剔除半导体器件A的热阻，即可得到多层导热材料C的热阻，同时可根据谱线上的峰位的间距分别得到不同种类材料的热阻。附图说明
图1半导体器件A、多层导热材料C及恒温平台D位置示意图。
图2半导体器件A及多层导热材料C的瞬态温度冷却响应曲线。
图3 Foster串联网络模型。
图4 Cauer网络模型。
图5半导体器件A及多层导热材料C的微分式结构函数曲线。
图6半导体器件A及恒温平台D位置示意图。
图7半导体器件A的瞬态温度冷却响应曲线。
图8半导体器件A的微分式结构函数曲线。
具体实施方式
1、半导体器件A为功率型发光二极管；按图1所示，自上至下，依次将半导体器件A、多层导热材料C固定于恒温平台D上；
其中，半导体器件A，其所引出的PN结、肖特基结温度系数约为-1～2mV/K，该数值在绝对温度275 K至475 K之间误差不超过7%；
测量系统B包括：采集板B1，用于采集半导体器件A两端的电压；恒流源B2，用于提供半导体器件A的测试电流；恒流源B3，用于提供半导体器件A的加热电流；计算机B4，用于控制采集板B1的开启，以及恒流源B2、B3提供加热电流和测试电流的通断；
多层导热材料C为两层，分别为铝片及铜片；
2、计算机B4控制恒流源B2对A通入测试电流，调节恒温平台D的温度，测量在不同温度下半导体器件A两端的电压，拟合得到半导体器件A的电压-温度系数；
半导体器件A两端的电压随时间变化的曲线由高速采集板B1采集。为保证测量精度，本实例中采用1M采样频率，12位，双通道AC1050高速采集板，最短时间间隔为1微秒。本实例中采集的时间间隔为2ms，测量的数据由计算机存盘；
3、计算机B4控制恒流源B3对半导体器件A通入加热电流，待半导体器件A、多层导热材料C、恒温平台D组成的系统温度保持稳定，停止对半导体器件A施加加热电流，系统开始冷却；
4、计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，通过采集板B1采集测试半导体器件A的电压，直至半导体器件A温度等于恒温平台D的温度；通过采集板B1采集这一温度变化过程的半导体器件A两端电压，采集到的测量数据保存在计算机中，即可得到半导体器件A、多层导热材料C相对于恒温平台D的瞬态电压冷却响应曲线；
5、利用[0030]测得的半导体器件A的电压-温度系数，将得到的半导体器件A瞬态电压响应曲线转换为瞬态温度响应曲线，如图2所示；该曲线可以表述为半导体器件A、多层导热材料C、恒温平台D组成的串联热阻、热容共同作用的结果；该串联热阻、热容用Foster串联网络模型表示，如图3所示；
6、由于Foster热阻、热容网络模型中的节点对节点热容没有明确的物理意义，利用结构函数法，将Foster网络转换为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，如图4所示，其中的热阻表示模型中真实的热阻；
7、按照其阶数将Cauer网络模型的热阻、热容进行累加，绘制积分式结构函数曲线，为了更加明确地读出热阻构成结果，对积分式结构函数曲线取微分，获得微分式结构函数曲线，如图5所示，半导体器件A、多层导热材料C、的热阻即可根据谱线上的峰位的间距从曲线横坐标直接读出。
8、为了从中提取出多层导热材料C的热阻，需要有效剔除半导体器件A内部的热阻，因此：如图6所示，直接将半导体器件A固定至恒温平台D上；恒温平台D维持半导体器件A表面温度恒定不变；
9、计算机B4控制恒流源B3对半导体器件A通入加热电流，待系统温度保持稳定，停止对半导体器件A施加加热电流，系统开始冷却；
10、计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，通过采集板B1采集测试器件A的电压，直至半导体器件A温度等于恒温平台D的温度；通过采集板B1采集这一温度变化过程的半导体器件A两端电压，采集到的测量数据保存在计算机中，即可得到半导体器件A相对于恒温平台D的瞬态电压冷却响应曲线；
11、利用[0030]测得的半导体器件A的电压-温度系数，将得到的半导体器件A瞬态电压响应曲线转换为瞬态温度响应曲线，如图7所示；该曲线可以表述为半导体器件A内部及恒温平台D组成的串联热阻、热容共同作用的结果；该串联热阻、热容可以用Foster串联网络模型表示；
12、由于Foster热阻、热容网络模型中的节点对节点热容没有明确的物理意义，利用结构函数法，将Foster网络转换为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，其中的热阻表示模型中真实的热阻；
13、按其阶数将Cauer网络模型的热阻、热容进行累加，绘制积分式结构函数曲线，为了更加明确地读出热阻构成结果，对积分式结构函数曲线取微分，获得微分式结构函数曲线，器件A的热阻即可根据谱线上的峰位的间距从曲线横坐标直接读出。
14、[0042]得到的半导体器件A的热阻微分式结构函数曲线如图8，其意义为半导体器件A内部热阻，半导体器件A的热阻范围为0-12.32oC/W。[0036] 得到的半导体器件A、多层导热材料C的热阻微分式结构函数曲线，如图5，为得到多层导热材料C的热阻，从中剔除半导体器件A的内部热阻，得到多层导热材料C（即铝片及铜片）的热阻范围12.32-20.29 oC/W，可以直接读出多层导热材料C热阻为7.97 oC/W，同时可以依据曲线峰位得到多层导热材料C中，铝片的热阻为4.48oC/W，铜片为3.49oC/W。
Claims (1)
1.一种多层导热材料热阻测量方法，其特征在于：应用的装置包括以下部分：
半导体器件A；
测量系统B包括：采集板B1，用于采集半导体器件A两端的电压；恒流源B2，用于提供A的测试电流；恒流源B3，用于提供半导体器件A的加热电流；计算机B4，用于控制采集板B1的开启，以及恒流源B2、B3提供加热电流和测试电流的通断；
多层导热材料C；
具体操作步骤为：
(1)自上至下，依次将半导体器件A、多层导热材料C固定于恒温平台D上；
(2)计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，调节恒温平台D的温度，测量在不同温度下半导体器件A两端的电压，拟合得到器件A的电压-温度系数；
(3)从0时刻开始，计算机B4控制恒流源B3对半导体器件A通入加热电流，经时间t1，待半导体器件A、多层导热材料C、恒温平台D组成的系统的温度保持稳定后，停止对半导体器件A施加加热电流，系统开始冷却；
(4)计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，通过采集板B1采集测试半导体器件A的电压，直至半导体器件A温度等于恒温平台D的温度；通过采集板B1采集这一温度变化过程的半导体器件A两端电压，采集到的测量数据保存在计算机中，即可得到半导体器件A相对于恒温平台D的瞬态电压冷却响应曲线；
(5)利用(2)测得的半导体器件A的电压-温度系数，将得到的半导体器件A瞬态电压响应曲线转换为瞬态温度冷却响应曲线；该曲线可以表述为半导体器件A、多层导热材料C、恒温平台D组成的串联热阻、热容共同作用的结果；该串联热阻、热容用Foster串联网络模型表示；
(6)由于Foster热阻、热容网络模型中的节点对节点热容没有明确的物理意义，利用结构函数法，将Foster网络转换为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，其中的热阻表示模型中真实的热阻；
(7)按照其阶数将Cauer网络模型的热阻、热容进行累加，绘制积分式结构函数曲线，为了更加明确地读出热阻构成结果，对积分式结构函数曲线取微分，获得微分式结构函数曲线，半导体器件A、多层导热材料C的热阻即可根据谱线上的峰位的间距从曲线横坐标直接读出；
(8)为了从中提取出多层导热材料C的热阻，需要有效剔除半导体器件A的热阻，因此：
直接将半导体器件A固定至恒温平台D上；恒温平台D维持半导体器件A表面温度恒定不变；
(9)计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，调节恒温平台D的温度，测量在不同温度下半导体器件A两端的电压，拟合得到半导体器件A的电压-温度系数；
(10)从0时刻开始，计算机B4控制恒流源B3对半导体器件A通入加热电流，经时间t1，待系统温度保持稳定后，停止对半导体器件A施加加热电流，系统开始冷却；
(11)计算机B4控制恒流源B2对半导体器件A通入测试电流，通过采集板B1采集测试半导体器件A的电压，直至半导体器件A温度等于恒温平台D的温度；通过采集板B1采集这一温度变化过程的半导体器件A两端电压，采集到的测量数据保存在计算机中，即可得到半导体器件A相对于恒温平台D的瞬态电压响应曲线；
(12)利用(2)测得的半导体器件A的电压-温度系数，将得到的半导体器件A瞬态电压响应曲线转换为瞬态温度响应曲线；该曲线可以表述为半导体器件A、多层导热材料C、恒温平台D组成的串联热阻、热容共同作用的结果；该串联热阻、热容可以用Foster串联网络模型表示；
(13)由于Foster热阻、热容网络模型中的节点对节点热容没有明确的物理意义，利用结构函数法，将Foster网络转换为Cauer网络模型，将节点至节点热容转变为节点至地热容，其中的热阻表示模型中真实的热阻；
(14)按其阶数将Cauer网络模型的热阻、热容进行累加，绘制积分式结构函数曲线，为了更加明确地读出热阻构成结果，对积分式结构函数曲线取微分，获得微分式结构函数曲线，半导体器件A内部的热阻即可根据谱线上的峰位的间距从曲线横坐标直接读出；
(15)比较(7)得到的半导体器件A、多层导热材料C的热阻微分式结构函数曲线和(14)得到的半导体器件A的热阻微分式结构函数曲线，剔除半导体器件A的热阻，即可得到多层导热材料C的热阻，同时可根据谱线上的峰位的间距分别得到不同种类材料的热阻。
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