CN104034749B - 基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，所述的测试方法是采用3ω法分别测量待测样品对和对比样品的总热阻，然后通过作差计算得到接触热阻。所述的测量方法为：第一待测样品和第三待测样品叠加放置构成接触热阻待测样品对；第二待测样品作为对比对象；用压力加载装置调整待测样品对之间的接触压力大小；将电压测试单元与待测样品表面的加热测温金属线相连，并测量待测样品对和第二待测样品的总热阻，最后通过作差求得接触热阻。本方法可快速测量薄层材料间的接触热阻，测量原理相对其它瞬态法简单。

Description

基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法

技术领域

本发明属于接触热阻测量技术领域，特别是一种基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法。

背景技术

随着电子工业的快速发展，电子器件的封装密度越来越高，越来越小的封装体积使得电子设备的散热问题不断突出。有研究指出，在电子系统中温度是影响电子设备稳定性和可靠性的主要因素之一，55％的故障是由于器件所处的工作温度不合理造成的。而接触热阻是影响电子设备散热能力的重要因素，接触热阻的存在必定会阻碍热流在接触界面上的传递，接触热阻越大电子器件的散热能力就越差。因此，准确测定接触界面的接触热阻对电子设备热设计有重要的意义。

在接触热阻的实验测量方法中，主要采用的是传统的稳态法，但是稳态法在测量过程中需要将热电偶插入上下两个待测样品当中，为了得到样品的轴向温度梯度需要布置多个测温点，因此对样品的几何尺寸有较高的要求，难以测量厚度小于50mm的薄层材料间的接触热阻，另外稳态法在测量过程中为了使温度达到稳态，测量时间可长达8小时。各种瞬态法(主要有激光光热测量法、激光闪光法、激光光声法)虽然具备测量薄层材料间接触热阻的能力，但影响测量结果的因素较多，公式推导复杂，测量精度难以保证。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于测量薄层材料间的接触热阻，且原理简单、测量快速的基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，包括以下步骤：

步骤1：选择第一待测样品和第二待测样品的材料，选择一个与第二待测样品材料相同的第三待测样品；

步骤2：分别在第一待测样品和第二待测样品的一个面上设置加热测温金属线，如果第一待测样品或第二待测样品为金属材料则在其制作加热测温金属线的表面上先沉积一层绝缘薄膜；

步骤3：将第一待测样品含有加热测温金属线的面朝上放置在第三待测样品上构成接触热阻待测样品对，调整待测样品之间的接触压力至所要测量的压力值为止；

步骤4：将第一待测样品表面的加热测温金属线与电压测试单元相连；

步骤5：用3ω法测量待测样品对上第一待测样品表面的加热测温金属线两端的基波电压V_ω及三次谐波电压V_3ω，然后根据3ω法测试原理计算待测样品对的总热阻Z_a；

步骤6：将第二待测样品表面的加热测温金属线与电压测试单元相连；

步骤7：用3ω法测量第二待测样品表面的加热测温金属线两端的基波电压V_ω及三次谐波电压V_3ω，根据3ω法测试原理计算第二待测样品的热阻Z_b；

步骤8：第一待测样品和第三待测样品之间的接触热阻R_c通过待测样品对的总热阻Z_a减去第二待测样品的热阻Z_b以及第一待测样品的热阻R₁求得。

本发明与现有技术相比，其显著优点：

本发明的测量方法对待测样品的几何尺寸要求较低，可以测量薄层材料之间的接触热阻；且原理检测，测量快速，避免了了各种瞬态法测接触热阻中的复杂公式推导和计算。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法的方法流程图。

图2是本发明基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法测试装置的结构示意图。

图3是本发明基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法待测样品对的结构主视图。

图4是本发明基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法待测样品对的结构俯视图。

图5是本发明基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法第二待测样品的结构主视图。

图6是本发明基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法第二待测样品的结构俯视图。

具体实施方式

结合图1～图6：

一种基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，实现该方法的测试步骤如下：

步骤1：选择第一待测样品11和第二待测样品12的材料，选择一个与第二待测样品12材料相同的第三待测样品13；

步骤2：在第一待测样品11的一个面上制作出加热测温金属线21，在第二待测样品的一个面上制作出加热测温金属线22，如果第一待测样品11或第二待测样品12为金属材料则在其制作加热测温金属线的表面上先沉积一层绝缘薄膜；

步骤3：将第一待测样品11含有加热测温金属线21的面朝上放置在第三待测样品13上构成接触热阻待测样品对，并将待测样品对正放在压力加载装置的底座34的上面，将压力传感器探头35置于第一待测样品11的加热测温金属线21上，移动螺杆33，当螺杆33的顶端接触到压力传感器探头35后继续移动螺杆33直到压力传感器上的示数达到所要测量的接触热阻压力值为止；

步骤4：将第一待测样品11表面的加热测温金属线21与电压测试单元4电相连；

步骤5：用3ω法测量待测样品对上第一待测样品11表面的加热测温金属线21两端的基波电压V_ω及三次谐波电压V_3ω，然后根据3ω法测试原理计算待测样品对的总热阻Z_a；

步骤6：移动螺杆33，释放待测样品对的压力，取出第一待测样品11和第三待测样品13，将第二待测样品12含有加热测温金属线22的表面朝上放在压力加载装置的底座34的上面，然后将第二待测样品12表面的加热测温金属线22与电压测试单元4电相连；

步骤7：用3ω法测量第二待测样品12表面的加热测温金属线22两端的基波电压V_ω及三次谐波电压V_3ω，根据3ω法测试原理计算第二待测样品12的热阻Z_b；

步骤8：第一待测样品11和第三待测样品13之间的接触热阻R_c通过待测样品对的总热阻Z_a减去第二待测样品12的热阻Z_b以及第一待测样品11的热阻R₁求得。

上述步骤5和步骤7中的热阻Z_a与Z_b的测量原理为：

$Z=\frac{\mathrm{\ΔT}2\mathrm{bl}}{Q}$

式中：b为加热测温金属线的半宽度，l为加热测温金属线的长度，Q为加热测温金属线上产生的热流量，其中温升△T由下式计算得到：

式中R为加热测温金属线没通电时的冷态电阻，C_rt为加热测温金属线的电阻温度系数，该系数反应了加热测温金属线的电阻变化与温度变化之间的关系，通过恒温油浴标定得到：

C_rt＝dR/dT

式中，dR为标定过程中电阻的变化，dT为标定过程中温度的变化；

上述步骤8中的第一待测样品11的热阻R₁计算原理为：

R₁＝d₁/k₁

式中：k₁为第一待测样品11的导热系数，d₁为第一待测样品11的厚度。

所述的第三待测样品13外形状尺寸与第二待测样品12相同，控制变量使得通过第二待测样品12测得的热阻Z_b尽可能真实的反应待测样品对上第三待测样品13的热阻。

所述的第一待测样品11厚度小于1毫米，使得第一待测样品11表面的加热测温金属线21上通电产生的热穿透深度大于第一待测样品11；第二待测样品12和第三待测样品13的厚度大于第一待测样品11的厚度，并满足半无限大假设，即第一待测样品11表面的加热测温金属线21上通电产生的热穿透深度小于第三待测样品13厚度，其中热穿透深度D的计算公式为：

$D=\sqrt{\frac{a}{2\mathrm{\ω}}}$

式中：a为待测样品的热扩散系数，ω为加热测温金属线的加热频率。

所述第一待测样品11和第二待测样品12表面的绝缘薄膜厚度小于5微米，以减少绝缘薄膜对接触热阻测量结果带来的误差。

所述的第一待测样品11和第二待测样品12表面的加热测温金属线材料和形状尺寸均相同。

所述的加热测温金属线通过激光脉冲沉积工艺附着在待测样品表面，以使加热测温金属线与待测样品之间有更好的粘附性，从而减小加热测温金属线与待测样品之间的界面热阻。

所述的加热测温金属线有四个引线端，其中里面两个引线端与电压测试单元的两个电压引线端通过导线连接，边缘两个引线端通过导线接入电压测试单元的另外两个电压引线端对加热测温金属线周期性电加热。

结合图2～图6，本发明公开了一种基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试结构，包括：压力加载装置和电压测试单元(压力加载装置和电压测试单元图中未做标记)，其中：

结合图3和图4，第一待测样品11和第三待测样品13叠加放置构成接触热阻待测样品对，第二待测样品12作为对比对象；压力加载装置用于调整待测样品对之间的接触压力并实时显示压力值的大小；电压测试单元与待测样品表面的加热测温金属线相连，用3ω法测量原理分别测量待测样品对和第二待测样品12的总热阻Z_a和Z_b。

结合图2，压力加载装置包括：一对支架31、横梁32、螺杆33、底座34、压力传感器35，其中底座34与支架31通过螺纹孔固定连接；横梁32固定在支架31上；螺杆33通过横梁32中间的螺纹孔与横梁32连接；压力传感器35的上端面与螺杆33下端面压接；压力传感器35的下端面与待测样品上表面压接；待测样品对之间的接触压力通过调整螺杆33的高度来调节。

结合图3～图6，第一待测样品11表面的加热测温金属线21和第二待测样品12表面的加热测温金属线22有四个引线端，其中里面两个引线端与电压测试单元的两个电压引线端通过导线连接，边缘两个引线端通过导线接入电压测试单元的另外两个电压引线端对加热测温金属线周期性电加热。

函数信号发生器42输出一个恒定的交流电压，该交流电压信号同时用于驱动加热测温金属线和可调电阻箱45；由于外加电压的作用，加热测温金属线因焦耳效应产生显著的温度变化，从而引起加热测温金属线的电阻变化；调整可调电阻箱45电阻阻值的大小，使得可调电阻箱45两端产生的V_ω电压与加热测温金属线两端产生的V_ω电压尽可能相等，记录可调电阻箱45的阻值，该阻值即为加热测温金属线在该环境温度下的电阻；加热测温金属线和可调电阻箱45的电压信号分别经过第一运算放大器43和第二运算放大器44输入锁相放大器41；锁相放大器41的差分输入将加热测温金属线两端的V_ω电压降低到很小，然后测试出加热测温金属线的V_3ω电压。

Claims (7)

1.一种基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：选择第一待测样品和第二待测样品的材料，选择一个与第二待测样品材料相同的第三待测样品；

步骤2：分别在第一待测样品和第二待测样品的一个面上设置加热测温金属线，如果第一待测样品或第二待测样品为金属材料则在其制作加热测温金属线的表面上先沉积一层绝缘薄膜；

步骤3：将第一待测样品含有加热测温金属线的面朝上放置在第三待测样品上构成接触热阻待测样品对，调整待测样品之间的接触压力至所要测量的压力值为止；

步骤4：将第一待测样品表面的加热测温金属线与电压测试单元相连；

步骤5：用3ω法测量待测样品对上第一待测样品表面的加热测温金属线两端的基波电压V_ω及三次谐波电压V_3ω，然后根据3ω法测试原理计算待测样品对的总热阻Z_a；

步骤6：将第二待测样品表面的加热测温金属线与电压测试单元相连；

步骤7：用3ω法测量第二待测样品表面的加热测温金属线两端的基波电压V_ω及三次谐波电压V_3ω，根据3ω法测试原理计算第二待测样品的热阻Z_b；

步骤8：第一待测样品和第三待测样品之间的接触热阻R_c通过待测样品对的总热阻Z_a减去第二待测样品的热阻Z_b以及第一待测样品的热阻R₁求得；其中第一待测样品的热阻R₁为：

R₁＝d₁/k₁

式中：k₁为第一待测样品的导热系数，d₁为第一待测样品的厚度。

2.根据权利要求1所述的基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，其特征在于：所述的第三待测样品外形状尺寸与第二待测样品相同。

3.根据权利要求1所述的基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，其特征在于：所述的第一待测样品厚度小于1毫米，第二待测样品厚度大于第一待测样品厚度。

4.根据权利要求1所述的基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，其特征在于：所述的第一待测样品和第二待测样品表面的绝缘薄膜厚度小于5微米。

5.根据权利要求1所述的基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，其特征在于：所述的第一待测样品和第二待测样品表面的加热测温金属线材料和形状尺寸均相同。

6.根据权利要求1所述的基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，其特征在于：所述的加热测温金属线通过沉积工艺附着在待测样品表面。

7.根据权利要求1所述的基于3ω法的薄层材料间接触热阻的测试方法，其特征在于：所述的加热测温金属线有四个引线端，其中里面两个引线端与电压测试单元的两个电压引线端通过导线连接，边缘两个引线端通过导线接入电压测试单元的另外两个电压引线端对加热测温金属线周期性电加热。