CN110501380B - 一种逐层推移测量多层材料热阻的方法 - Google Patents

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Abstract

一种逐层推移测量多层材料热阻的方法属于电子器件电学和热学测量技术领域。装置包括被测材料，热源，温度采集设备和计算机。所述方法测量了热源温度随时间变化的曲线，即瞬态热响应曲线；然后，根据传统结构函数方法得到的热阻信息，进一步构造薄层材料前各层材料的热响应曲线，并将其从总的曲线中剔除，从而提取出薄层的热阻信息。本发明区分出了两个热时间常数相近的材料，提高了特殊情况下薄层热阻测量精度。

Description

一种逐层推移测量多层材料热阻的方法
技术领域：
本发明公开了一种测量多层材料热阻的方法，属于电子器件电学和热学测量技术领域。
背景技术：
基于反卷积运算的结构函数法是公认的电子器件及系统热特性测量的重要方法。它是基于测量得到的瞬态温度响应曲线，进行一系列数值变换以提取出器件内部各结构层热阻热容的方法。但是，在实际测量过程中，对于复杂的多层材料，特别是当一个高热阻(低热容)薄层材料位于两个高热容材料之间时，薄层材料热阻信息会淹没在临近材料层中，无法用结构函数方法直接获得该薄层的成分热阻。
本发明针对传统结构函数法无法处理的情况提出了一种新方法，通过采集包含全部数据点的原始瞬态响应曲线，对其进行多次迭代、推移处理，逐层提取出各层材料的热阻信息。
发明内容：
针对现有技术存在的局限，本发明的主要发明点是：提出一种逐层推移测量多层材料热阻的方法，较现有方法有着明显的先进性。
本方法采用的技术方案如下：
首先测量被测器件的瞬态响应曲线，利用传统的结构函数方法对该曲线进行处理，得到粗略的每层材料热阻和热容。对于可能存在的薄层热阻被淹没的情况，根据已知的热阻热容信息构造高热容材料的瞬态响应曲线。然后将高热容材料的影响从总体瞬态响应曲线中消除，从而实现对多层材料热阻的逐层测量。
本方法的特征在于，包括了被测材料1，热源2，温度采集设备3和计算机4。被测材料1为多层结构；热源2用于对材料加热；温度采集设备3用于测量热源处温度随时间的变化；计算机用于数据处理。
本方法的特征在于，具体步骤如下：
1.通过温度采集设备1采集热源2处温度随时间的变化，采样率不低于1Mhz，处理得到瞬态响应曲线a(t)。
2.由于直接处理瞬态响应曲线a(t)的数据量过大，对其时间轴取对数，利用基于反卷积运算的结构函数法对瞬态响应曲线a(t)进行初步处理，得多组热阻和热容：R1、C1，R2、C2…Rn、Cn，当出现Ci>Ci+1时，则判断第i层可能包含了第一层高热容材料i1和第二层低热容材料i2。
3.设热时间常数τi＝Ri*Ci，τi在瞬态响应曲线a(t)上对应的热阻为Rτi，Δτ是时间常数偏移量，初始设定Δτ＝0，i表示材料层数，Rn、τi表示第i层的时间常数，t表示时间，当i＝1时，则Rn、τn不存在。构造函数：
Figure BDA0002144557280000021
4.将瞬态响应曲线a(t)减去构造函数y(t)，得到新的瞬态响应曲线b(t)，该曲线消除了i1层及其之前各层对瞬态响应曲线a(t)的影响，然后将时间轴向右平移τi/100，重新对b(t)的时间轴取对数。
5.用结构函数方法对b(t)进行处理，并结合步骤2中已知的Ri、Ci，将Ri、Ci拆分成两组结果：Ri1、Ci1和Ri2和Ci2，分别对应了第i1层材料(高热容)和第i2层材料(低热容)的热阻。
6.设τ11＝Ri1*Ci1，τ12＝Ri2*Ci2，构造瞬态响应曲线(其中Rm、τm为第i层之后各层的热阻和时间常数)：
Figure BDA0002144557280000022
6.求瞬态响应曲线a(t)和z(t)的拟合优度：
Figure BDA0002144557280000023
其中，tmax表示总的时间长度，t表示时间，即瞬态响应曲线中的横坐标，Yt表示a(t)中对应时间的热阻值，yt表示z(t)中对应时间的热阻值，
Figure BDA0002144557280000024
表示Yt的平均值。
7.设定R2的最小值，判断R2是否符合要求，若符合，则确定将第i层热阻值拆分为Ri1和Ri2；若不符合，则调整时间常数偏移Δτ，重复步骤3-6直到达到符合要求R2值。
对于复杂的多层材料，对于每一层均采取步骤2中的判断方法，以实现逐层推移测量的目的。
附图说明:
图1为本发明涉及的测试装置的示意图，图中，1-被测材料，2-热源，3-温度采集设备，4-计算机；
图2为本方法中被测材料的示意图；
图3为瞬态响应曲线a(t)；
图4为处理得到瞬态响应曲线b(t)的示意图；
图5为拆分时间常数示意图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的的说明。
本方法的测试装置如图1所示。包括了被测材料1，热源2，温度采集设备3和计算机4。被测材料1为三层材料，满足两层高热容材料之间夹杂一层低热容材料；热源2对材料上表面加热；温度采集设备3用于测量材料上表面处温度随时间的变化；计算机用于数据处理。
本方法的流程图如图3所示，包括以下步骤：
1.通过温度采集设备1采集热源2处温度随时间的变化，采样率1MHz，并保存全部数据点，即瞬态响应曲线a(t)。
2.对瞬态响应曲线的时间轴取对数，利用结构函数法对瞬态响应曲线a(t)进行初步处理，得两组热阻和热容：R1、C1，R2、C2，其中R1＝2K/W,C1＝0.006J/℃；R2＝1K/W,C2＝0.907J/℃。
3.设热时间常数τ1＝R1*C1＝12000μs，τ1在瞬态响曲线a(t)上对应的热阻为Rτ1，Δτ是时间常数偏移量，暂定Δτ＝0。构造函数：
Figure BDA0002144557280000041
4.将瞬态响应曲线a(t)减去构造函数y(t)，得到消除第一层材料的影响后的瞬态响应曲线b(t)，然后将时间轴零点取为120μs，重新对b(t)的时间轴取对数。
5.用结构函数方法对b(t)进行处理，并结合步骤2中R1＝2K/W,C1＝0.006J/℃，将R1、C1拆分成两组结果：R11＝1.156K/W、C11＝0.010J/℃和R12＝0.844K/W和C12＝0.030J/℃，分别对应了第i1层和第i2层材料的热阻和热容。
5.设τ11＝R11*C11＝11560μs，τ12＝R12*C12＝25320μs，τ2＝R2*C2＝907000μs，构造瞬态响应曲线：
Figure BDA0002144557280000042
6.求瞬态响应曲线a(t)和z(t)的拟合优度：
Figure BDA0002144557280000043
其中，tmax表示总的时间长度，t表示时间，即瞬态响应曲线中的横坐标，Yt表示a(t)中对应时间的热阻值，yt表示z(t)中对应时间的热阻值，
Figure BDA0002144557280000044
表示Yt的平均值。
7.判断R2是否符合要求，要求R2不低于0.9995，因此，调整时间常数偏移Δτ，重复步骤3-6。多次迭代计算后，当Δτ＝-2000时，R2＝0.9998,达到要求的R2值。此时，计算得到3层热阻如下：R1＝1.031K/W；R2＝0.969K/W；R3＝1K/W；
相对初步处理的结果，该结果区分出了两个热时间常数相近的材料，提高了特殊情况下薄层热阻测量精度。

Claims (1)

1.一种测量薄层热阻的方法，装置包括被测材料，热源，温度采集设备和计算机；被测材料为多层结构，其中某几层满足两层高热容材料之间夹杂一层低热容材料的条件；热源对材料上表面加热；温度采集设备用于测量材料上表面处温度随时间的变化；计算机用于数据处理；
其特征在于，包括以下测试步骤：
步骤一，将热源贴于被测材料的上表面，利用温度采集设备测量材料上表面处的温度；
步骤二，热源开始加热，同时，温度采集设备按线性坐标采集测量时间内的所有数据点，采样频率不低于1Mhz；
步骤三，通过传统结构函数方法得到的热阻信息构造薄层之前的材料的瞬态热响应曲线，并将其从总的曲线中剔除，消除其对薄层热阻信息的干扰，精确提取薄层热阻；
具体如下：
(1)利用结构函数法对瞬态响应曲线a(t)进行初步处理，得多组热阻和热容：R1、C1，R2、C2…Ri、Ci…，当出现Ci>Ci+1时，则判断第i层可能包含了第一层高热容材料i1和第二层低热容材料i2；
(2)设热时间常数τi＝Ri*Ci，τi在瞬态响应曲线a(t)上对应的热阻为Rτi，△τ是时间常数偏移量，初始设定△τ＝0，i表示材料层数，Rn表示第i层之前各层的热阻，τi表示第i层的时间常数，t表示时间；当i＝1时，则Rn、τn不存在；构造函数：
Figure FDA0003377996910000011
(3)将瞬态响应曲线a(t)减去构造函数y(t)，得到新的瞬态响应曲线b(t)，该曲线消除了i1层及其之前各层对瞬态响应曲线a(t)的影响；然后将时间轴向右平移τi/100，重新对b(t)的时间轴取对数；
(4)用结构函数方法对b(t)进行处理，得到第i2层热阻和热容：Ri2和Ci2，并结合(1)中已知的Ri、Ci，将Ri、Ci拆分成两组结果：Ri1、Ci1和Ri2和Ci2，分别对应了第i1层和第i2层材料的热阻和热容；
(5)设τ11＝Ri1*Ci1，τ12＝Ri2*Ci2，构造瞬态响应曲线z(t)，其中Rm、τm表示第i层之后各层的热阻和时间常数：
Figure FDA0003377996910000021
(6)求瞬态响应曲线a(t)和z(t)的拟合优度：
Figure FDA0003377996910000022
其中，tmax表示总的时间长度，t表示时间，即瞬态响应曲线中的横坐标，Yt表示a(t)中对应时间的热阻值，yt表示z(t)中对应时间的热阻值，
Figure FDA0003377996910000023
表示Yt的平均值；
(7)设定R2的最小值，判断R2是否符合要求，若符合，则确定将第i层热阻值拆分为Ri1和Ri2；若不符合，则调整时间常数偏移△τ，重复(3)-(6)直到达到符合要求R2值。
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