CN110673015A - 模拟芯片发热功率及表面温度的测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种模拟芯片发热功率及表面温度的测试方法，按如下步骤实现：在环境常温条件下，测试实际芯片样件运行工况下的表面温度T随时间τ变化的关系，获取实际芯片运行温度与时间的T‑τ曲线、表面温度与芯片内部发热功率Ph和时间τ的数值的到Ph‑τ曲线和电功率Pv与模拟芯片表面温度T和时间τ的关系曲线Pv‑T‑τ，建立与实际芯片尺寸相同的传热模型及其传热数学模型，得到芯片热功率Ph与模拟芯片电功率Pv关系式；连接直流电源和可编程控制器，通电加热模拟芯片，加载实际运行程序，可编程控制模块控制电压输出，测试并模拟芯片表面温度，将模拟芯片实测表面温度与实际芯片表面温度对比，实现模拟实际芯片的发热功率。

Description

模拟芯片发热功率及表面温度的测试方法
技术领域
本发明涉及电子元器件封装与热控技术领域，具体是一种模拟芯片发热功率的测试方法及装置。
背景技术
随着电子封装集成度的迅速提高，微电子芯片结构尺寸的不断减小，芯片功率的不断提高，以及功率密度的持续增加，电子芯片产生的热流密度越来越高，芯片的散热问题及温度分布均匀性已成为影响芯片性能亟待解决的瓶颈。由于电子芯片封装技术不可避免的主要障碍是来自芯片工作所产生的热量，电子芯片体积不断减小，时钟频率不断增加，芯片工作时发热量急剧增大，据统计，电子设备的失效有5％是温度超过规定值引起的。由于印制板的基材是热的不良导体，元器件与印制板直接接触，两者之间不能构建良好热流传导通路，芯片较容易在冲击下出现热疲劳，热功率信号对芯片造成的温度冲击不利于保证芯片的工作稳定性。如果各种发热元件散发出来的热量不能够及时散发出去，就会造成热量的积聚，从而导致各个元器件的温度超过各自所能承受的极限，使得电子设备的可靠性大大降低。由于热电材料性能的限制以及热电冷却系统性能影响因素的复杂性，伴随着高集成度计算机芯片的迅速提高，芯片功率与功率密度也在急剧增加。由此带来的过高温度将降低芯片的工作稳定性，增加出错率；同时，模块内部与其外部环境间所形成的热应力会直接影响到芯片的电性能、工作频率及机械强度。此外，由于各种电子元件材料的热膨胀系数不同，以及在变化的温度场中材料本身的粘性、弹性、塑性会发生非线性变化等原因，材料本身温度分布的不均匀也将会导致结构内部的应力和能量的积累。这种累积会诱发产生轻微的裂纹，随着电子元件自身工作时间的延续，裂纹会不断扩展，以致最后造成分层或断裂，从而影响整个系统的可靠性。由于功率信号作用下芯片不同点处的温度冲击对芯片造成的危险性影响，热设计成为包括电子芯片在内的电子设备结构设计的关键环节。在某些特定行业，例如航空航天领域，相应产品不仅对热性能的要求更加苛刻，并且对于产品体积和重量都有着及其严格的要求，其中提高芯片的散热能力的难度也不断增大。一般来说，芯片在制造过程中是面向各行各业应用，无法在制造阶段对功耗和热控制进行足够的优化设计。作为使用者的各行业电气工程师在使用过程中也很难准确把握芯片使用过程中的具体发热数据，仅仅根据实践经验来确定散热方案。一般的，电子芯片在实际使用过程存在通电，运行工作，待机状态，断电等几个过程交替循环。目前，电气工程师一般根据芯片的额定功率进行热设计，并没有考虑实际工作功率可能远小于额定功率。散热方案优化空间非常大，尤其对于航空航天行业，可以大幅减少芯片散热产品的尺寸和重量。功率器件的散热能力通常用热阻表征，热阻Rt越大，则散热能力越差。引入热阻的概念可以有效评价散热系统的散热能力，可利用热阻分析法对散热/冷却系统，探寻减小散热通道的热阻，提高散热/冷却效率的有效途径，并为散热系统的参数优化提供理论依据。功率器件应用时所受到的热应力可能来自器件内部，也可能来自器件外部。器件工作时所耗散的功率要通过发热形式耗散出去。当功率器件功耗较大时，依靠器件本身的散热(芯片、封装及管壳的热设计)并不能够满足散热要求。若器件的散热能力有限，则功率的耗散就会造成器件内部芯片有源区温度上升及结温升高，使得器件可靠性降低，无法安全正常工作。表征功率器件热能力的参数主要有结温和热阻。一般将功率器件有源区称为结,器件的有源区温度称为结温。这些器件的有源区可以是结型器件(如晶体管)的pn结区、场效应器件的沟道区，也可以是集成电路的扩散电阻或薄膜电阻等。当结温Tj高于周围环境温度Ta时，热量通过温差形成扩散热流，由芯片通过管壳向外散发，散发出的热量随着温差的增大而增大。现有技术热电制冷器借助散热器将热放热P型热电材料空穴电模块热面的热量不断散出，并且保持一定的温度，而把热电模块的冷面置于工吸热吸热作环境中去吸热降温，这就是热电制冷器的工作原理。现有技术根据热电冷却器的结构与性能特点，设计热电冷却散热系统性能测试实验台，对热电冷却散热系统的性能进行测试。芯片冷却散热实验系统包括模拟芯片、热界面材料、热电制冷模块和热沉等多个部件，各部分温度的测定均存在误差。热电制冷散热系统在模拟芯片与TEC冷面接触面热界面材料的两侧、TEC热面以及热沉翅片上分别布置热电偶，记录整个散热系统(包括模拟芯片表面、TEC冷热面和热沉表面)的温度变化。将模拟芯片置于基板上的刻槽中，在热沉底面和翅片上分别布三个测温点，以测试热沉底座和翅片的平均温度，计算热沉热阻。另外，还布置一测温点用来记录实验时的环境温度。TEC的冷面通过热界面材料与模拟芯片紧密接触，以吸收模拟芯片的热量；热沉与TEC热面紧密接触，通过风扇的强制对流作用将TEC热端的热量散失到环境中。由于TEC模块应用于电子芯片的冷却散热时是主动制冷装置，故其热阻为一负值。当TEC在冷却系统中正常运行时，其热阻还受热电功能材料的热物性参数、模拟芯片功率以及TEC工作参数的影响。另外，实验的数据采集与检测部分也存在测量误差，而且误差具有传递性，实验系统的误差通常因各部件的误差累积而放大。由于实验的影响因素较多，单次实验的时间较长，环境温度的变化以及空气流动都会对实验结果产生影响。
由于各种功率器件的内热阻不同，安装散热器时由于接触面和安装力矩的不同，均会导致功率器件与散热器之间的接触热阻不同。选择散热器的主要依据是散热器热阻Rtf。在不同的环境条件下，功率器件的散热情况也不同。因此选择合适散热器还要考虑环境因素、散热器与功率器件的匹配情况以及整个电子设备的大小、重量等因素。首先根据功率器件正常工作时的性能参数和环境参数，如环境温度、器件功耗和结温等，计算功率器件结温是否工作在安全结温之内，判断是否需要安装散热器进行散热，如功率器件需安装散热器进行散热，计算相应的散热器热阻，初选一散热器；重新计算功率器件结温，判断功率器件结温是否在安全结温之内，所选散热器是否满足要求；对于符合要求的散热器，应根据实际工程需要进行优化设计。
发明内容
本发明目的在于针对上述问题，提供一种能够方便针对芯片散热热设计的测试，可以实现模拟任意芯片工作状态的发热功率的模拟芯片发热功率及表面温度的测试方法及测试系统实现本发明目的的技术方案是：一种模拟芯片发热功率及表面温度的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
在环境常温条件下，测试实际芯片样件运行工况下的表面温度T随时间τ变化的关系，分析表面温度与芯片发热功率，得到实际芯片运行温度与时间的T-τ曲线；根据模拟芯片表面温度与芯片内部发热功率Ph和时间τ的数值，得到Ph-τ曲线；测试模拟芯片不同功率下芯片表面的温度，瞬间热飙升的响应速度和在恒定功率下达到平衡时的芯片温度及芯片表面温度的降低过程，得到电功率Pv＝UI与模拟芯片表面温度T和时间τ的关系曲线Pv-T-τ；分析表面温度与芯片发热功率关系Pv-T-τ曲线，建立与实际芯片尺寸相同的传热模型及其传热数学模型；根据测试的实际芯片T-τ曲线，利用芯片传热模型分析得到Ph-τ曲线，得到模拟芯片运行温度与时间关系的Ph-T-τ曲线；分析芯片传热模型Ph-T-τ和模拟芯片Pv-T-τ曲线，得到芯片热功率Ph与模拟芯片电功率Pv关系式；再由此Pv关系得到模拟芯片电压控制Pv-τ曲线；对可编程控制器编程，将模拟芯片连接线与直流电源正负极连接，连接直流电源和可编程控制器，通电加热模拟芯片，加载实际运行程序，实现芯片的热功率加载，采用可编程控制模块控制电压输出，使直流电源输出Pv-τ电压加载模拟的芯片，测试并模拟芯片表面温度，将模拟芯片实测表面温度与实际芯片表面温度对比，实现模拟实际芯片的发热功率。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。本发明在给定芯片表面与环境的温差，通过测试分析表面温度T随时间τ变化的关系和电功率Pv＝UI与模拟芯片表面温度T和时间τ，得到实际芯片运行温度与时间的T-τ曲线、得到内部发热功率Ph和时间τ的Ph-τ曲线和测试模拟芯片电功率Pv与模拟芯片表面温度T和时间τ得到的关系曲线Pv-T-τ，对模拟芯片的散热量进行比较，建立与实际芯片尺寸相同的传热模型及其传热数学模型，可以方便地从热阻的角度进行比较，得到芯片热功率Ph与模拟芯片电功率Pv关系式。利用模拟芯片(加热片)的功率和散热表面，可以按照该计算公式计算散热热阻值Rth：可以精确获得不同功率下的散热效果，比较容易获得总散热面积F的准确值。
本发明通过在不同状况下，对不同模拟芯片的散热量进行测定与比较。利用可编程控制器编程，将模拟芯片连接线与直流电源正负极连接，连接直流电源和可编程控制器，通电加热模拟芯片，加载实际运行程序，实现芯片的热功率加载，采用可编程控制模块控制电压输出，使直流电源输出Pv-τ电压加载模拟的芯片，测试并模拟芯片表面温度，将模拟芯片实测表面温度与实际芯片表面温度对比，通过模拟任意芯片工作状态的发热功率的与实际工作状态及其发热功率瞬间变化发出的高热量测定分析和对比分析，可以探索考察确定出减缓对芯片稳定性的破坏及其瞬态破坏力。可以反映模拟芯片在重负荷下运行时的散热性能，衡量模拟芯片对持续发热量较大的能力。
附图说明
图1是本发明模拟芯片发热功率及其表面温度的测试方法流程框图；
图2是实际芯片运行温度与时间曲线图；
图3是模拟芯片运行温度与时间曲线图；
图4是模拟芯片电压与时间曲线；
图5是模拟芯片表面温度测试系统。
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述，但不是对本发明的限定。
具体实施方式
参阅图1-图4。根据本发明，在环境常温条件下，测试实际芯片样件运行工况下的表面温度T与时间τ的关系，分析表面温度与芯片发热功率，得到实际芯片运行温度与时间曲线T-τ曲线；模拟芯片表面温度与芯片内部发热功率Ph和时间τ的数值，得到Ph-τ曲线；测试模拟芯片电功率(Pv＝UI)与模拟芯片表面温度T和时间τ，得到关系曲线Pv-T-τ；分析表面温度与芯片发热功率关系(Pv-T-τ曲线)，建立与实际芯片尺寸相同的传热模型及其传热数学模型；根据测试的实际芯片T-τ曲线，利用芯片传热模型分析得到Ph-τ曲线，得到模拟芯片运行温度与时间关系的Ph-T-τ曲线；分析芯片传热模型Ph-T-τ和模拟芯片Pv-T-τ曲线，得到芯片热功率Ph与模拟芯片电功率Pv关系式：Pv＝a*Ph3+b*Ph2+c*Ph+d；再由此Pv关系得到模拟芯片电压控制Pv-τ曲线；对可编程控制器编程，将模拟芯片连接线与直流电源正负极连接，连接直流电源和可编程控制器，通电加热模拟芯片，加载实际运行程序，实现芯片的热功率加载，采用可编程控制模块控制电压输出，使直流电源输出Pv-τ电压加载模拟的芯片，测试并模拟芯片表面温度，将模拟芯片实测表面温度与实际芯片表面温度对比，实现模拟实际芯片的发热功率。
参阅图5。利用上述方法的模拟芯片表面温度测试系统，包括：数据采集系统和计算机，设置在恒温控制箱内测试芯片运行所需的测试电路板、按照实际电路板芯片位置进行制作的模拟芯片，向测试电路板和可编程控制器供电的直流稳压电源，其中：作为加热片的模拟芯片insuation连线直流电源正负极，与实际芯片相同的模拟芯片表面周向布局置热电偶形成传热模型，通过数据采集系统相连计算机和可编程控制器组成模拟芯片表面温度测试系统。直流电源输出Pv-τ电压加载于模拟芯片，热电偶热功率加载测试模拟芯片表面温度；可编程控制器通过计算机加载实际运行程序，设置电压-时间曲线，控制电压输出，运行模拟芯片工况表面温度与时间T-τ曲线，分析芯片传热模型Ph-T-τ关系曲线和模拟芯片Pv-T-τ曲线，根据芯片的换热系数a，分别为芯片表面温度和环境温度b、c和散热量d，得到加热芯片热功率Ph与模拟芯片电功率Pv关系式，Pv＝a*Ph 3+b*Ph 2+c*Ph+d，建立与实际芯片尺寸相同的传热数学模型，得到各任意模拟芯片电压控制测量值、模拟芯片表面温度与芯片内部发热功率Ph和时间τ的关系曲线Ph-T-τ，将模拟芯片实测表面温度与实际芯片表面温度对比，测定分析和对比分析模拟任意芯片工作状态的发热功率的与实际工作状态及其发热功率瞬间变化热量，确定出反映模拟芯片运行时的持续发热量和散热性能。
为确保测试环境温度保持恒定，直流稳压电源可以采用直流电压为0～24V的直流电源。
所述恒温控制箱的环境温度设为20℃～25℃。
可编程控制器可以设置电压-时间曲线，控制电压输出。
所述传热模型包括：自上而下依次为四个底角分别设置支脚的电路板芯片、电路板芯片空隙下的导热硅胶，布置在模拟芯片表面的热电偶。电路板芯片尺寸为35*35*0.5mm，四个底角分别设置4*4*1mm支脚，中心部位与底电路板有至少1mm空隙。
模拟芯片表面热电偶布置方式与实际芯片相同，实际芯片布置有围绕正中心热电偶，边间距分别为5mm四周的5个热电偶；数据采集系统采集布置在模拟芯片中心点和四周设置的5个热电偶的温度值和环境温度，设置6个热电偶测量芯片四个角、中心点的温度值和环境温度。
模拟芯片采用与实际芯片尺寸相同，模拟芯片额定功率至少15W，24V，选取相同规格和尺寸的陶瓷加热片；陶瓷加热片功率和电压与实际模拟芯片额定功率和电压值相同的陶瓷加热片，陶瓷加热片表面用导热硅胶将相同面积尺寸0.1mm铜片粘结，加热片导线与陶瓷加热片电阻两端焊接。
以上所述为本发明较佳实施例，应该注意的是上述实施例对本发明进行说明，然而本发明并不局限于此，并且本领域技术人员在脱离所附权利要求的范围情况下可设计出替换实施例。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种模拟芯片发热功率及表面温度的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
在环境常温条件下，测试实际芯片样件运行工况下的表面温度T随时间τ变化的关系，分析表面温度与芯片发热功率，得到实际芯片运行温度与时间的T-τ曲线；根据模拟芯片表面温度与芯片内部发热功率Ph和时间τ的数值，得到Ph-τ曲线；测试模拟芯片不同功率下芯片表面的温度，瞬间热飙升的响应速度和在恒定功率下达到平衡时的芯片温度及芯片表面温度的降低过程，得到电功率Pv＝UI与模拟芯片表面温度T和时间τ的关系曲线Pv-T-τ；分析表面温度与芯片发热功率关系Pv-T-τ曲线，建立与实际芯片尺寸相同的传热模型及其传热数学模型；根据测试的实际芯片T-τ曲线，利用芯片传热模型分析得到Ph-τ曲线，得到模拟芯片运行温度与时间关系的Ph-T-τ曲线；分析芯片传热模型Ph-T-τ和模拟芯片Pv-T-τ曲线，得到芯片热功率Ph与模拟芯片电功率Pv关系式：Pv＝a*Ph3+b*Ph2+c*Ph+d；再由此Pv关系得到模拟芯片电压控制Pv-τ曲线；对可编程控制器编程，将模拟芯片连接线与直流电源正负极连接，连接直流电源和可编程控制器，通电加热模拟芯片，加载实际运行程序，实现芯片的热功率加载，采用可编程控制模块控制电压输出，使直流电源输出Pv-τ电压加载模拟的芯片，测试并模拟芯片表面温度，将模拟芯片实测表面温度与实际芯片表面温度对比，实现模拟实际芯片的发热功率。
2.一种利用如权利要求1所述方法的模拟芯片表面温度测试系统，包括：数据采集系统和计算机，设置在恒温控制箱内测试芯片运行所需的测试电路板、按照实际电路板芯片位置进行制作的模拟芯片，向测试电路板和可编程控制器供电的直流稳压电源，其特征在于：作为加热片的模拟芯片insuation连线直流电源正负极，与实际芯片相同的模拟芯片表面周向布局置热电偶形成传热模型，通过数据采集系统相连计算机和可编程控制器组成模拟芯片表面温度测试系统。
3.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：直流电源输出Pv-τ电压加载于模拟芯片，热电偶热功率加载测试模拟芯片表面温度；可编程控制器通过计算机加载实际运行程序，设置电压-时间曲线，控制电压输出，运行模拟芯片工况表面温度与时间T-τ曲线，分析芯片传热模型Ph-T-τ关系曲线和模拟芯片Pv-T-τ曲线，根据芯片的换热系数a，分别为芯片表面温度和环境温度b、c和散热量d，得到加热芯片热功率Ph与模拟芯片电功率Pv关系式，Pv＝a*Ph 3+b*Ph 2+c*Ph+d，建立与实际芯片尺寸相同的传热数学模型，得到各任意模拟芯片电压控制测量值、模拟芯片表面温度与芯片内部发热功率Ph和时间τ的关系曲线Ph-T-τ，将模拟芯片实测表面温度与实际芯片表面温度对比，测定分析和对比分析模拟任意芯片工作状态的发热功率的与实际工作状态及其发热功率瞬间变化热量，确定出反映模拟芯片运行时的持续发热量和散热性能。
4.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：为确保测试环境温度保持恒定，直流稳压电源采用直流电压为0～24V的直流电源。
5.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：所述恒温控制箱的环境温度设为20℃～25℃。
6.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：可编程控制器设置电压-时间曲线，控制电压输出。
7.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：所述传热模型包括：自上而下依次为四个底角分别设置支脚的电路板芯片、电路板芯片空隙下的导热硅胶，布置在模拟芯片表面的热电偶，实际模拟芯片布置有围绕其中心，边间距分别为5mm四周角的5个热电偶。
8.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：电路板芯片尺寸为35*35*0.5mm，四个底角分别设置4*4*1mm支脚，中心部位与底电路板有至少1mm空隙。
9.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：数据采集系统采集布置在模拟芯片中心点和四周设置的5个热电偶的温度值和环境温度，设置6个热电偶测量芯片四个角、中心点的温度值和环境温度。
10.根据权利要求2所述的模拟芯片表面温度测试系统，其特征在于：模拟芯选取相同规格和尺寸的陶瓷加热片；陶瓷加热片功率和电压与实际模拟芯片额定功率和电压值相同，陶瓷加热片表面用导热硅胶将相同面积尺寸铜片粘结，加热片导线与陶瓷加热片电阻两端焊接。
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