CN110687159B - 一种导热脂的热阻测量装置及方法 - Google Patents

一种导热脂的热阻测量装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于热阻测量技术领域，具体涉及一种导热脂的热阻测量装置及方法。包括：模拟热源，设有发热端接触面和发热端测试孔；热沉，设有冷端接触面和冷端测温孔；连接组件，用于上下连接所述模拟热源和所述热沉连接组件并且使得所述模拟热源的发热端接触面和所述热沉的冷端接触面相对设置。热电偶探头可以经由所述冷端测试孔和发热端测试孔分别抵达发热端接触面和冷端接触面直接测量导热界面处的温度，不需要构建热传导路径，相应的不存在热传导路径上存在温度梯度导致超出导热脂工作温度范围的情况，相应的也不需要额外对热传导路径进行保温的装置。不仅提高的测量精度，还简化了测量装置的结构。

Description

一种导热脂的热阻测量装置及方法
技术领域
本发明属于热阻测量技术领域，具体涉及一种导热脂的热阻测量装置及方法。
背景技术
现有的接触热阻方案一般是构建一段一维稳态热传导区间，通过测量传导路径上的温度，推测待测量界面两端温度，从测计算得到导热脂界面热阻。例如申请公布号CN108007964A，申请公布日2018年5月8日的发明专利申请公开的一种接触热阻测试装置及测试方法，通过将多个试件两两上下对接形成接触面积相同及接触面积不同的时间组合，从而用于进行不同接触面面积下接触热阻的测试以及不同加热稳定下接触热阻的测试。
然而一般用于电子芯片的导热脂工作温度在30-80℃之间，高热流密度电子芯片热流密度在已达100W/cm2。在此情况下，即使如CN108007364A中采用紫铜棒构建一维稳态热传导路径，在100W/cm2的热流密度下，传导路径上温度梯度也已达到25℃/cm。从而无法在导热脂合适的工作温度下测量接触热阻。由于构建的一维稳态热传导路径较长，高热流密度下两端温差会很高，从而需要额外的保温装置，同时会导致温度测量误差较大。另外，由于热传导路径上的材料导热系数根据材料特性确定而不是实测值，同时导热系数与温度相关，这会导致测量误差。
发明内容
本发明为了在导热脂的实际工作温度和热流范围内测量接触热阻，同时提高测量精度，提供一种导热脂的热阻测量装置及方法。
一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于，包括：
模拟热源，设有发热端接触面和发热端测试孔；
热沉，设有冷端接触面和冷端测温孔；
连接组件，用于上下连接所述模拟热源和所述热沉连接组件并且使得所述模拟热源的发热端接触面和所述热沉的冷端接触面相对设置；
所述发热端测试孔，由所述模拟热源上与所述发热端接触面相对的端部朝着所述发热端接触面延伸并且贯穿所述发热端接触面；
所述冷端测温孔，由所述模拟热源上与所述冷端接触面相对的端部朝着所述冷端接触面延伸并且贯穿所述冷端接触面；
热电偶测温件，包括直径小于所述冷端测温孔直径和所述发热端测试孔直径的热电偶探头。
上述技术方案中，热电偶探头可以经由所述冷端测温孔和发热端测试孔分别抵达发热端接触面和冷端接触面直接测量导热界面处的温度，不需要构建热传导路径，相应的不存在热传导路径上存在温度梯度导致超出导热脂工作温度范围的情况，相应的也不需要额外对热传导路径进行保温的装置。不仅提高的测量精度，还简化了测量装置的结构。
作为优选，所述模拟热源包括导热体和发热器件；所述发热端接触面为所述导热体的一端面，所述发热器件分布在所述导热体上除所述发热端接触面以外的其他端面或侧面。
作为优选，所述导热体为立方体结构的铜块。
作为优选，所述发热器件为半导体发热芯片。使用半导体发热器件模拟芯片发热，精度高，功率调节方便。
作为优选，所述模拟热源还包括壳体；所述壳体包括一凹部以及位于所述凹部两侧的安装板；所述导热体安装在所述凹部中并且发热端接触面朝向所述凹部的开口。
作为优选，所述安装板设有发热端安装孔，所述热沉设有对应于所述发热端安装孔的冷端安装孔；所述连接组件为连接螺栓。
作为优选，所述模拟热源的发热功率最大为800W。
作为优选，所述热沉包括设有所述冷端接触面的凸台以及用于对所述凸台进行冷却的冷却水循环回路。所述冷却水循环回路保证所述冷端接触面的温度可控，在100W/cm2热流密度下最低可将冷端接触面的温度控制在40℃左右，从而实现40℃到80℃的测量范围。
作为优选，所述发热端测试孔的直径小于1.2mm，所述冷端测温孔的直径小于1.2mm；所述热电偶探头的直径小于0.6mm。能够保证测量的准确度和一致性。
本发明还提供一种导热脂的热阻测量方法，其特征在于，适用于上述任一项所述的热阻测量装置，包括：
步骤S0，开启热沉并等待其工作稳定。
步骤S1，将导热脂涂覆在所述热沉的冷端接触面；
步骤S2，将所述模拟热源通过所述连接组件与所述热沉连接；
步骤S3，将第一热电偶测温件的测试探头插入所述发热端测试孔与所述冷端接触面接触，将第二热电偶测温件的测试探头插入所述冷端测温孔与所述发热端接触面接触；
步骤S4，开启所述模拟热源；
步骤S5，待温度稳定后记录所述第一热电偶测温件的测试温度T1和所述第二热电偶测温件的测试温度T2；
步骤S6，计算界面热阻 ；
其中，W为热流密度，a为热沉/热源导热系数。
本发明具有下述有益效果：
1.热电偶探头可以经由所述冷端测温孔和发热端测试孔分别抵达发热端接触面和冷端接触面直接测量导热界面处的温度，不需要构建热传导路径，相应的不存在热传导路径上存在温度梯度导致超出导热脂工作温度范围的情况，相应的也不需要额外对热传导路径进行保温的装置。不仅提高的测量精度，还简化了测量装置的结构。
2.单个模拟热源的发热功率最大可达800W，使用半导体发热器件模拟芯片发热，精度高，功率调节方便。
3.热沉的冷却水循环回路保证所述冷端接触面的温度可控，在100W/cm2热流密度下最低可将冷端接触面的温度控制在40℃左右，从而实现40℃到80℃的测量范围。
附图说明
图 1是本申请实施例的模拟热源的结构示意图一。
图2 是本申请实施例的模拟热源的结构示意图二。
图3是本申请实施例的模拟热源的结构示意图三。
图4是本申请实施例的热沉结构示意图一。
图5是本申请实施例的热沉结构示意图二。
图6是本申请实施例的热沉结构示意图三。
图7是本申请实施例的热阻测量装置在使用时的剖视图一。
具体实施方式
这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不意图限制本发明。 除非另外定义，否则本文使用的所有术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。 将进一步理解的是，常用术语应该被解释为具有与其在相关领域和本公开内容中的含义一致的含义。本公开将被认为是本发明的示例，并且不旨在将本发明限制到特定实施例。
实施例一
如图1-7所示的一种导热脂的热阻测量装置，包括模拟热源1、热沉2、连接组件3以及热电偶测试件。模拟热源1设有发热端接触面11和发热端测试孔12，模拟热源的发热功率最大为800W，使得发热端接触面的温度可高达80℃。热沉2设有冷端接触面21和冷端测温孔22，冷端接触面的温度几乎不随传递到它的热能的大小变化而变化，从而能够保证发热端接触面和冷端接触面之间的导热脂的导热界面温度可控。连接组件3用于上下连接模拟热源1和热沉2使得发热端接触面11和冷端接触面21相对。热电偶测温件包括直径小于冷端测温孔直径和发热端测试孔直径的热电偶探头4。冷端测温孔与发热端测试孔需交错设置，孔的中心之间的距离最好为1-2mm。
模拟热源1的发热端测试孔12，由模拟热源1上与发热端接触面11相对的端部朝着发热端接触面11延伸并且贯穿发热端接触面11。热沉2的冷端测温孔22由模拟热源1上与冷端接触面21相对的端部朝着冷端接触面21延伸并且贯穿冷端接触面21。如图7所示，当模拟热源1和热沉2通过连接组件连接在一起以后，热电偶探头4能够在模拟热源侧，伸入到发热端测试孔12中，并抵达与发热端接触面相对的冷端接触面21；热电偶探头4还能够在热沉侧，伸入到冷端测温孔22中，并抵达与冷端接触面相对的热端接触面11。作为优选，热电偶测温件采用微型热电偶探头，该热电偶探头的直径仅0.5mm，发热端测温孔的直径为1mm。位于发热端测温孔或者冷端测温孔中的热电偶探头4的末端能够直接接触导热界面（即，发热端接触面或者冷端接触面），这种测量方法由于不再需要建立热传导路路径，能够保证测量准确度。
如图1-3所示，本实施例的模拟热源包括壳体15、安装在壳体15中的导热体13和发热器件14。壳体15大致呈板状结构，包括一凹部和位于凹部两侧的安装板151。导热体13为立方体结构的铜块，将铜块的一面朝上安装在凹部中，铜块的其余侧面上安装有一个或者多个发热器件14，发热器件14工作时产生的热量通过铜块的侧面传导至铜块内部，并且使得铜块朝上的侧面被加热作为发热端接触面11。作为优选， 本实施例的发热器件14为三极管等半导体发热芯片，使用半导体发热器件的加热精度更高，也便于功率调节。凹部两侧的安装板151上设有发热端安装孔12。本实施例中的发热端测试孔12需要穿过壳体15的凹部位置，再贯穿导热体。
如图4-6所示，本实施例的热沉2包括设有冷端接触面21的凸台以及用于对凸台进行冷却的冷却水循环回路（图中未示出）。冷却水循环回路可以采用现有技术的冷却水循环系统，只要能保证凸台上冷端接触面21的温度稳定在设定值即可。例如冷却水循环回路可以包括恒温水浴、水泵、流量计、外置过滤器等，冷却水循环回路中的冷却水沿着恒温水浴——水泵——流量计——外置过滤器——凸台——恒温水浴回路循环。在凸台的两侧还设有对应于发热端安装孔1511的冷端安装孔23。可以采用连接螺栓、弹簧螺钉等作为连接组件3穿过发热端安装孔1511和冷端安装孔23将模拟热源和热沉连接在一起。
实施例二
采用实施例中的所述的热阻测量装置的热阻测量方法，包括：
步骤S0，开启热沉并等待其工作稳定。具体操作包括按照顺序连接好热沉的冷却水循环系统，调节冷却水循环系统的开关阀门达到指定流量（流量对应需要的冷端接触面温度），等待冷却水循环水路流量与温度稳定。
步骤S1，将待测热阻的导热脂涂覆在热沉的冷端接触面。具体操作包括，清洁冷端接触面，并用酒精仔细擦拭，确保接触面洁净，然后将导热脂均匀涂覆在冷端接触面。
步骤S2，将模拟热源通过连接组件与热沉连接。具体操作包括，将模拟热源安装在热沉的凸台位置处并用力按压后安装弹簧螺钉，调节螺钉安装深度使安装后四个弹簧螺钉长度保持一致。
步骤S3，将第一热电偶测温件的测试探头插入发热端测试孔与冷端接触面接触，将第二热电偶测温件的测试探头插入冷端测温孔与发热端接触面接触。
步骤S4，开启模拟热源，例如调节模拟热源输出功率至600W。
步骤S5，待温度稳定后记录第一热电偶测温件的测试温度T1和第二热电偶测温件的测试温度T2。当热电偶探头从模拟热源侧测量时，热电偶探头通过探头导线的弹性接触到导热界面（位于冷端接触面和发热端接触面之间的导热脂），由于导热界面厚度很小——小于0.1mm，直径0.5mm的温度探头测量的为导热界面靠近冷端接触面侧的平均温度，记为T1；当热电偶探头从热沉侧测量时，热电偶探头通过探头导线的弹性接触到导热界面，导热界面厚度很小——小于0.1mm，0.5mm直径的温度探头测量的为导热界面靠近发热端接触面侧的平均温度，记为T2；
步骤S6，计算界面热阻
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE002
。
其中，W为热流密度，a为热沉/热源导热系数。
经过测试，本方法温度分辨率可达±0.1℃，热阻分辨率达1.6*10-4。该方法可直接测量导热界面处温度，能同时保证测量精度与重复性，设备需求简单，操作要求低，测量范围大。
虽然描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (9)

1.一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于，包括：
模拟热源，设有发热端接触面和发热端测试孔；
热沉，设有冷端接触面和冷端测温孔；
连接组件，用于上下连接所述模拟热源和所述热沉并且使得所述模拟热源的发热端接触面和所述热沉的冷端接触面相对；
所述发热端测试孔，由所述模拟热源上与所述发热端接触面相对的端部朝着所述发热端接触面延伸并且贯穿所述发热端接触面；
所述冷端测温孔，由所述模拟热源上与所述冷端接触面相对的端部朝着所述冷端接触面延伸并且贯穿所述冷端接触面；
热电偶测温件，包括直径小于所述冷端测温孔直径和所述发热端测试孔直径的热电偶探头；
所述模拟热源，包括导热体和发热器件；
所述发热端接触面为所述导热体的一端面，所述发热器件分布在所述导热体上除所述发热端接触面以外的其他端面或侧面。
2.根据权利要求1所述的一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于：
所述导热体为立方体结构的铜块。
3.根据权利要求1所述的一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于：
所述发热器件为半导体发热芯片。
4.根据权利要求1所述的一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于：
所述模拟热源还包括壳体；
所述壳体包括一凹部以及位于所述凹部两侧的安装板；
所述导热体安装在所述凹部中并且发热端接触面朝向所述凹部的开口。
5.根据权利要求4所述的一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于：
所述安装板设有发热端安装孔，所述热沉设有对应于所述发热端安装孔的冷端安装孔；
所述连接组件为连接螺栓。
6.根据权利要求1所述的一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于：
所述模拟热源的发热功率最大为800W。
7.根据权利要求1所述的一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于：
所述热沉包括设有所述冷端接触面的凸台以及用于对所述凸台进行冷却的冷却水循环回路。
8.根据权利要求1所述的一种导热脂的热阻测量装置，其特征在于：
所述发热端测试孔的直径小于1.2mm，所述冷端测温孔的直径小于1.2mm；
所述热电偶探头的直径小于0.6mm。
9.一种导热脂的热阻测量方法，其特征在于，适用于权利要求1-7中任一项所述的热阻测量装置，包括：
步骤S0，开启热沉并等待其工作稳定；
步骤S1，将导热脂涂覆在所述热沉的冷端接触面；
步骤S2，将所述模拟热源通过所述连接组件与所述热沉连接；
步骤S3，将第一热电偶测温件的测试探头插入所述发热端测试孔与所述冷端接触面接触，将第二热电偶测温件的测试探头插入所述冷端测温孔与所述发热端接触面接触；
步骤S4，开启所述模拟热源；
步骤S5，待温度稳定后记录所述第一热电偶测温件的测试温度T1和所述第二热电偶测温件的测试温度T2；
步骤S6，计算界面热阻
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，W为热流密度，a为热沉/热源导热系数。
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