CN113720874B - 一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，首先测试焊锡的热导率，将温度传感器固定在待测产品的芯片上表面和盒体内表面，将待测产品放置在液冷测试架并使待测产品分别与功率计和电源连接；当待测产品到达热稳态后，根据温度传感器的温度值和功率，计算得到焊锡层的热导率，然后进行热仿真。本方法使基于焊锡的热导率进行产品热仿真的仿真结果更可靠，通过测试精确计算出不同种类焊锡热导率，有效提高微波产品组件热仿真结果准确性，特别是微波产品微组装过程中使用不同种类焊料片的情况下，对微波产品工作过程中温升进行可靠预判，并最终有效保证微波产品中元器件使用寿命，进一步提高产品热仿真对产品使用可靠性的现实指导意义。
Description
技术领域
本发明涉及测量测试技术领域，具体涉及一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法。
背景技术
随着微波组件产品技术发展，微波组件各项指标要求不断提升，组件内部的元器件不断向着小型化、高功耗的方向发展。系统集成度的提高，必然带来产品内部热流密度的激增，产品使用过程中产生的温升会对裸芯片等器件的使用寿命造成影响，因此，借助热仿真技术对产品的热性能进行预判和分析，将在很大程度上提高产品使用过程中的可靠性。
焊锡热导率作为热仿真过程中影响仿真结果的一个重要参数，对仿真结果的准确性尤为重要。因此，找到一种操作简单同时能够精确计算焊锡热导率的方法，对提高产品热仿真结果的准确性并最终提高产品寿命具有重要意义。
发明内容
本发明是为了解决热仿真结果准确性问题，提供一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，本方法通过测试精确计算出不同种类焊锡热导率，并且测试数值的准确，使基于此参数进行产品热仿真的仿真结果更可靠，特别是针对微波产品微组装过程中使用不同种类焊料片的情况下，可对微波产品工作过程中的温升进行可靠预判，并最终有效保证微波产品中元器件的使用寿命，进一步提高产品热仿真对产品使用可靠性的现实指导意义。
本发明提供一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，包括以下步骤：
S1、焊锡热导率测试：将待测微波产品与焊锡热导率测试装置连接，待测微波产品进入稳定状态后获得测试结果并计算焊锡的热导率λ；
S2、热仿真：将热导率λ添加到仿真软件焊锡材料参数设置中并新建出焊锡材料，设置仿真边界条件，最终得出待测微波产品的热仿真结果，并通过热仿真结果对待测微波产品的热性能进行评估和优化。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，步骤S1包括：
S11、装置连接：将第一温度传感器固定在芯片上表面，将第二温度传感器固定在盒体内表面，将第一温度传感器、第二温度传感器与多功能开关控制器连接，将待测微波产品放置在液冷测试架并使待测微波产品分别与功率计和电源连接；
S12、通电：各组件通电，使待测微波产品处于工作状态；
S13、读数并计算焊锡热导率：当功率计显示的数值稳定即待测微波产品到达热稳态后，同时记录多功能开关控制器显示的第一温度传感器的温度值T1、第二温度传感器的温度值T2和功率计显示的功率P，计算焊锡层的厚度L、截面积A，根据下述公式计算得到焊锡层的热导率λ：
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，步骤S1中，待测微波产品包括盒体、设置在盒体内表面底部的芯片和将芯片固定在盒体中的焊锡层，第二温度传感器位于焊锡层一侧。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，步骤S2中，仿真边界条件包括待测微波产品的材料、散热形式、热源位置及大小、热仿真形式。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，第一温度传感器为热电偶丝。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，第二温度传感器为热电偶丝。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，步骤S11中，待测微波产品与功率计通过加电线连接，待测微波产品与电源通过加电线连接。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，步骤S11中，待测微波产品与液冷测试架通过螺钉固定。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，步骤S11中，液冷测试架为使待测微波产品安装面温度恒定的冷板。
本发明所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，作为优选方式，步骤S13中，截面积A由芯片的长和宽计算得到。
本发明的技术解决方案是：一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，包括下列步骤：
(1)准备以下相关测试设备及待测产品：液冷测试架、电源、功率计、热电偶丝、加电线、多功能开关控制器、待测产品。
(2)将相关测试设备与待测产品进行互联，在待测产品中加载两个温度测试点，分别为芯片上表面与产品盒体内表面。
(3)将各测试设备打开，使待测产品处于工作状态。随着芯片工作时间增加，芯片产生的热量随之增加，功率计和多功能开关控制器上的显示数值会发生变化。待功率计的数值显示稳定后，说明产品达到热稳态，分别读取待测产品中两处温度测试点的温度值。
(4)根据材料热导率的定义：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。可得出材料热导率的计算公式为：
计算得出微波组件产品中焊锡的热导率。
(5)通过测试得出的焊锡热导率对热仿真中的材料参数进行优化，对微波产品进行热仿真并得出仿真结果。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
(1)提供了一种测试设备方便易寻、测试方法简单易行的微波产品微组装用焊锡热导率的测试方法，保证了测试数值的准确性，使基于此参数进行产品热仿真的仿真结果更可靠，进一步提高产品热仿真对产品使用可靠性的现实指导意义。
(2)此测试方法可以实现对不同微波组件产品内部焊锡热导率的实时测试，保证热仿真过程中边界条件焊锡热导率参数设置的精确程度，精准评估产品的散热情况和产品长时间工作的可靠性。
附图说明
图1为一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法流程图；
图2为一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法步骤S1流程图；
图3为一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法温度测试点位置示意图；
图4为一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法温度测试点俯视图；
图5为一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法待测微波产品结构示意图；
图6为一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法仪器设备种类及连接关系图；
图7为一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法待测微波产品微波产品热仿真过程中焊锡参数建立示意图；
图8一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法加入测试得到的焊锡热导率参数后产品热仿真结果示意图。
附图标记：
1、待测产品；11、芯片；12、盒体；13、焊锡层；2、第一温度传感器；3、第二温度传感器；4、多功能开关控制器；5、液冷测试架；6、功率计；7、电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1所示，一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，包括以下步骤：
S1、焊锡热导率测试：将待测微波产品1与焊锡热导率测试装置连接，待测微波产品1进入稳定状态后获得测试结果并计算焊锡的热导率λ；
S2、热仿真：将热导率λ添加到仿真软件焊锡材料参数设置中并新建出焊锡材料，设置仿真边界条件，最终得出待测微波产品1的热仿真结果，并通过热仿真结果对待测微波产品1的热性能进行评估和优化。
实施例2
如图1所示，一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，包括以下步骤：
S1、焊锡热导率测试：将待测微波产品1与焊锡热导率测试装置连接，待测微波产品1进入稳定状态后获得测试结果并计算焊锡的热导率λ；
如图2-6所示，S11、装置连接：将第一温度传感器2固定在芯片11上表面，将第二温度传感器3固定在盒体12内表面，将第一温度传感器2、第二温度传感器3与多功能开关控制器4连接，将待测微波产品1放置在液冷测试架5并使待测微波产品1分别与功率计6和电源7连接；
待测微波产品1包括盒体12、设置在盒体12内表面底部的芯片11和将芯片11固定在盒体12中的焊锡层13，第二温度传感器3位于焊锡层13一侧；
第一温度传感器2为热电偶丝；第二温度传感器3为热电偶丝；待测微波产品1与功率计6通过加电线连接；待测微波产品1与电源7通过加电线连接；待测微波产品1与液冷测试架5通过螺钉固定；液冷测试架5为使待测微波产品1安装面温度恒定的冷板；
S12、通电：各组件通电，使待测微波产品1处于工作状态；
S13、读数并计算焊锡热导率：当功率计6显示的数值稳定即待测微波产品1到达热稳态后，同时记录多功能开关控制器4显示的第一温度传感器2的温度值T1、第二温度传感器3的温度值T2和功率计6显示的功率P，计算焊锡层13的厚度L、截面积A，根据下述公式计算得到焊锡层13的热导率λ：
截面积A由芯片11的长和宽计算得到；
S2、热仿真：如图7所示，将热导率λ添加到仿真软件焊锡材料参数设置中并新建出焊锡材料，设置仿真边界条件，最终得出待测微波产品1的热仿真结果，并通过热仿真结果对待测微波产品1的热性能进行评估和优化；
仿真边界条件包括待测微波产品1的材料、散热形式、热源位置及大小、热仿真形式。
实施例3
如图1-2所示，一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，
(1)准备以下相关测试设备及待测产品：液冷测试架(为待测产品安装面提供温度恒定的冷板)、电源(给待测产品供电)、功率计(监测产品工作稳定性)、热电偶丝(温度传感器)、加电线(连接电源与待测产品)、多功能开关控制器(读取温度)、待测产品。
(2)按图6所示的连接关系，将测试设备与待测产品进行互联。图5所示为待测产品内部结构，包含产品盒体、焊锡层和芯片三部分。按图3-4所示，通过热电偶丝在待测产品中加载两个温度测试点，加载位置分别为芯片上表面与产品盒体内表面。
(3)将各测试设备打开，使待测产品处于工作状态。随着芯片工作时间增加，芯片产生的热量随之增加，功率计和多功能开关控制器上的显示数值会发生变化。待功率计的数值显示稳定后，说明产品达到热稳态。此时，通过多功能开关控制器分别记录两个温度带测点的温度值：产品盒体内表面温度T1、芯片上表面温度T2。同时，测量出芯片下焊锡层的厚度L和截面积A。
(4)根据材料热导率的定义：在物体内部垂直于导热方向取两个相距1米，面积为1平方米的平行平面，若两个平面的温度相差1K，则在1秒内从一个平面传导至另一个平面的热量就规定为该物质的热导率。可得出材料热导率的计算公式为：
式中，λ为材料热导率，P为待测产品中芯片的损耗功率，L为焊锡层的厚度，A为焊锡层的横截面积，T1为产品盒体内表面温度，T2为芯片上表面温度。将第(3)步中测得的相关数值代入公式，即可得出焊锡的热导率。
以某产品为例，已知产品中芯片的总功耗为110W，测量得出焊锡层的厚度为0.1mm，通过测量并计算得出印制板的面积即焊锡层的横截面积为9mm2，通过上述方法测量得到产品盒体内表面温度为28℃，芯片上表面温度为87℃，代入公式可得出焊锡的热导率：
(5)对相关微波产品进行热仿真：将测试所得的焊锡热导率参数添加到焊锡材料参数设置中，在仿真软件中新建出焊锡这种材料。如图7所示。设置仿真边界条件，包括产品组件的材料、散热形式、热源位置和大小、热仿真形式等，最终得出产品热仿真结果，如图8所示，并通过仿真结果对产品热性能进行评估和优化。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、焊锡热导率测试：将待测微波产品(1)与焊锡热导率测试装置连接，所述待测微波产品(1)进入稳定状态后获得测试结果并计算焊锡的热导率λ；
所述待测微波产品(1)包括盒体(12)、设置在所述盒体(12)内表面底部的芯片(11)和将所述芯片(11)固定在所述盒体(12)中的焊锡层(13)，所述第二温度传感器(3)位于所述焊锡层(13)一侧；
S11、装置连接：将第一温度传感器(2)固定在芯片(11)上表面，将第二温度传感器(3)固定在盒体(12)内表面，将所述第一温度传感器(2)、所述第二温度传感器(3)与多功能开关控制器(4)连接，将所述待测微波产品(1)放置在液冷测试架(5)并使所述待测微波产品(1)分别与功率计(6)和电源(7)连接，所述第一温度传感器(2)为热电偶丝，所述第二温度传感器(3)为热电偶丝；
S12、通电：各组件通电，使所述待测微波产品(1)处于工作状态；
S13、读数并计算焊锡热导率：当所述功率计(6)显示的数值稳定即所述待测微波产品(1)到达热稳态后，同时记录所述多功能开关控制器(4)显示的所述第一温度传感器(2)的温度值T1、所述第二温度传感器(3)的温度值T2和所述功率计(6)显示的功率P，计算所述焊锡层(13)的厚度L、截面积A，根据下述公式计算得到所述焊锡层(13)的热导率λ：
S2、热仿真：将所述热导率λ添加到仿真软件焊锡材料参数设置中并新建出焊锡材料，设置仿真边界条件，最终得出所述待测微波产品(1)的热仿真结果，并通过所述热仿真结果对所述待测微波产品(1)的热性能进行评估和优化；
所述仿真边界条件包括所述待测微波产品(1)的材料、散热形式、热源位置及大小、热仿真形式。
2.根据权利要求1所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，其特征在于：步骤S11中，所述待测微波产品(1)与所述功率计(6)通过加电线连接，所述待测微波产品(1)与所述电源(7)通过加电线连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，其特征在于：步骤S11中，所述待测微波产品(1)与所述液冷测试架(5)通过螺钉固定。
4.根据权利要求1所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，其特征在于：步骤S11中，所述液冷测试架(5)为使所述待测微波产品(1)安装面温度恒定的冷板。
5.根据权利要求1所述的一种基于焊锡热导率测试的微波产品热仿真方法，其特征在于：步骤S13中，所述截面积A由所述芯片(11)的长和宽计算得到。
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