CN114137022A - 一种热电堆型热流密度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种用于板上芯片热流密度监测的基于印刷电路板(PCB)工艺的热电堆型热流密度传感器(HFS)，以PCB的FR4基板作为热阻层，通过在PCB基板两面加工多对并行错位布置的铜导线后，再在铜导线中线一侧镀镍构成镍包铜的导线构成多个热电偶。并通过过孔串联热电偶构成均匀分布于热阻层两侧的热电堆。其中基板两侧镍包铜导线的镍层的起始和终止位置分别构成热结点与冷结点。由于铜导线和铜镀镍导线构成的热电堆的冷热结点所在的FR4两侧存在温度梯度，根据塞贝克效应可知，热电堆将会产生正比于与FR4两侧温差的热电势，通过信号获取电路获取热电势即可实现热流密度传感。该热电堆型热流密度传感器具有方便灵活地嵌入在电子系统中的潜力，在尽可能小地影响下电子系统温度场的前提下，完成对芯片等电子器件的热流密度的测量。
Description
技术领域
本发明属于热流密度测量技术领域。
背景技术
随着数字芯片向低制程、高集成的方向发展和第三代半导体材料GaN在高功率、高热流密度芯片制造中的应用，热流密度作为热传输过程的重要参数，对其精密测量及散热控制在电子系统设计中显得日趋重要。随着工业现场对电子系统功能及数据吞吐量的要求不断增加，多个高功率、高热流密度芯片协同工作也在越来越多的电子系统中的到应用，使得电子系统的整体温度进一步升高以及温度场分布的进一步复杂。伴随着芯片等电子器件温度的升高，其电子系统的稳定性和可靠性就会逐渐降低。因此，对芯片等电子器件的温度测量得到了广泛研究。
在芯片等电子器件中电能绝大多数以热能的方式进行耗散，采用热流密度传感器通过对芯片等电子器件释放的热流密度进行测量，分析电子系统的功率耗散情况和系统的工作状态。Zhang等人提出了一种利用商用热电模块作为热流密度传感器测量电力电子器件热损耗的方法(Local Heat Flux Measurement in a Permanent Magnet Motor at NoLoad.IEEE Transactions on Industrial Electronics,Vol 60,No 11,4852-4860,Nov2013)，其热流测量范围为0-6W/cm2。该方法基于Seebeck和Peltier热电效应，优点是使用主动控制技术将热通量传感器的净热阻抗降至最低，从而减少传感器对被测设备工作温度的影响。Rencz等人设计了一种用于检测芯片封装热特性的热流密度传感器(Determination of the entropy change profile of a cylindrical lithium-ionbattery by heat flux measurements,Journal of Power Sources,Vol 330,61-69,Oct312016)，通过在硅片基底两侧掺杂金属元素构成相互反相串连的热电偶增大其输出热电势，其输出电势正比于通过硅基底的热流密度。其最大优点是可构成热流密度传感器阵列，准确地测得芯片封装局部热流密度水平分布。Demetrio等人设计了一种可用于测量芯片开关损耗的热流密度传感器(Heat flow sensor created by printed circuit boardmanufacturing processes,Proceedings of International Conference onElectronics Packaging,459-464,Apr 2018)，其利用温度传感器测量通过氧化铝基板的热流密度。其优点是引入热电模块吸收芯片等电子器件的热量，保持设备与室温环境相同，从而减少对流换热提高测量热流的准确性。在此基础上，Demetrio等人还提出了一种用PATA(Proportional to absolute temperature)COMS传感器测量芯片的热损耗值(Powerelectronics loss measurement using new heat flux sensor based onthermoelectric device with active control,IEEE Transactions on IndustryApplications,Vol 50,No 6,4098-4106,Dec 2014)，通过测量其热流可以测量动态重复条件下器件的开关损耗和导通损耗。Cherry等人(Cherry R J,Cirenza C F,and Diller TE,Heat Flux Gage,US Patent 10,393,598,Aug 2019)获得了热流密度传感器的专利。这种热流密度传感器是一种热电偶传感器，构成热电偶的热电偶由两种不同的金属串联组成。由于采用了串联的热电偶，因此不能用PCB工艺进行处理。这种热流密度传感器的处理可以通过在FR-4衬底上粘合或沉积两根不同的金属线，并串联形成热电偶来实现。附着在FR4衬底上的金属丝会形成突起，严重影响热流密度传感器与测量表面的可靠接触。虽然在本发明专利中提到FR-4材料可以作为热流密度传感器的衬底，而FR-4的材料是PCB衬底的首选材料，但根据PCB工艺不能实现这种热流密度传感器的加工制造。Elvira等人提出并研究了梯度热流密度传感器在风力电力电子系统局部热流测量中的应用(Application of aHeat Flux Sensor in Wind Power Electronics,Energies,Vol 9,No 6,1-14,Jun2016)，通过热流密度传感器实时在线测量绝缘栅场效应管(IGBT)的热功耗，从而分析出系统的工作情况。但是，上述传感器存在加工工艺复杂或影响芯片原有温度场等缺点。专利文献CN101819074 B公开了一种薄膜式热流密度传感器制造方法，其需要采用真空离子溅射的方法，工艺要求高，成本高。专利文献CN104359574A公开的“燃料电池内部温度-热流密度联测传感器”，其有五层材料，需要真空蒸发镀膜工艺。不仅结构复杂，而且加工工艺要求高。
发明内容
本发明针对以上现有技术存在的问题，提出一种基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器及其制备方法，用于电子系统中芯片等电子器件的热流密度监测，使其具备极好的嵌入性，能方便地集成在电子系统中，并能尽可能小地影响电子系统中原本的温度场分布同时完成在线实时测量任务。
本发明的技术方案如下：
一种热电堆型热流密度传感器，其是以PCB的FR4基板作为热阻层，在PCB基板两面加工多对并行错位布置的铜导线，将每条铜导线的半段线镀镍形成镍包铜导线构成多个热电偶，并通过过孔串联FR4基板两侧的热电偶构成均匀分布于热阻层两侧的热电堆，其中FR4基板两侧镍包铜导线的镍层的起始位置分别构成热结点与冷结点。整个传感器的信号线由置于PCB基板上并与铜导线相连的焊盘引出。
具有以上结构设计的热流密度传感器，由于FR4基板的厚度远小于其长和宽，可以忽略其边缘效应从而忽略其边缘散热，认为热流沿传感器厚度方向进行一维导热。考虑加载一均匀热流垂直于热流密度传感器表面，随着一维传热过程趋于稳定，由一维傅里叶传热定律可知，FR4基板上下两侧形成与热流密度成正比的温度梯度。由于铜导线和铜镀镍导线构成的热电堆的冷热结点所在的FR4两侧存在温度梯度，根据塞贝克效应可知，热电堆将会产生正比于与FR4两侧温差的热电势，通过信号获取电路获取热电势即可实现热流密度传感。
本发明中，将所述铜导线设计为并行错位布置，铜线在同一面上的并行间距和不同面上的错位间距应该在保证铜线不短路的前提下，越小越好，这样的设置会提高热电堆型热流密度传感器的分辨率和准确度。
本发明在所述热电堆型热流密度传感器通过增大热阻层FR4的厚度d，或者增加过孔距离l，或者镀镍厚度，提高热流密度传感器的灵敏度。
本发明中，所述热电堆型热流密度传感器传感得到的热流密度q的计算公式为：
其中，ρNi和ρCu分别为铜和镍的电阻率，SNi和SCu分别为铜与镍的截面面积，w为铜导线的线宽，hNi为电镀镍层的厚度，hCu为铜导线的厚度，U是热流密度传感器的输出热电势，N是组成热电堆的热电偶的对数，d为FR4基板构成的热阻层的厚度，λ为FR4基板的导热系数，S是所选金属构成热电偶的塞贝克系数。
通过选择金属构成热电偶的塞贝克系数S、铜导线的宽度w、过孔距离l、镀镍的厚度hNi和FR4热阻层的厚度d以及组成热电堆的热电偶的对数N，可以调整测头系数C
热堆型热流密度传感器的灵敏度k表示为
测头系数越小，其输出灵敏度越高。
本发明进一步还提供热电堆型热流密度传感器的制备方法，其包括如下步骤：
(a)选取与EDA软件设计的热流密度传感器结构模型几何尺寸一致的双面覆铜板，其中FR4为绝缘基板；
(b)在热流密度传感器结构模型设计的过孔位置钻孔，将基板上下表面打通；
(c)在钻孔孔壁表面沉积一层化学铜，使FR4基板两侧实现电连接；
(d)通过热压方式在FR4基板表面贴上抗蚀干膜；
(e)将EDA软件输出的原始底片作为掩膜板，进行曝光；
(f)得到发生聚合反应的感光干膜；
(g)显影；
(h)刻蚀覆铜板，然后将抗蚀层冲洗掉，得到EDA软件中设计的传感器未镀铜结构；
(i)将不需要镀镍部分保护起来；
(j)在铜导线上镀一层均匀致密的镍层。
本发明提出以上基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器结构能准确热流密度传感，具有方便灵活地嵌入在电子系统中的潜力，在尽可能小地影响下电子系统温度场的前提下，完成对芯片等电子器件的热流密度的测量。
附图说明
图1(a)是基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器的的传感原理与结构示意图；
图1(b)是基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器的结构示意图；
图2(a)是基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器的结构参数；
图2(b)是基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器的俯视图；
图2(c)是基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器的镀镍截面图；
图3是基于PCB工艺的热堆型热流密度传感器的加工流程图；
图4(a)是基于PCB工艺的热流密度传感器的布版图(正面)
图4(b)是基于PCB工艺的热流密度传感器的布版图(背面)
图5是基于PCB工艺的热流密度传感器的热流密度传感器的热电势随热流密度的变化曲线
图中标记：1-热电堆型热流密度传感器，2-FR4基板，3-板上铜导线，4-板上镍包铜导线，5-过孔，5-冷结点，6-热结点，7-板下铜导线，8-冷结点，9-板下镍包铜导线，10-焊盘，11-镍包铜过孔。
具体实施方式
以下结合附图进一步详细说明本发明。
实施例1.热电堆型热流密度传感器的结构
本发明提出的基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器1的结构参见图1(a)和图1(b)，热流密度传感器以PCB的FR4基板2作为热阻层。在FR4基板两侧加工多对平行且错位布置的铜导线3，再在铜导线的中点的一侧镀镍构成镍包铜导线4，构成多个热电偶。FR4基板两侧的镍包铜导线4通过PCB中的过孔5和镍包铜过孔11串联构成均匀分布于热阻层两侧的热电堆，实现热流密度传感。其中，基板两侧的镍包铜导线4的镍层的起始位置分别构成热结点7与冷结点8。热电堆产生的热电势通过电极10输出实现热流密度传感。
以上结构，由于FR4基板的厚度远小于其长和宽，则可以忽略其边缘效应从而忽略其边缘散热，认为热流沿传感器厚度方向进行一维导热。考虑加载一均匀热流垂直于热流密度传感器表面，随着一维传热过程趋于稳定，由一维傅里叶传热定律可知，FR4基板上下两侧形成与热流密度成正比的温度梯度。由于铜导线和铜镀镍导线构成的热电堆的冷热结点所在的FR4两侧存在温度梯度，根据塞贝克效应可知，热电堆将会产生正比于与FR4两侧温差的热电势，通过信号获取电路获取热电势即可实现热流密度传感。
图2(a)和2(b)所示分别为热堆型热流密度传感器的结构参数和俯视图。由于通过PCB工艺可以在FR4基板上刻蚀出构成热电偶的铜导线，而不能直接在FR4基板上电镀镍，因此，先在FR4基板上加工铜导线，再在其上电镀镍层。电镀镍后的热流密度传感器及其镀镍横截面如图2(c)所示，4-1为镍包铜导线的镍层，4-2为镍包铜导线的铜导线。
热流密度传感器传感得到的热流密度q为
式中ρNi和ρCu分别为铜和镍的电阻率，SNi和SCu分别为铜与镍的截面面积，w为铜导线的线宽，hNi为电镀镍层的厚度，hCu为铜导线的厚度。式中T1和T0分别为热流密度传感器的FR4基板构成的热阻层两侧温度，d为其厚度，λ为FR4基板的导热系数，负号表示热量传递方向与温度升高方向相反。式中S为铜导线和镍导线构成热电偶的塞贝克系数。
因此，在热流密度传感器的几何结构、尺寸参数以及制作材料确定的情况下，待测热流密度与输出热电势为正比关系。
基于PCB工艺的热堆型热流密度传感器的测头系数C指的是当热流密度为q(只取其数值)的热流垂直加载在热流密度传感器感温面时，产生的单位热电势。根据式(4)，C可以表示为
基于PCB工艺的热堆型热流密度传感器的灵敏度k可表示为
由以上分析得，热流密度传感器的测头系数越小，其输出灵敏度越高。同时，影响传感器测头系数的因素包括所选金属构成热电偶的塞贝克系数S、铜导线的宽度w、过孔距离l、镀镍的厚度hNi和FR4热阻层的厚度d以及组成热电堆的热电偶的对数N。
实施例2.热流密度传感器的制备工艺：
本发明基于理论分析与仿真结果，采用EDA软件设计了基于PCB工艺的热电堆型热流密度传感器。基于PCB工艺的热堆型热流密度传感器加工流程如图3所示：
(a)选取与EDA软件中热流密度传感器结构模型几何尺寸(长、宽、高)的双面覆铜板，其中FR4为绝缘基板。
(b)在板材上过孔位置钻孔，将基板表面上下表面打通。
(c)通过化学铜(PTH)等方式在钻孔孔壁表面沉积一层化学铜，使FR4基板两侧实现电连接。
(d)通过热压方式在铜表面贴上抗蚀干膜。
(e)将EDA软件输出的原始底片作为掩膜板，经过UV光照射进行曝光，掩膜板遮盖部分未发生聚合反应，而掩膜板未遮盖部分将发生聚合反应。
(f)发生聚合反应的感光干膜。
(g)用碱液(如K2CO3)将未发生聚合反应的感光干膜冲洗掉，称为显影。
(h)利用刻蚀剂(如CuCl2)对覆铜板进行刻蚀，没有抗蚀层遮盖部分将会被反应掉，刻蚀之后，利用强碱(如NaOH)将抗蚀层冲洗掉，此时，完成了EDA软件中设计的传感器未镀铜的结构。
(i)将不需要电镀部分利用蜡封等方式保护起来，需要镀镍部分不需要处理。
(j)采用电镀方式在铜导线上镀一层均匀致密的镍层。
按照上述步骤加工完成的基于PCB工艺的热堆型热流密度传感器的布版图的正面和背面分别如图4(a)和4(b)所示。
实施例3.验证实验
对加工的热流密度传感器的标定及测试实验，主要测试基于PCB工艺的热堆型热流密度传感器输出热电势与加载在其表面热流密度的关系。实验测量的基于PCB工艺制备的热电堆型热流密度传感器的热电势随热流密度的变化曲线如图5所示。传感器的非线性误差为1.59％，较小的非线性误差表明热流密度传感器的输出值与拟合值的相对偏离较小，传感器的测量线性度较高。
由以上的各实施例可见，本发明提出的可用于板上芯片热流密度监测的基于印刷电路板(Printed circuit board,PCB)工艺的热电堆型热流密度传感器(Heat fluxsensor,HFS)具有如下特点：
1、该热电堆型热流密度传感器能够实现热流密度传感。
2、FR4热阻层厚度越厚，其灵敏度越大，但其响应时间增大；传感器灵敏度随着PCB的过孔距离增大而增大；镀镍厚度越大，其灵敏度越大，但是由于镀镍层的增厚，使得热电偶热结点温度降级，灵敏度有了微小降低。
3、热流密度传感器因全部采用PCB制备工艺加工，所以可方便灵活地嵌入电子系统中，在较小影响芯片热场的情况下可测得芯片释放到PCB的热流密度。实验结果表明热流密度传感器可以测得芯片传向PCB的热流密度进而求得芯片向PCB传递的热量。
4、由于热电堆型热流密度传感器采用PCB工艺加工制造，因此具有成本低、加工工艺简单、能批量化生产以及能与现有电子器件兼容的特点，可被广泛应用于芯片等电子器件的热管理中。
Claims (8)
1.一种热电堆型热流密度传感器，其特征在于，以PCB的FR4基板作为热阻层，在FR4基板两面加工多对并行错位布置的铜导线，将每条铜导线的半段线镀镍形成镍包铜导线构成多个热电偶，并通过过孔串联FR4基板两侧的热电偶构成均匀分布于热阻层两侧的热电堆，其中FR4基板两侧镍包铜导线的镍层的起始位置分别构成热结点与冷结点，由于铜导线和镍包铜导线构成的热电堆的冷热结点所在的FR4两侧存在温度梯度，根据塞贝克效应可知，热电堆将会产生正比于与FR4两侧温差的热电势，通过信号获取电路获取热电势即可实现热流密度传感。整个传感器的信号线由置于FR4基板上并与铜导线相连的焊盘引出。
2.根据权利要求1所述的热电堆型热流密度传感器，其特征在于，所述并行错位布置的铜导线的效果相当于将一条铜线缠绕于FR4基板两侧，以传感FR4基板两侧的温度得到感应电势，从而获得整个FR4基板面的热流密度信息。
3.根据权利要求1所述的热电堆型热流密度传感器，其特征在于，所述热电堆型热流密度传感器可以通过增大热阻层FR4的厚度d，或者增加过孔距离l，或者镀镍厚度，来提高热流密度传感器的灵敏度。
4.根据权利要求1所述的热电堆型热流密度传感器，其特征在于，所述热电堆型热流密度传感器传感得到的热流密度q的计算公式为：
其中，ρNi和ρCu分别为铜和镍的电阻率，SNi和SCu分别为铜与镍的截面面积，w为铜导线的线宽，hNi为电镀镍层的厚度，hCu为铜导线的厚度，U是热流密度传感器的输出热电势，N是组成热电堆的热电偶的对数，d为FR4基板构成的热阻层的厚度，λ为FR4基板的导热系数，S是所选金属构成热电偶的塞贝克系数。
5.根据权利要求1所述的热电堆型热流密度传感器，其特征在于，通过选择金属构成热电偶的塞贝克系数S、铜导线的宽度w、过孔距离l、镀镍的厚度hNi和FR4热阻层的厚度d以及组成热电堆的热电偶的对数N，调整测头系数C
热堆型热流密度传感器的灵敏度k表示为
测头系数越小，其输出灵敏度越高。
6.一种热电堆型热流密度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)选取与EDA软件设计的热流密度传感器结构模型几何尺寸一致的双面覆铜板，其中FR4为绝缘基板；
(b)在热流密度传感器结构模型设计的过孔位置钻孔，将基板上下表面打通；
(c)在钻孔孔壁表面沉积一层化学铜，使FR4基板两侧实现电连接；
(d)通过热压方式在FR4基板表面贴上抗蚀干膜；
(e)将EDA软件输出的原始底片作为掩膜板，进行曝光；
(f)得到发生聚合反应的感光干膜；
(g)显影；
(h)刻蚀覆铜板，然后将抗蚀层冲洗掉，得到EDA软件中设计的传感器未镀铜结构；
(i)将不需要镀镍部分保护起来；
(j)在铜导线上镀一层均匀致密的镍层。
7.权利要求1-5任一项所述的热电堆型热流密度传感器在芯片及电子器件等电子器件上的应用。
8.权利要求1-5任一项所述的热电堆型热流密度传感器作为可嵌入式的热流密度传感器的应用。
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| CN202111452138.1A CN114137022A (zh) | 2021-11-30 | 2021-11-30 | 一种热电堆型热流密度传感器 |
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