CN114544699A - 一种材料热阻和导热系数的测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种材料热阻和导热系数的测试方法，包括：将待测材料布置在恒温热沉上；将MOSFET功率器件贴装在待测材料上；使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随时间变化的第一加热曲线；拆除待测材料，并将MOSFET功率器件贴装在恒温热沉上；使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随温度变化的第二加热曲线；根据第一加热曲线和第二加热曲线拟合计算出待测材料的热阻；以及根据热阻确定待测材料的导热系数。
Description
技术领域
本发明涉及材料热特性测试领域，尤其涉及一种材料热阻和导热系数的测试方法。
背景技术
材料的导热系数是材料本身固有的属性，其不仅与材料的物质种类有关，而且与材料的微观结构、填料含量等由密切关系。在实际科学实验与工程设计中，导热系数的测试方法有许多，这些方法具有不同的适用领域、测量范围、精度、准确度和试样尺寸等要求。目前材料导热系数测试的主要方法有稳态和非稳态，在导热硅脂领域主要是稳态热板法(参照标准：ASTM D5470)以及瞬态平面热源法(参考标准ISO 22007-2)。稳态热板法存在以下问题：对材料的厚度和样品尺寸有一定的要求，同时热源功耗难以控制，而且其测量范围和精度有一定的极限。瞬态测试也存在一定的问题：例如此方法只适用于测试均质材料的导热系数，不适合测量各向异性的材料，如石墨片。当前已有大量的导热系数测试方法，但没有任何一种方法能适用于所有产品、所有场合或者至少大多数产品和场合，而且产品特性、测试标准、测试环境等都会对导热系数的结果产生影响。需要开发一种适用于大多数材料的导热系数的测试方法。
发明内容
本发明的任务是提供一种材料热阻和导热系数的测试方法，采用功率可控的MOSFET功率器件作为加热源，并结合T3ster热阻测试设备，实现了对多种导热材料的热阻和导热系数的准确测量，并且该方法操作简单、结果准确。
根据本发明，前述任务通过一种材料热阻和导热系数的测试方法来解决，包括：
将待测材料布置在恒温热沉上；
将MOSFET功率器件贴装在待测材料上；
使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随时间变化的第一加热曲线；
拆除待测材料，并将MOSFET功率器件贴装在恒温热沉上；
使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随温度变化的第二加热曲线；
根据第一加热曲线和第二加热曲线拟合计算出待测材料的热阻；以及
根据热阻确定待测材料的导热系数。
进一步地，其中根据第一加热曲线和第二加热曲线拟合计算出待测材料的热阻包括：
根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数；
根据所述K系数和第一加热曲线确定热阻和热容的结构函数曲线，并根据结构函数曲线确定待测材料的热阻。
进一步地，所述将待测材料布置在恒温热沉上的步骤之前，还包括：
测量待测材料的尺寸；
将MOSFET功率器件与热阻测试设备连接，热阻测试设备与计算机连接；以及
设置MOSFET功率器件的加热电流。
进一步地，所述热阻测试设备是T3ster热阻测试设备。
进一步地，其中测量待测材料的尺寸包括：
测量待测材料的厚度δ和待测材料的传热面积A。
进一步地，其中根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数包括：计算机中的T3ster分析软件根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数。
进一步地，其中根据所述K系数和第一加热曲线确定热阻和热容的结构函数曲线，并根据结构函数曲线确定待测材料的热阻包括：
计算机中的T3ster分析软件根据K系数将第一加热曲线进行数学变换得到热阻和热容的结构函数曲线，并从结构函数曲线的两个极大值点中分离出待测材料的热阻。
进一步地，其中从结构函数曲线的两个极大值点中分离出待测材料的热阻包括：
在分离待测材料的热阻时，以结构函数曲线中的极大值点为分离点，结构函数曲线中最右侧的分离点的热阻值为MOSFET功率器件、待测材料和恒温热沉的总热阻，次右侧的分离点的热阻值为MOSFET功率器件和恒温热沉的总热阻，结构函数曲线的两个分离点的热阻值之差为待测材料的热阻。
进一步地，其中根据热阻确定待测材料的导热系数包括：
根据导热系数的计算公式和待测材料的热阻的确定待测材料的导热系数：
本发明至少具有下列有益效果：本发明提供了一种材料热阻和导热系数的测试方法，采用功率可控的MOSFET功率器件作为加热源，并结合T3ster热阻测试设备，实现了对多种导热材料的热阻和导热系数的准确测量；该测试方法基于一维稳态的热流法，可以测试出材料的热阻和导热系数两个参量；在测试过程中，待测材料与热沉直接热接触，可以模拟待测材料在真实工作条件下的散热状态；该测试方法以MOSFET功率器件作为加热源，拓展了T3ster热阻测试设备的应用范围。
附图说明
下面结合附图参考具体实施例来进一步阐述本发明。
图1示出了根据本发明的使用MOSFET功率器件作为热源测试材料热阻和导热系数的原理示意图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的材料的热阻和导热系数的测试流程；
图3示出了根据本发明的一个实施例的MOSFET功率器件加热过程中的温度与电压的关系曲线示意图；以及
图4出了根据本发明的一个实施例的结构函数曲线示意图。
具体实施方式
应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。
在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。
在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。
在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。
在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。
在此还应当指出，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是明示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性。
另外，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。
图1示出了根据本发明的使用MOSFET功率器件作为热源测试材料热阻和导热系数的原理示意图。
本申请的热阻和导热系数测试方法基于T3ster热阻测试设备以及可控热源MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effective Transistor,金属-氧化物半导体场效应管)功率器件，并结合稳态测试法的基本原理，可以同时测试材料的热阻和导热系数，并且该方法适用于不同类型的材料，拓展了T3ster热阻测试设备的应用领域和作用。
在测试材料的导热系数时，以MOSFET功率器件作为加热热源，MOSFET功率器件的实际功耗由加热电流控制，利用分离法测试出待测材料的热阻和导热系数。首先测量待测材料的具体厚度和待测材料的传热面积。然后，将待测材料置于MOSFET功率器件和热沉之间，对待测材料施加一定的热流量和压力，使热流穿过待测材料；随后将MOSFET功率器件直接贴装在热沉上，在相同功耗下测试热流的传输路径，经过T3ster分析软件拟合计算出两次测试的总热阻之间的差值，该差值就是待测材料的热阻；最后根据热阻和导热系数的关系直接计算出待测材料的导热系数。
图2示出了根据本发明的一个实施例的材料的热阻和导热系数的测试流程。
如图2所示，材料的热阻和导热系数的测试步骤如下：
步骤1，测量待测材料的尺寸，待测材料的尺寸包括待测材料的厚度δ和待测材料的传热面积A。
步骤2，将MOSFET功率器件与T3ster热阻测试设备连接，T3ster热阻测试设备与计算机连接。计算机中内置有T3ster分析软件。
步骤3，设置MOSFET功率器件的加热电流。加热电流为恒定电流，根据待测材料的尺寸确定加热电流，待测材料的尺寸越大，MOSFET功率器件的加热电流越大。MOSFET功率器件的功耗通过加热电流确定，P＝UI，其中P是功耗，I是电流，U是该MOSFET功率器件的电压。
步骤4，将待测材料布置在恒温热沉上。将待测材料通过螺丝紧固至恒温热沉。在此，恒温热沉的材料为铝，还可以是铜等其他金属材料。
步骤5，将MOSFET功率器件贴装在待测材料上。
步骤6，使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用T3ster热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随时间变化的第一加热曲线。具体的，使用MOSFET功率器件中的寄生二极管作为加热源对待测样品进行加热直至热流传输路径达到热平衡。在本申请中，术语“热平衡”是指MOSFET功率器件生成的热量等于热沉吸收的热量，使得热流传输路径(即从MOSFET功率器件到热沉由热流流经的物质)的热状态(如温度)不再变化。
步骤7，拆除待测材料，并将MOSFET功率器件贴装在恒温热沉上。冷却至室温后，将待测材料拆除，然后直接将MOSFET功率器件贴装在恒温热沉上。
步骤8，使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用T3ster热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随温度变化的第二加热曲线。具体的，使用MOSFET功率器件的寄生二极管作为加热源加热恒温热沉直至热流传输路径达到热平衡。在此，MOSFET功率器件的寄生二极管加热热沉时的加热电流与加热待测材料时的加热电流相同。
步骤9，根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数。具体的，T3ster分析软件根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数，其中K系数为温度电压系数。
步骤10，根据所述K系数和第一加热曲线确定热阻和热容的结构函数曲线，并根据结构函数曲线确定待测材料的热阻。具体的，T3ster分析软件根据的K系数将第一加热曲线进行数学变换得到热阻和热容的结构函数曲线，并从结构函数曲线的两个极大值点中分离出待测材料的热阻。在分离待测材料的热阻时，以结构函数曲线中的极大值点为分离点，结构函数曲线中最右侧的分离点的热阻值为MOSFET功率器件、待测材料和恒温热沉的总热阻，次右侧的分离点的热阻值为MOSFET功率器件和恒温热沉的总热阻，结构函数曲线的两个分离点的热阻值之差为待测材料的热阻。
步骤11，根据热阻确定待测材料的导热系数。具体的，根据热阻与导热系数的关系计算出待测材料的导热系数，导热系数的计算公式：
其中λ是待测材料的导热系数，δ是待测材料的厚度，R是待测材料的热阻，A是待测材料的传热面积。
图3示出了根据本发明的一个实施例的MOSFET功率器件加热过程中的温度与电压的关系曲线示意图；图4出了根据本发明的一个实施例的结构函数曲线示意图。
本实施例测试导热硅脂的热阻和导热系数，测试步骤如下：
步骤1，测量导热硅脂的尺寸，导热硅脂的厚度δ为1mm，导热硅脂的传热面积A为13mm×8mm＝104mm2。
步骤2，将MOSFET功率器件与T3ster热阻测试设备连接，T3ster热阻测试设备与计算机连接。
步骤3，根据导热硅脂的尺寸设置MOSFET功率器件的加热电流。
步骤4，通过螺丝将导热硅脂紧固至恒温热沉。在此，以铝片作为恒温热沉。
步骤5，将MOSFET功率器件贴装在导热硅脂上，然后将MOSFET功率器件、导热硅脂和恒温热沉放入干式恒温槽。
步骤6，使用MOSFET功率器件中的寄生二极管作为加热源对导热硅脂进行加热直至热流传输路径达到热平衡，使用T3ster热阻测试设备记录MOSFET功率器件的电压随时间变化的曲线，称为第一加热曲线。
步骤7，拆除导热硅脂，并将MOSFET功率器件贴装在恒温热沉上，然后将MOSFET功率器件和恒温热沉放入干式恒温槽。
步骤8，使用MOSFET功率器件中的寄生二极管作为加热源加热恒温热沉至热流传输路径达到热平衡，使用T3ster热阻测试设备记录MOSFET功率器件的电压随温度变化的第二加热曲线。在此，MOSFET功率器件的寄生二极管的加热恒温热沉时的加热电流与加热导热硅脂时的加热电流相同。
步骤9，T3ster分析软件拟合计算出MOSFET功率器件的K系数。如图3所示，T3ster分析软件根据记录的第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数为2.057mV/℃。
步骤10，T3ster分析软件根据的K系数将第一加热曲线进行数学变换得到出热阻和热容的结构函数曲线，并从结构函数曲线的两个极大值点中分离出导热硅脂的热阻，其中结构函数的两个极大值点的热阻值之差为导热硅脂的热阻。如图4所示，结构函数曲线的最右侧分离点的热阻值为MOSFET功率器件、导热硅脂和恒温热沉的总热阻Rja，Rja＝5.9℃/W，次右侧分离点的热阻值为MOSFET功率器件和恒温热沉的总热阻Rjb，Rjb＝3.8℃/W，则导热硅脂的热阻R为2.1℃/W。
步骤11，根据热阻与导热系数的关系计算出导热硅脂的导热系数。
其中λ是导热硅脂的导热系数，δ是导热硅脂的厚度，R是导热硅脂的热阻，A是导热硅脂的传热面积。
本发明至少具有下列有益效果：本发明提供了一种材料热阻和导热系数的测试方法，采用功率可控的MOSFET功率器件作为加热源，并结合T3ster热阻测试设备，实现了对多种导热材料的热阻和导热系数的准确测量；该测试方法基于一维稳态的热流法，可以测试出材料的热阻和导热系数两个参量；在测试过程中，待测材料与热沉直接接触，可以模拟待测材料在真实工作条件下的散热状态；该测试方法以MOSFET功率器件作为加热源，拓展了T3ster热阻测试设备的应用范围。
虽然本发明的一些实施方式已经在本申请文件中予以了描述，但是本领域技术人员能够理解，这些实施方式仅仅是作为示例示出的。本领域技术人员在本发明的教导下可以想到众多的变型方案、替代方案和改进方案而不超出本发明的范围。所附权利要求书旨在限定本发明的范围，并藉此涵盖这些权利要求本身及其等同变换的范围内的方法和结构。
Claims (9)
1.一种材料热阻和导热系数的测试方法，包括：
将待测材料布置在恒温热沉上；
将MOSFET功率器件贴装在待测材料上；
使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随时间变化的第一加热曲线；
拆除待测材料，并将MOSFET功率器件贴装在恒温热沉上；
使MOSFET功率器件发热直至热流传输路径达到热平衡，使用热阻测试设备来记录MOSFET功率器件的电压随温度变化的第二加热曲线；
根据第一加热曲线和第二加热曲线拟合计算出待测材料的热阻；以及
根据热阻确定待测材料的导热系数。
2.根据权利要求1所述的材料热阻和导热系数的测试方法，其中根据第一加热曲线和第二加热曲线拟合计算出待测材料的热阻包括：
根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数；
根据所述K系数和第一加热曲线确定热阻和热容的结构函数曲线，并根据结构函数曲线确定待测材料的热阻。
3.根据权利要求1所述的材料热阻和导热系数的测试方法，所述将待测材料布置在恒温热沉上的步骤之前，还包括：
测量待测材料的尺寸；
将MOSFET功率器件与热阻测试设备连接，热阻测试设备与计算机连接；以及
设置MOSFET功率器件的加热电流。
4.根据权利要求3所述的材料热阻和导热系数的测试方法，其特征在于，所述热阻测试设备是T3ster热阻测试设备。
5.根据权利要求3所述的材料热阻和导热系数的测试方法，其中测量待测材料的尺寸包括：
测量待测材料的厚度δ和待测材料的传热面积A。
6.根据权利要求2所述的材料热阻和导热系数的测试方法，其中根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数包括：
计算机中的T3ster分析软件根据第二加热曲线拟合计算出MOSFET功率器件的K系数。
7.根据权利要求2所述的材料热阻和导热系数的测试方法，其中根据所述K系数和第一加热曲线确定热阻和热容的结构函数曲线，并根据结构函数曲线确定待测材料的热阻包括：
计算机中的T3ster分析软件根据K系数将第一加热曲线进行数学变换得到热阻和热容的结构函数曲线，并从结构函数曲线的两个极大值点中分离出待测材料的热阻。
8.根据权利要求7所述的材料热阻和导热系数的测试方法，其中从结构函数曲线的两个极大值点中分离出待测材料的热阻包括：
在分离待测材料的热阻时，以结构函数曲线中的极大值点为分离点，结构函数曲线中最右侧的分离点的热阻值为MOSFET功率器件、待测材料和恒温热沉的总热阻，次右侧的分离点的热阻值为MOSFET功率器件和恒温热沉的总热阻，结构函数曲线的两个分离点的热阻值之差为待测材料的热阻。
9.根据权利要求8所述的材料热阻和导热系数的测试方法，其中根据热阻确定待测材料的导热系数包括：
根据导热系数的计算公式和待测材料的热阻的确定待测材料的导热系数：
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