CN1959392B - 测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其包括一基底，一加热装置，一散热装置，一监控系统，及一原子力显微镜；该监控系统具有一温度检测部及一温度控制部，该温度检测部与基底相连，用于检测基底的温度，该温度控制部分别与加热装置及散热装置相连，用于实现对加热装置及散热装置的控制。本发明还提供一种测量导热片随温度变化其结构变化状况的方法。

Description

测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置及方法

【技术领域】

本发明是关于一种测量导热片结构变化状况的装置及其测量方法。

【背景技术】

近年来，随着半导体元件集成工艺的快速发展，半导体元件的集成化程度越来越高，元件体积却变得越来越小，对散热的要求越来越高，因此散热成为一个非常重要的问题，为满足这些需要，各种散热方式被广泛采用，如利用风扇散热、水冷辅助散热及热管散热等方式，并取得一定散热效果。但因散热器与半导体元件接触表面的不平整性，没有一个理想的接触介面，这样从根本上影响了半导体元件向散热器进行热传递的效果，因此在散热器与半导体元件的接触介面间增加一导热系数较高的热介面材料来增加介面的接触程度就显得十分必要。

通常所用的热介面材料包括导热膏、导热片以及相变化材料等，导热膏是一无固定形状的流体，相变化材料工作过程中会发生固-液相变化，因此其工作过程中也无固定形状，作为热介面材料时，导热膏、相变化材料的形状变化对其导热性能的影响考虑较少。

而导热片是具有一定形状的固体导热片，其工作时通常设置于发热元件与散热底座之间，发热元件与散热底座直接扣合或借助外力扣合以使导热片与发热元件及散热底座紧密结合，然而，发热元件的工作温度通常不稳定，导热片往往受温度变化影响而结构会发生变化，且随温度的升高、降低，其结构变化程度往往不同，如初始状态，导热片与发热元件及散热底座处于紧密结合，当温度升高时，导热片体积膨胀仍然与发热元件及散热底座紧密结合，而当温度降低时，有可能其体积收缩程度大于膨胀程度，而此时扣合力不变，从而使得导热片与发热元件及散热底座之间出现空隙，影响发热元件的散热效果。

因此，研究导热片随温度变化其结构变化状况，对于散热模组或其扣具的设计上具有重要指导意义，如散热模组与发热元件的扣合程度，可确保当导热片发生最大收缩程度时，也能将发热元件、导热片及散热模组三者紧密结合。

因此，有必要提供一种能够精确测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置及方法。

【发明内容】

以下将以实施例说明一种测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置及方法。

一种测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其包括一基底，用于盛载待测导热片，一加热装置，用于加热基底，一散热装置，用于对基底散热，一监控系统，其具有一温度检测部及一温度控制部，以及一原子力显微镜，其具有一探针；该温度检测部与基底相连，用于检测基底的温度，该温度控制部分别与加热装置及散热装置相连，用于实现对加热装置及散热装置的控制。

一种测量导热片随温度变化其结构变化状况的方法，其包括以下步骤：将一待测导热片设置在一基底上；利用一加热装置对该基底进行加热，从而使待测导热片受热；利用一监控系统对该加热装置进行控制，以实现对待测导热片的温度的控制；提供一原子力显微镜，在第一温度条件下，在导热片表面进行扫描，测出导热片表面各原子在该温度下的变化情况，得到该温度条件下的导热片表面结构的变化图像一；在第二温度条件下，在导热片表面进行扫描，测出导热片表面各原子在该温度下的变化情况，得到该温度条件下的导热片表面结构的变化图像二；对比图像一与图像二，得到从第一温度变化到第二温度情况下，导热片的表面结构的变化状况。

上述测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其优点在于：首先，温度发生微小变化条件下，该装置可实现宏观物体结构发生纳米尺度变化的精确测量；其次，导热片与加热装置之间设置一基底，通过基底传热而使导热片受热，通过散热模组散热来控制导热片的温度，模拟导热片工作时的受热及散热途径，在温度变化条件下，对导热片相应的结构变化进行测量，这样所测结果能够更准确显示导热片工作过程所发生的结构改变。

【附图说明】

图1是本实施例测量纳米薄膜受热后其结构变化状况的装置的示意图。

【具体实施方式】

下面将结合附图及实施例对上述测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置及方法作一步详细说明。

请参阅图1，本实施例提供一种用于测量导热片，如一具有导热性能的纳米薄膜，其受热后结构变化状况的测量装置10，该测量装置10包括一基底11，一加热装置12，一散热装置13，一监控系统14以及一原子力显微镜15。监控系统14包括一温度感测部141及一温度控制部142，该温度感测部141与基底11相连，用于感测基底11的即时温度，即每一时间点的温度；温度控制部142与加热装置12及散热装置13分别相连，用于分别控制加热装置12及散热装置13。散热装置13包括一散热底座131、多个散热鳍片132以及风扇133。该原子力显微镜15具有一探针151及一悬臂152。

该基底11放置在加热装置12可加热到的位置，该散热装置13用于对基底11进行散热，其放置在能够对基底11散热的位置，一待测纳米薄膜17设置在基底11上。当然，纳米薄膜17可直接放置在加热装置12可加热到的位置，但考虑到纳米薄膜17用于热介面材料时，其工作过程中获得热量的途径是通过发热元件传递所得，本实施例中，模拟纳米薄膜17工作时的受热途径而进行加热，因此将纳米薄膜17设置在基底11上，通过加热基底11而使纳米薄膜17受热。

为使纳米薄膜17能及时被加热及被冷却，本实施例中的基底11与散热底座131均采用一矩形体，加热装置12是一矩形加热板，纳米薄膜17是一矩形片，进一步利用一固定装置16将纳米薄膜17、基底11、加热装置12以及散热底座131紧密固定在一起。固定装置16包括一第一固定件161及一第二固定件162，第一固定件161用于将纳米薄膜17紧压在基底11上，第二固定件162用于将基底11、加热装置12以及散热底座131紧固在一起。

原子力显微镜15的探针151与纳米薄膜17相接触。待测纳米薄膜17是一种热介面材料，如高导热纳米材料，如金、银等。

利用测量装置10测量纳米薄膜17的方法，包括以下步骤：

首先，将待测纳米薄膜17放置在基底11上，使原子力显微镜15的探针151对纳米薄膜17进行探测。

其次，利用加热装置12对该基底11进行加热，从而使待测纳米薄膜17受热。

加热装置12可直接接触纳米薄膜17对其进行加热。考虑到当纳米薄膜17用于热介面材料时，其工作过程中获得热量的途径是通过发热元件传递所得，因此本实施例将模拟纳米薄膜17工作时的受热途径对其进行加热，如基底11类似于一发热元件，由于本实施例中基底11自身无发热功能，因此通过加热装置12对其进行加热而使其受热，受热后的基底11会及时将热量传递于纳米薄膜17，随着纳米薄膜17温度的变化，其结构会相应发生变化。

再次，利用监控系统14对该加热装置12进行控制，以实现对待测纳米薄膜17的温度的控制；

热介面材料工作环境的温度如50～55℃，可作为本实施例测量纳米薄膜17的温度范围。为使测量结果更能反映纳米薄膜17作为热介面材料的实际工作时的结构变化，本实施例通过变化基底11的温度来测量纳米薄膜17的结构变化。

监控系统14配合加热装置12可实现对基底11温度的控制。监控系统14可根据基底11温度变化的需要，对加热装置12的加热强度进行控制，如要测量52℃时，纳米薄膜17表面结构的变化状况，那么在纳米薄膜17整个表面测量过程中，需保持52℃不变。当基底11温度超过52℃时，监控系统14可控制加热装置12，使其降低加热强度来降低基底11的温度至52℃，而当基底11温度低于52℃时，监控系统14可控制加热装置12，使其提高加热强度来升高基底11的温度至52℃。

由于纳米薄膜17作为热介面材料时，与纳米薄膜17直接接触的发热元件是通过散热模组的散热来降低其温度，因此本实施例中，利用散热模组13配合加热装置12，实现对基底11温度的控制。

例如，要测52℃条件下，纳米薄膜17表面结构变化状况。温度感测部141连接在基底11上，实现对基底11温度的瞬时测量，并将所测结果传送于温度控制部142，温度控制部142会对偏离52℃的讯号分别采取不同行动。当温度低于52℃时，温度控制部142将控制加热装置12加大加热力度，一旦温度升至52℃时，温度控制部142将控制加热装置12进入平衡加热状态。当温度高于52℃时，温度控制部142将控制散热装置13进行散热，一旦温度降至52℃时，温度控制部142将控制散热装置13停止散热或减小散热力度。此过程便实现对纳米薄膜17所处温度环境的控制。

最后，利用原子力显微镜15，实现对纳米薄膜17受热后的结构变化状况的瞬时测量。

原子力显微镜15的探针151的尖端与试样表面接触时，悬臂152的弹性系数与原子间作用力常数相等，因此探针151的尖端原子与试样表面原子间的作用力会使探针151在垂直方向上移动，即试样表面的高低起伏使探针151作上下移动，而藉由调整探针151与试样表面的距离，便可在扫描过程中维持固定的原子力，探针151的上下移动量、探针151与试样表面的距离的调整量、固定的原子力形成一函数关系，而原子力显微镜通常自带有电脑系统，其可将该函数关系以图像形式显示出来。

下面描述温度变化1℃时，测量纳米薄膜17表面结构变化状况的过程：在一第一温度条件下，如53℃时，在纳米薄膜17表面进行扫描，测出纳米薄膜17表面各原子在该温度下的变化情况，得到该温度条件下的纳米薄膜17表面结构的变化图像一；在第二温度条件下，如54℃时，在纳米薄膜17表面进行扫描，测出纳米薄膜17表面各原子在该温度下的变化情况，得到该温度条件下的纳米薄膜17表面结构的变化图像二；对比图像一与图像二，得到从53℃变化到54℃时，即温度升高1℃时，纳米薄膜17的表面结构的变化状况。

为得到温度变化1℃时，纳米薄膜17的表面结构更精确的变化情况，可将53℃变化到54℃分为十次变化进行测量，如53.1℃，53.2℃，53.3℃…，一直到54℃，分别测出十组变化图像，可以更精确分析出，在53℃基础上，温度每上升0.1℃，纳米薄膜17的表面结构会相应变化多少；且可测出温度每发生相同程度的增加，相应纳米薄膜17的表面结构变化幅度是否相同。

当然，也可选用不同温度段进行测量温度变化1℃时，纳米薄膜17的表面结构的变化状况。如选用50～51℃、51～52℃、54～55℃…，可以测出不同温度段内，纳米薄膜17的表面结构变化幅度，同时得到纳米薄膜17的表面结构比较稳定的温度范围。

本实施例中，所用原子力显微镜15可为接触式、非接触式。接触式原子力显微镜，是在接触方式下操作，探针151尖端原子与试样表面原子间的作用力为原子间的排斥力。非接触式原子力显微镜，是探针151尖端原子与试样表面原子间的作用力为原子间的吸引力。

上述测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其优点在于：首先，温度发生微小变化条件下，该装置可实现宏观物体结构发生纳米尺度变化的精确测量；其次，导热片与加热装置之间设置一基底，通过基底传热而使导热片受热，通过散热模组散热来控制导热片的温度，模拟导热片工作时的受热及散热途径，在温度变化条件下，对导热片相应的结构变化进行测量，这样所测结果能够更准确显示导热片工作过程所发生的结构改变。

Claims (12)

1.一种测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于：该装置包括：

一基底，用于盛载待测导热片；

一加热装置，用于加热基底；

一散热装置，用于对基底散热；

一监控系统，其具有一温度检测部及一温度控制部；及

一原子力显微镜，其具有一探针；

该温度检测部与基底相连，用于检测基底的温度，该温度控制部分别与加热装置及散热装置相连，用于实现对加热装置及散热装置的控制。

2.如权利要求1所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于，所述待测导热片包括一高导热纳米材料制成的纳米薄膜。

3.如权利要求1所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于，所述基底的材质为导热材料。

4.如权利要求1所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于，该测量装置进一步包括一第一固定件，用于将待测导热片紧压在基底上。

5.如权利要求1所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于，所述加热装置包括一加热板。

6.如权利要求5所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于，所述散热装置包括一散热底座、设置在其上的多个散热鳍片以及风扇。

7.如权利要求6所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于，所述测量装置还包括一第二固定件，用于将基底、加热板以及散热底座紧固在一起。

8.如权利要求1所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的装置，其特征在于，该原子力显微镜为接触式或非接触式。

9.一种测量导热片随温度变化其结构变化状况的方法，其包括以下步骤：

将一待测导热片设置于一基底上；

利用一加热装置对该基底进行加热，从而使待测导热片受热；

利用一监控系统对该加热装置进行控制，以实现对待测导热片的温度的控制；

提供一原子力显微镜，在第一温度条件下，在导热片表面进行扫描，测出导热片表面各原子在该温度下的变化情况，得到该温度条件下的导热片表面结构的变化图像一；

在第二温度条件下，在导热片表面进行扫描，测出导热片表面各原子在该温度下的变化情况，得到该温度条件下的导热片表面结构的变化图像二；

对比图像一与图像二，得到从第一温度变化到第二温度情况下，导热片的表面结构的变化状况。

10.如权利要求9所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的方法，其特征在于，在测量过程中，利用一固定装置将导热片、加热装置以及基底紧密固定，使导热片及时受热。

11.如权利要求9所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的方法，其特征在于，测量过程中导热片需要降温时，利用一散热装置对基底进行散热，以达到对导热片的降温作用。

12.如权利要求11所述的测量导热片随温度变化其结构变化状况的方法，其特征在于，该散热装置工作的启动与终止受监控系统控制。

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