DE10129105B4

DE10129105B4 - Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer Probe

Info

Publication number: DE10129105B4
Application number: DE2001129105
Authority: DE
Inventors: Wilko Harms; Andreas Wehrmann; Frank Diening; Volker Heitbreder
Original assignee: Hella KGaA Huek and Co
Current assignee: Hella GmbH and Co KGaA
Priority date: 2001-06-16
Filing date: 2001-06-16
Publication date: 2005-12-29
Anticipated expiration: 2021-06-17
Also published as: DE10129105A1

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer Probe (3) bestehend aus
– zwei Teilen (Wärmequelle, Wärmesenke) die auf unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind, wobei die Probe (3) in wärmeleitenden Kontakt zwischen diesen beiden Teilen (1, 2) einbringbar ist,
– mindestens einem ersten Wärmestromsensor (6), der den Wärmestrom zwischen dem ersten Teil (1) und der Probe (3) misst,
– mindestens einem zweiten Wärmestromsensor (7), der den Wärmestrom zwischen der Probe (3) und dem zweiten Teil (2) misst
– mindestens einem Temperatursensor (8), der die Temperatur des ersten Teils (1) misst
– mindestens einem Temperatursensor (9), der die Temperatur des zweiten Teils (2) misst,
wobei die Temperatur von wenigstens einem der beiden Teile (1, 2) so einstellbar ist, daß der Wärmestrom zwischen dem ersten Teil (1) und der Probe (3) zumindest annähernd gleich dem Wärmestrom zwischen dem zweiten Teil (2) und der Probe (3) ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer Probe. Bei der gattungsgemäßen Vorrichtung wird die Probe zwischen einer Wärmequelle und einer Wärmesenke wärmeleitend angeordnet, wobei sich der Wärmewiderstand aus dem Wärmestrom durch die Probe und der Temperaturdifferenz zwischen der mit der Wärmequelle in Verbindung stehenden Probenseite und der mit der Wärmesenke in Verbindung stehenden Probenseite ergibt: Rth = ΔT/Φ[Kelvin/Watt].
Dabei erfolgt die Wärmewiderstandsmessung im Gleichgewichtszustand, in dem die Temperaturverteilung innerhalb der Probe konstant und damit auch der Wärmestrom konstant ist. Durch die Messung im Gleichgewichtszustand wird die Wärmekapazität der Probe eliminiert und tatsächlich der Wärmewiderstand gemessen.

Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer Probe mit einer Wärmequelle, einer Wärmesenke, Wärmestromsensoren und Temperatursensoren ist aus der WO 97/33161 A1 bekannt.

Die bekannten Vorrichtungen sind ausgelegt für die Vermessung von relativ kleinen Proben, die kleiner sind als die Abmessungen von Wärmesenke und Wärmequelle. In diesem Fall entspricht der von der Wärmequelle ausgehende Wärmestrom dem Wärmestrom durch die Probe relativ genau, da der Wärmeaustausch zwischen der Probe und der Umgebung durch Konvektion und Strahlung zu vernachlässigen ist. Eine derartige Vorrichtung zur Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe ist zum Beispiel aus der DE 43 20 781 A1 bekannt.

Problematisch wird die Bestimmung des Wärmewiderstandes von relativ großen Proben (Werkstücken, wie z.B. Leiterplatten), da dann der Wärmeaustausch zwischen der Probe und der Umgebung durch Konvektion und Strahlung aufgrund der relativ großen Probenoberfläche nicht mehr zu vernachlässigen ist. Die Annahme, daß der von der Wärmequelle erzeugte Wärmestrom dem Wärmestrom durch die Probe zur Wärmesenke entspricht, stimmt dann nicht mehr, wodurch die Messergebnisse in nicht hinnehmbarer Weise verfälscht werden.

Eine Lösung dieses Problems wäre, aus dem Werkstück durch Bearbeitung (z.B. Beschneiden, Ausschneiden oder Ausstanzen) eine hinreichend kleine Probe herzustellen, die dann wieder mit einer bekannten Vorrichtung zu vermessen wäre. Dies ist jedoch einerseits aufwendig und bedeutet andererseits eine Zerstörung des Werkstücks.

Eine andere Lösung zur Wärmewiderstandsbestimmung von relativ großen Proben wäre, die Wärmequelle und die Wärmesenke ebenfalls entsprechend groß auszubilden. Derartig große Wärmequellen und Wärmesenken würden jedoch eine sehr aufwendige und teuere Heizung und Kühlung erfordern.

Eine weitere Lösung des Problems der Wärmewiderstandsbestimmung bei relativ großen Proben besteht darin, die Probe thermisch mittels eines Isolationsmaterials gegenüber der Umgebung zu isolieren oder den Raum um die Probe zu evakuieren. Beides ist sehr aufwendig und macht einen Probenwechsel sehr umständlich. Eine Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer Probe, bei der Wärmequelle und Wärmesenke von einem Isoliermaterial umgeben sind, ist aus der DD 294 103 A5 bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstands von relativ großen Proben, welche die vorstehend genannten Nachteile nicht aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei Wärmestromsensoren vorgesehen sind, von denen der eine den Wärmestrom von der Wärmequelle zur Probe und der andere den Wärmestrom von der Probe zur Wärmesenke misst. Dabei wird die Temperatur der Wärmequelle und/oder der Wärmesenke so verändert, daß der Wärmestrom von der Wärmequelle zur Probe zumindest annähernd gleich dem Wärmestrom von der Probe zur Wärmesenke ist.

Falls beispielsweise der Wärmestrom von der Probe in die Wärmesenke größer ist als der Wärmestrom von der Wärmequelle in die Probe, so ist die Temperatur der Wärmesenke im Vergleich zur Umgebungsluft zu niedrig. Als Folge hiervon nimmt die Probe Wärme aus der Umgebung auf, wodurch der Wärmestrom zur Wärmesenke erhöht wird. In diesem Fall würde die Temperatur der Wärmesenke erhöht werden. Alternativ oder zusätzlich könnte in diesem Fall auch die Temperatur der Wärmequelle gesenkt werden.

Falls beispielsweise der Wärmestrom von der Probe in die Wärmesenke kleiner ist als der Wärmestrom von der Wärmequelle in die Probe, so ist die Temperatur der Wärmesenke im Vergleich zur Umgebungsluft zu hoch. Als Folge hiervon gibt die Probe Wärme an die Umgebung ab, wodurch der Wärmestrom zur Wärmesenke erniedrigt wird. In diesem Fall würde die Temperatur der Wärmesenke erniedrigt werden. Alternativ oder zusätzlich könnte in diesem Fall auch die Temperatur der Wärmequelle erhöht werden.

Für die Berechnung des Wärmewiderstandes wird dann die Temperaturdifferenz herangezogen, bei der die beiden Wärmeströme zumindest annähernd gleich sind.

Welche Temperaturdifferenz zur Einstellung von gleichen Wärmeströmen notwendig ist, hängt dabei von verschiedenen Einflussfaktoren ab:
Größe der Probe, Material der Probe, Oberflächenbeschaffenheit der Probe, Umgebungstemperatur und Umgebungsmedium.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht unabhängig von vorstehend genannten Einflussfaktoren über die Einstellung einer Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke eine Kompensation des Wärmeaustausches zwischen der Probe und der Umgebung. Damit ist es möglich, in einfacher Weise den Wärmewiderstand von relativ großen Proben zu bestimmen.

Anhand der beigefügten Zeichnungen soll die Erfindung nachfolgend näher erläutert werden.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung eines Schnittes durch die Vorrichtung,
2 einen Schnitt durch einen Heiz-/bzw. Kühlblock,
3 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit „A" aus 2,
4 einen Schnitt durch das Heizelement,
5 eine Draufsicht auf das Heizelement,
6 ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung des Kompensationsverfahrens,
7 Wärmestrom/Zeit-Diagramme,
8 ein Blockschaltbild mit der Mess- und Auswerteelektronik und den zugehörigen Eingangssensoren.
1 zeigt eine schematische Darstellung der Vorrichtung. Diese besteht aus einem ersten Teil (1) – der Wärmequelle – und einem zweiten Teil (2) – der Wärmesenke, wobei die Temperatur des ersten Teils (1) höher ist als die Temperatur des zweiten Teils (2). Beide Teile (1, 2) sind vorzugsweise als Kupferblöcke ausgebildet, da Kupfer eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Zwischen diesen beiden Kupferblöcken (1, 2) wird nun die Probe (3) wärmeleitend angeordnet. Dabei erfolgt die wärmeleitende Kontaktierung der Probe unter Druckbeaufschlagung, wobei der Anpressdruck mit dem die beiden Kupferblöcke (1, 2) auf die Probenoberfläche drücken vorzugsweise einstellbar ist. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit Wärmeübergangswiderständen von Bedeutung, deren Einfluss weiter unten näher erläutert wird.
Falls es sich bei der zu vermessenden Probe (3) um einen Schichtaufbau handelt, ist die Anordnung der Probe zwischen den Kupferblöcken (1, 2) so, daß die Wärme durch die Probe die verschiedenen Schichten vorzugsweise senkrecht zu den Grenzschichten durchströmt.
Zur Aufheizung ist dem ersten Kupferblock (1) als Wärmequelle ein Heizelement (4) zugeordnet, wobei die Temperatur des ersten Kupferblocks (1) über die Heizleistung einstellbar ist. Das Heizelement (4) umfasst vorzugsweise mindestens einen Leistungstransistor (4C), dessen Abwärme als Heizung benutzt wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art von Heizelement beschränkt. Vielmehr kann der Fachmann sich im Stand der Technik verschiedener Heizelemente bedienen, die er für diesen Zweck geeignet hält. Einen detaillierten Aufbau des verwendeten Heizelements (4) zeigen die 4 und 5.
Zur Kühlung ist dem zweiten Kupferblock (1) als Wärmesenke ein Kühlelement (5) zugeordnet, wobei die Temperatur des zweiten Kupferblocks (2) über die Kühlleistung einstellbar ist. Das Kühlelement (5) umfasst vorzugsweise mindestens ein Peltier-Element. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diese Art von Kühlelement beschränkt. Vielmehr kann der Fachmann sich im Stand der Technik verschiedener Kühlelemente bedienen, die er für diesen Zweck geeignet hält.
Wie in 1 zu erkennen ist, ist das Heizelement (4) auf der der Probe (3) abgewandten Seite des ersten Kupferblocks (1) angeordnet, wobei zwischen dem Heizelement (4) und dem Kupferblock (1) der erste Wärmestromsensor (6) angeordnet ist. Analog dazu ist das Kühlelement (5) auf der der Probe (3) abgewandten Seite des zweiten Kupferblocks (2) angeordnet, wobei zwischen dem Kühlelement (5) und dem Kupferblock (2) der zweite Wärmestromsensor (7) angeordnet ist. Die Druckbeaufschlagung der beiden Kupferblöcke (1, 2) erfolgt nun über das Heiz- und das Kühlelement (4, 5), so daß diese ebenfalls mit einem guten wärmeleitenden Kontakt über die Wärmestromsensoren (6, 7) gegen die Kupferblöcke (1, 2) gedrückt werden.
Als Wärmestromsensoren (6, 7) werden vorzugsweise Folien, sogenannte Micro-Foil Heat Flux-Sensoren, verwendet. Diese messen den Wärmestrom pro Fläche (in Watt/m²), d.h. eigentlich den Wärmestromfluß. Um hieraus den Wärmestrom in Watt zu erhalten, muß der Wert dieser Sensoren noch mit deren wirksamer Fläche multipliziert werden. Falls die Oberfläche der Wärmestromsensor-Folien (6, 7) aufgrund der darin enthaltenen Thermoelemente sowie der Verdrahtung uneben ist, wird vorgeschlagen, die Folien (6, 7) einseitig oder beidseitig mit einer wärmeleitenden Ausgleichsschicht (Wärmeleitpaste oder Wärmeleitfolie), welche die Unebenheiten ausgleicht, zu umgeben, damit die Folie (6, 7) ohne Lufteinschluß an dem Heizelement (4) bzw. Kühlelement (5) und dem zugehörigen Kupferblock (1, 2) anliegt.
Dadurch, daß die Kupferblöcke (1, 2) stufig mit einer Grundplatte (1A) und einem davon abstehenden Stempel (1B) ausgebildet sind, wird eine optimale homogene Wärmestrom-Ein- und Auskopplung in die Probe (3) bzw. aus dieser heraus bewirkt. Dabei stehen die Kupferblöcke (1, 2) jeweils mit ihrer Stempel-Stirnseite in wärmeleitendem Kontakt mit der Probe (3). Eine vollkommen gleichmäßige Erwärmung bzw. Kühlung der relativ großflächigen Grundplatte (1A) ist schon allein aufgrund der Struktur des Heizelements (4) und des Kühlelements (5) nur schwer zu erzielen. Durch die Ausbildung eines Stempels (1B), dessen Fläche gegenüber der Fläche der Grundplatte (1A) deutlich kleiner ist, wird der Wärmestrom eingeschnürt und kanalisiert, wodurch eine homogene Wärme- und Temperaturverteilung im Stempel (1B) bewirkt wird, was letztendlich eine gleichmäßig Ein- bzw. Auskopplung der Wärme in bzw. aus der Probe (3) bewirkt.
Aus diesem Grunde sind die Temperatursensoren (8, 9) zur Messung des ersten Kupferblocks/Wärmequelle (1) und des zweiten Kupferblocks/Wärmesenke (2) bevorzugt jeweils im Stempel (1B, 2B) angeordnet. Zu diesem Zweck weisen die Stempel (1B, 2B) Bohrungen auf, in denen die Temperatursensoren (8, 9) in wärmeleitendem Kontakt mit dem Kupferblock (1, 2) angeordnet sind. Der wärmeleitende Kontakt zwischen den Temperatursensoren (8, 9) und dem Kupferblock (1, 2) kann durch eine Wärmeleitpaste, durch Einlöten oder durch Einklemmen hergestellt werden. Vorzugsweise sind in jedem Stempel (1B, 2B) mehrere Temperatursensoren (z.B. 4 Sensoren) angeordnet. Damit kann einerseits durch Mittelwertbildung die Genauigkeit der Temperaturmessung erhöht werden. Andererseits kann somit ein fehlerhafter Temperatursensor erkannt werden, wenn nämlich dessen Wert signifikant von den Werten der anderen Temperatursensoren abweicht. Außerdem ist damit eine die Einsatzbereitschaft der Vorrichtung erhöhende Redundanz gegeben, da auch beim Ausfall eines Temperatursensors weiter gemessen werden kann. Darüber hinaus kann mit mehreren Temperatursensoren überprüft werden, ob die Temperaturverteilung tatsächlich homogen ist. Für die Temperatursensoren werden vorzugsweise Thermoelemente verwendet.
Die vom Heizelement (4) über den Wärmestromsensor (6) und den ersten Kupferblock (1) in die Probe (3) strömende Wärme ist mit Q1 bezeichnet. Die von der Probe (3) über den zweiten Kupferblock (2) und den zweiten Wärmestromsensor (7) zum Kühlelement (5) strömende Wärme ist mit Q2 bezeichnet. Der störende und zu kompensierende Wärmeaustausch zwischen der Probe (3) und der Umgebung ist mit Q3 bezeichnet.
Wie in 2 zu erkennen ist, ist zumindest einer der beiden Kupferblöcke (1, 2) zumindest teilweise von einem wärmeisolierenden Material (13) umgeben. Um einen unkontrollierten Wärmeaustausch mit der Umgebung zu verhindern oder zumindest zu minimieren. Dabei sind vorzugsweise beide Kupferstempel (1, 2) mit dem wärmeisolierenden Material umgeben, insbesondere jedoch der erste Kupferstempel (1) der die Wärmequelle ausbildet. Wie in 2 zu erkennen ist, umgibt das wärmeisolierende Material (13) die Fläche der Grundplatte (1A) um den Stempel (1B) herum, wobei die Stempel-Stirnseite frei bleibt. Um die thermische Isolation noch zu verbessern, ist zwischen dem wärmeisolierenden Material (13) und der Grundplatte (1A) ein schmaler Luftspalt mit einer Dicke < 1mm angeordnet (siehe 3). Hierdurch wird Konvektion unterdrückt und eine isolierende Luftschicht gebildet. Der Luftspalt wird durch Erhebungen (13A) des wärmeisolierenden Materials (13) bewirkt, mit denen das Material (13) beabstandet an der Grundplatte (1A) anliegt. Als wärmeisolierendes Material (13) wird vorzugsweise Teflon verwendet, da es neben guten wärmeisolierenden Eigenschaften auch noch mechanisch sehr stabil ist.
Um den Wärmeaustausch zwischen den Kupferblöcken (1, 2) und der Umgebung durch Konvektion und Strahlung zu minimieren, sind die Oberflächen der Kupferblöcke (1, 2) poliert, wodurch die mit der Umgebung in Kontakt stehende Oberfläche minimiert wird.
Um den Einfluß der Umgebung selbst beeinflussen zu können, weist die Vorrichtung ein Gehäuse (15) auf, das die beiden Kupferblöcke (1, 2) sowie die Probe (3) umgibt. Damit wird einerseits die Konvektion innerhalb der Vorrichtung minimiert und andererseits wird die Möglichkeit geschaffen, die Temperatur innerhalb des Gehäuses (15) einzustellen, um die erfindungsgemäße Kompensation des Wärmeaustausches zwischen Probe (3) und Umgebungsluft zu unterstützen.
Um eine Aufheizung der Umgebung durch die vom regelbaren Kühlelement (5) aufgenommene Wärme zu vermeiden, ist in einer nicht dargestellten Ausführungsform eine Kühlung, z.B. eine Wasserkühlung, für das Kühlelement vorgesehen. Diese Kühlung transportiert dann die vom Kühlelement (5) aufgenommene Wärme aus dem Gehäuse (15) heraus, ohne die Luft im Gehäuse (15) zu erwärmen.
Die elektrischen Verbindungsleitungen zu den Temperatursensoren (8, 9) im Stempel (1B, 2B) sind vorzugsweise durch die Teflonisolationsschicht hindurch geführt (nicht dargestellt). Zu diesem Zweck ist die Teflonschicht (13) geschlitzt oder mit entsprechenden Durchgangslöchern versehen.
Auf den 4 und 5 ist der Aufbau des verwendeten Heizelements (4) näher dargestellt. Das Heizelement (4) weist eine beidseitig metallisierte Leiterpatte (4A) auf, wobei die beiden Metallschichten (4B) durch die Leiterplatte (4A) hindurch thermisch kontaktiert sind. Auf der einen Metallschicht sind 4 Leistungstransistoren wärmeleitend angeordnet ist, während die andere Metallschicht über den Wärmestromsensor (6) gegen die Grundplatte (1A) des Kupferblocks (1) gedrückt wird.
Um die Kompensation des Wärmeaustausches zwischen Probe (3) und Umgebung automatisch durchführen zu können, weist die Vorrichtung eine Reglung auf, die automatisch die Temperatur des ersten und/oder des zweiten Kupferblocks (1, 2) in Abhängigkeit von der Differenz (ΔΦ) der Wärmeströme der beiden Wärmestromsensoren (6, 7) einstellt. Dabei erfolgt die Einstellung der Temperatur über eine Variation der Heiz- und/oder Kühlleistung. Die Regelung besteht vorzugsweise aus einem PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler), dessen Zeitkonstanten und Regelparameter entsprechend einstellbar sind. Dabei kann der PID-Regler (11) als analoge oder digitale Schaltung ausgebildet sein oder aber auch in Form eines Software-Programms realisiert sein.
In einer Ausführungsform ist für die Regelung mindestens ein zusätzlicher Temperatursensor (10) vorgesehen ist, der die Temperatur am Kühlelement (5) misst, wobei in Abhängigkeit von der jeweiligen Differenz der Wärmeströme der beiden Wärmestromsensoren (6, 7) jeweils ein Sollwert für diese Temperatur ermittelt wird. Die Regelung stellt dann über eine Änderung der Kühlleistung die Solltemperatur am Kühlelement (5) ein, wodurch sich dann auch die Temperatur des zweiten Kupferblocks (2) ändert. Als Folge der Temperaturänderung des zweiten Kupferblocks (2) wird dann die Wärmestromdifferenz (ΔΦ) verringert. Ausgehend von der sich dann eingestellten Wärmestromdifferenz wird dann ein neuer Sollwert für die Temperatur des Kühlelements (5) vorgegeben. Dies wird iterativ solange wiederholt, bis die Wärmestromdifferenz (ΔΦ) zumindest nahezu gleich Null ist, wobei beispielsweise Wärmestromdifferenzen (ΔΦ) kleiner als 20 mWatt als nahezu Null betrachtet werden.
In einer weiteren Ausführungsform wird für die Regelung auf die Temperatursensoren (8, 9) in den Kupferstempeln zurückgegriffen. In wieder einer weiteren Ausführungsform wird direkt die Wärmestromdifferenz (ΔΦ) als Regelgröße herangezogen.
Für eine automatische Bestimmung des Wärmewiderstandes weist die Vorrichtung eine Mess- und Auswerteelektronik (12) auf (siehe 8), die aus den Werten der Temperatursensoren (8, 9) in den Kupferstempeln (1B, 2B) und den Werten der Wärmestromsensoren (6, 7) im ausgeregelten Gleichgewichtszustand (ΔΦ = 0 und Φ = konstant) den Wärmewiderstand berechnet.
Der Verfahrensablauf zur Bestimmung des Wärmewiderstands einer Probe mittels der vorstehend beschriebenen Vorrichtung ist der folgende:

a) Zunächst wird die Probe (3) zwischen den beiden Kupferblöcke (1, 2) angeordnet und eine wärmeleitende Verbindung zwischen der Probe (3) und den Stempel-Stirnseiten der beiden Kupferblöcke (1, 2) hergestellt.
b) Dann wird durch Einstellen einer bestimmten Heiz- und Kühlleistung eine Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kupferblöcken (1, 2) hergestellt. Die beiden Kupferblöcke (1, 2) können jedoch auch bereits vor dem Einbringen der Probe (3) jeweils auf eine bestimmte Anfangstemperatur eingestellt sein.
c) Da die Wärmewiderstandsmessung zur Eliminierung der Wärmekapazität im Gleichgewichtszustand erfolgt, müssen die beiden Wärmeströme solange gemessen werden, bis die Wärmeströme zumindest nahezu konstant sind (Einschwingphase).
d) Anschließend wird dann die Wärmestromdifferenz nach der Einschwingphase ermittelt.
e) Nun beginnt die Regelung, wobei durch iterative Einstellung einer neuen Temperaturdifferenz zwischen den beiden Teilen in Abhängigkeit der Wärmestromdifferenz die Wärmestromdifferenz minimiert wird.
f) Wenn dann im ausgeregelten Zustand die Wärmestromdifferenz (ΔΦ) gleich Null ist, wird aus der zugehörigen Temperaturdifferenz ΔT zwischen den beiden Kupferblöcken (1, 2) der Wärmewiderstand errechnet.

In 7 sind die Wärmestrom-Zeitverläufe während der Einschwingzeit dargestellt. Dabei bezeichnet Φ₁ den Wärmestrom von der Wärmequelle (1) in die Probe (3) und Φ₂ den Wärmestrom von der Probe (3) zur Wärmesenke (2). Wie zur Erkennen ist, besteht nach dem Einschwingvorgang eine Wärmestromdifferenz ΔΦ, welche in dem unerwünschten Wärmeaustausch zwischen Probe (3) und der Umgebung begründet ist.
Ein bisher noch nicht angesprochenes Problem bei der Bestimmung des Wärmewiderstandes sind die Wärmeübergangswiderstände zwischen der Probe (3) und dem ersten Kupferblock (1) einerseits und der Probe (3) und dem zweiten Kupferblock (2) andererseits. Wie sich herausgestellt hat, sind diese Übergangswiderstände in den meisten Fällen nicht zu vernachlässigen. Um die Wärmeübergangswiderstände zu verringern, wird als erste Maßnahme vorgeschlagen, zwischen den Stempel-Stirnseiten der Kupferblöcke (1, 2) und den jeweiligen Probenoberflächen Wärmeleitpaste einzubringen. Hiermit werden zumindest Übergangswiderstände durch Lufteinschluß infolge von Oberflächenrauhigkeiten verringert. Als weitere Maßnahme wird vorgeschlagen, für verschiedene Proben bzw. Probenoberflächen die materialspezifischen Wärmeübergangswiderstände zu Kupfer abzuspeichern. Die Werte hierfür können durch Vergleichsmessungen oder aus der Literatur gewonnen werden. Bei der Bestimmung des Wärmewiderstandes der Probe werden diese Wärmeübergangswiderstände von den gemessenen Wärmewiderständen subtrahiert.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung eignet sich insbesondere auch für mehrschichtig aufgebaute Proben (3), wobei der Wärmewiderstand des gesamten Schichtaufbaus ermittelt wird. Ein konkretes Einsatzgebiet der Vorrichtung ist beispielsweise die Qualitätsprüfung eines Leiterplatten-Kühlkörper-Verbundaufbaus (3) – eine sogenannte Heat-Sink-Verbundgruppe. Ein derartiger Aufbau besteht beispielsweise aus einer Kühlplatte (3A) aus Aluminium, auf der über eine wärmeleitende Klebeschicht (3B) eine keramische Leiterplatte (3C) mit Kupferleiterbahnen angeordnet ist. Ein derartiger Heat-Sink-Aufbau ist in der Lage, die Wärme eines auf der Leiterplatte angeordneten Bauelements (z.B. ein Leistungstransistor) effektiv über die keramische Leiterplatte und den wärmeleitenden Kleber an die Aluminiumplatte abzuführen. Dies setzt natürlich voraus, daß der spezifizierte Wärmewiderstand des Heat-Sink-Aufbaus eingehalten wird. Sollte der Wärmewiderstand zum Beispiel aufgrund einer mangelhaften oder beschädigten Klebeverbindung zwischen Leiterplatte und Aluminiumplatte unzulässig größer sein, würde ein auf der Leiterplatte angeordnetes wärmeerzeugende Bauelement aufgrund unzureichender Wärmeabfuhr zerstört werden. Solche Abweichungen vom spezifizierten Wärmewiderstand lassen sich mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen der Qualitätssicherung in einfacher und zuverlässiger Weise feststellen.
Abschließend soll noch eine Verfahrensanweisung im Zusammenhang mit unsymmetrisch aufgebauten, mehrschichtigen Proben vorgeschlagen werden. Eine unsymmetrisch aufgebaute Probe in diesem Sinne ist beispielsweise der vorstehend beschriebene Heat-Sink-Aufbau. Die Probe ist insofern unsymmetrisch, da die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmekapazität der einen Probenseite (Aluminium) sehr verschieden von der anderen Probenseite (Keramik) ist. In diesem Fall empfiehlt es sich, die Probenseite (Probenschicht) mit der höheren Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität mit dem gekühlten Kupferblock (der Wärmesenke) zu kontaktieren. Anderenfalls würde die von der Wärmequelle ausgehende Wärme sich über diese Probenschicht großflächig verteilen, wobei dann eine relativ große Wärmemenge durch Konvektion an die Umgebungsluft verloren gehen würde.

1: erster Kupferblock (1. Teil, Wärmequelle)
1A: Grundplatte des Kupferblocks
1B: Stempel des Kupferblocks
2: zweiter Kupferblock (2. Teil, Wärmesenke)
2A: Grundplatte des Kupferblocks
2B: Stempel des Kupferblocks
3: Probe: 3A, B, C) verschieden Schichten der Probe
4: Heizelement
4A: Leiterplatte des Heizelements
4B: Metallisierung auf der Leiterplatte
4C: Leistungstransistor
5: Kühlelement
6: erster Wärmestromsensor
7: zweiter Wärmestromsensor
8, 9: Temperatursensoren im ersten und zweiten Kupferblock
10: Temperatursensor am Kühlelement
11: PID-Regler
12: Mess- und Auswerteelektronik
13: Teflonisolierung des Kupferblocks
13A: Erhebungen der Teflonisolierung am Kupferblock zur Ausbildung eines Luftspaltes
14: Mess- und Auswerteelektronik
15: Gehäuse

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung des Wärmewiderstandes einer Probe (3) bestehend aus – zwei Teilen (Wärmequelle, Wärmesenke) die auf unterschiedliche Temperaturen einstellbar sind, wobei die Probe (3) in wärmeleitenden Kontakt zwischen diesen beiden Teilen (1, 2) einbringbar ist, – mindestens einem ersten Wärmestromsensor (6), der den Wärmestrom zwischen dem ersten Teil (1) und der Probe (3) misst, – mindestens einem zweiten Wärmestromsensor (7), der den Wärmestrom zwischen der Probe (3) und dem zweiten Teil (2) misst – mindestens einem Temperatursensor (8), der die Temperatur des ersten Teils (1) misst – mindestens einem Temperatursensor (9), der die Temperatur des zweiten Teils (2) misst, wobei die Temperatur von wenigstens einem der beiden Teile (1, 2) so einstellbar ist, daß der Wärmestrom zwischen dem ersten Teil (1) und der Probe (3) zumindest annähernd gleich dem Wärmestrom zwischen dem zweiten Teil (2) und der Probe (3) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und/oder das zweite Teil (1, 2) als Block aus einem Material mit hoher Wärmeleitung ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten Teil (1) mindestens ein Heizelement (4) und dem zweiten Teil (2) mindestens ein Kühlelement (5) zugeordnet ist oder vice versa.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) mindestens einen Leistungstransistor (4C) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (5) mindestens ein Peltier-Element umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Wärmestromsensor (6) zwischen dem Block (1) und dem Heizelement (4} angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Wärmestromsensor (7) zwischen dem Block (2) und dem Kühlelement (5) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlelement (5) und das Heizelement (4) jeweils auf der der Probe (3) abgewandten Seite des jeweiligen Blocks (1, 2) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (1, 2) eine Grundplatte (1A, 2A) und einen davon abstehenden Stempel (1B, 2B) aufweist, wobei die Stirnseite des Stempels mit der Probe (3) in wärmeleitendem Kontakt steht und das Heizelement (4) bzw. das Kühlelement (5) über den Wärmestromsensor (6, 7) mit der Grundplatte in wärmeleitendem Kontakt steht.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Stempel (1B, 2B) jeweils zumindest eine Bohrung zur Aufnahme eines Temperatursensors (8, 9) zur Messung der Temperatur des jeweiligen Teils (1, 2) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (8, 9) ein Thermoelement ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11 dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Blöcke (1, 2) zumindest teilweise von einem wärmeisolierenden Material (13) umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem wärmeisolierenden Material (13) und dem Block (1, 2) ein schmaler Luftspalt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende Material (13) Erhebungen (13A) aufweist, mit denen es unter Ausbildung des Luftspaltes an dem Block (1, 2) anliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeisolierende Material (13) Teflon ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeleitende Material (13) die Fläche der Grundplatte (1A, 2A) um den Stempel (1B, 2B) herum zumindest unter Freilassung Stempel-Stirnseite umgibt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Verbindung zu dem Temperatursensor (8, 9) durch das wärmeleitende Material (13) hindurch geführt ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckbeaufschlagung der Probe (3) über die beiden Teile (1, 2) einstellbar ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Probe (3) und dem ersten und/oder dem zweiten Teil (1, 2) eine wärmeleitende Paste angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine Regelung umfasst, die automatisch die Temperatur des ersten und/oder des zweiten Teils (1, 2) in Abhängigkeit von der Differenz der Wärmeströme der beiden Wärmestromsensoren (6, 7) einstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung mindestens einen PID-Regler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß für die Regelung mindestens ein zusätzlicher Temperatursensor (10) vorgesehen ist, der die Temperatur des ersten und/oder des zweiten Teils (1, 2) oder die Temperatur am Heizelement (4) und/oder am Kühlelement (5) misst, wobei in Abhängigkeit von der jeweiligen Differenz der Wärmeströme der beiden Wärmestromsensoren (6, 7) jeweils ein Sollwert für diese Temperatur ermittelt wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung die Heizleistung des Heizelements (4) und/oder die Kühlleistung des Kühlelements (5) einstellt.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe eine Mess- und Auswerteelektronik (14) aufweist, die aus den Werten der Temperatursensoren (8, 9) und der Wärmestromsensoren (6, 7) den Wärmewiderstand berechnet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dieselbe ein Gehäuse (15) aufweist, das die beiden Teile (1, 2) und die Probe (3) umgibt.
Vorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur innerhalb des Gehäuses (15) einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der beiden Wärmestromsensoren (6, 7) einseitig oder beidseitig von einer wärmeleitenden Ausgleichsschicht umgeben ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizelement (4) aus einer beidseitig metallisierten Leiterplatte (4A) besteht, wobei die beiden Metallschichten (4B) durch die Leiterplatte (4A) hindurch thermisch miteinander kontaktiert sind und auf der einen Metallschicht mindestens ein Leistungstransistor (4C) wärmeleitend angeordnet ist, während die andere Metallschicht über den Wärmestromsensor (6) gegen den Block des ersten Teils (1) gedrückt wird.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für das Kühlelement (5) eine Kühlung vorgesehen ist.
Verfahren zur Bestimmung des Wärmewiderstands einer Probe mittels einer Vorrichtung gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte: g) Einbringen der Probe (3) zwischen dem ersten und dem zweiten Teil (1, 2) und Herstellung einer wärmeleitenden Verbindung zwischen der Probe (3) und dem ersten Teil (1) und der Probe (3) und dem zweiten Teil (2), h) Einstellen einer Temperaturdifferenz zwischen dem ersten Teil (1) und dem zweiten Teil (2) durch Einstellung der Temperatur des ersten und/oder des zweiten Teils (1, 2), i) Messung der beiden Wärmeströme während einer thermischen Einschwingphase solange bis die Wärmeströme zumindest nahezu konstant sind, j) Ermittlung der Wärmestromdifferenz nach der Einschwingphase, k) Rekursive iterative Einstellung einer neuen Temperaturdifferenz zwischen den beiden Teilen in Abhängigkeit der Wärmestromdifferenz so, daß die Wärmestromdifferenz minimiert wird.
Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils für den Wärmeübergangswiderstand zwischen der Probe (3) und dem ersten Teil (1) und den Wärmeübergangswiderstand zwischen der Probe (3) und dem zweiten Teil (2) materialspezifische Werte gespeichert sind, wobei bei der Bestimmung des Wärmewiderstandes der Probe diese Wärmeübergangswiderstände von den gemessenen Wärmewiderständen subtrahiert werden.