專利名稱：一種多層導熱材料熱阻測量方法
技術領域：
:本技術涉及測試技術領域。主要應用于多層導熱材料熱阻的測量與分析。
背景技術：
:半導體器件在工作時會產生大量的熱，致使半導體器件內部芯片及外殼的溫度升高。工作狀態下的半導體器件若處于散熱通道不好的環境，器件本身會積累大量的熱，從而導致半導體器件各項性能參數的退化，嚴重影響半導體器件可靠性及壽命。制造良好的散熱通道能夠及時排除半導體器件工作產生的熱量，保證器件處于相對穩定的溫度環境空間。因此，半導體器件散熱通道內導熱材料的熱阻分析對實際設計及應用顯得尤為重要。目前測量導熱材料的方法主要為對導熱材料兩端施加功率，測試兩端溫度變化差值，從而計算出該導熱材料熱阻。但此種方法不能分析多層導熱材料內部不同層材料熱阻構成，不能快速方便地發現問題所在，即測量是哪一層材料熱阻過大對器件壽命產生主要影響。本方法為非破壞性測量
發明內容
:本發明提供一種多層導熱材料熱阻測量方法，可以實現對多層導熱材料熱阻測量及分析。利用半導體器件PN結處正向壓降與結溫在相當寬的溫度范圍內，呈現出近似的線性關系，通過測量電壓來計算PN結處結溫的變化量，進而探知用于多層導熱材料的主要熱阻構成。本發明測試方法能夠分析散熱通道內部各種材料的熱阻構成，精度高，而且對待測的材料不具有破壞性。本發明設計的測試方法包括以下特征:半導體器件A，其所引出的PN結、肖特基結溫度系數約為-1 2mV/K，該數值在絕對溫度275 K至475 K之間誤差不超過7%。
測量系統B包括:采集板BI，用于采集A兩端的電壓；恒流源B2，用于提供A的測試電流；恒流源B3，用于提供A的加熱電流；計算機B4，用于控制采集板BI的開啟，以及恒流源B2、B3提供加熱電流和測試電流的通斷；
多層導熱材料C，一般情況下建議兩層及兩層以上導熱材料；
具體操作步驟為:(I)自上至下，依次將半導體器件A、多層導熱材料C固定于恒溫平臺D上；(2)計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，調節恒溫平臺D的溫度，測量在不同溫度下半導體器件A兩端的電壓，擬合得到半導體器件A的電壓-溫度系數；(3)從O時刻開始，計算機B4控制恒流源B3對器件A通入加熱電流，經時間t1;待半導體器件A、多層導熱材料C、恒溫平臺D組成的系統的溫度保持穩定后，自上之下溫度保持一定的溫度梯度，溫度不在發生變化，此時停止對半導體器件A施加加熱電流，系統開始冷卻；
(4)計算機B4控制恒流源B2對器件A通入測試電流，通過采集板BI采集測試半導體器件A的電壓，直至半導體器件A溫度等于恒溫平臺D的溫度；通過采集板BI采集這一溫度變化過程的半導體器件A兩端電壓，采集到的測量數據保存在計算機中，即可得到半導體器件A相對于恒溫平臺D的瞬態電壓冷卻響應曲線；(5)利用⑵測得的半導體器件A的電壓-溫度系數，將得到的半導體器件A瞬態電壓響應曲線轉換為瞬態溫度冷卻響應曲線；該曲線可以表述為半導體器件A、多層導熱材料C、恒溫平臺D組成的串聯熱阻、熱容共同作用的結果；該串聯熱阻、熱容用Foster串聯網絡模型表示；(6)由于Foster熱阻、熱容網絡模型中的節點對節點熱容沒有明確的物理意義，利用結構函數法，將Foster網絡轉換為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻；(7)按照其階數將Cauer網絡模型的熱阻、熱容進行累加，繪制積分式結構函數曲線，為了更加明確地讀出熱阻構成結果，對積分式結構函數曲線取微分，獲得微分式結構函數曲線，半導體器件A、多層導熱材料C的熱阻即可根據譜線上的峰位的間距從曲線橫坐標直接讀出；(8) 一般情況下由于材料結構比較復雜，不容易從圖中區分多層導熱材料C的熱阻，為了從中有效提取出多層導熱材料C的熱阻，需要剔除半導體器件A的熱阻，因此:
直接將半導體器件A固定至恒溫平臺D上；恒溫平臺D維持半導體器件A表面溫度恒定不變；(9)計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，調節恒溫平臺D的溫度，測量在不同溫度下半導體器件A兩端的電壓，擬合得到半導體器件A的電壓-溫度系數；(10)刻開始，計算機B4控制恒流源B3對半導體器件A通入加熱電流，經時間t1;待系統溫度保持穩定后，停止對半導體器件A施加加熱電流，系統開始冷卻；(11)計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，通過采集板BI采集測試半導體器件A的電壓，直至半導體器件A溫度等于恒溫平臺D的溫度；通過采集板BI采集這一溫度變化過程的半導體器件A兩端電壓，采集到的測量數據保存在計算機中，即可得到半導體器件A相對于恒溫平臺D的瞬態電壓響應曲線；(12)利用⑵測得的半導體器件A的電壓-溫度系數，將得到的半導體器件A瞬態電壓響應曲線轉換為瞬態溫度響應曲線；該曲線可以表述為半導體器件A、導熱材料C、恒溫平臺D組成的串聯熱阻、熱容共同作用的結果；該串聯熱阻、熱容可以用Foster串聯網絡模型表示；(13)由于Foster熱阻、熱容網絡模型中的節點對節點熱容沒有明確的物理意義，利用結構函數法，將Foster網絡轉換為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻；(14)按其階數將Cauer網絡模型的熱阻、熱容進行累加，繪制積分式結構函數曲線，為了更加明確地讀出熱阻構成結果，對積分式結構函數曲線取微分，獲得微分式結構函數曲線，半導體器件A的內部熱阻即可根據譜線上的峰位的間距從曲線橫坐標直接讀出。(15)比較(7)得到的半導體器件A、多層導熱材料C的熱阻微分式結構函數曲線和(14)得到的半導體器件A內部的熱阻微分式結構函數曲線，剔除半導體器件A的熱阻，即可得到多層導熱材料C的熱阻，同時可根據譜線上的峰位的間距分別得到不同種類材料的熱阻。
圖1半導體器件A、多層導熱材料C及恒溫平臺D位置示意圖。圖2半導體器件A及多層導熱材料C的瞬態溫度冷卻響應曲線。圖3 Foster串聯網絡模型。圖4 Cauer網絡模型。圖5半導體器件A及多層導熱材料C的微分式結構函數曲線。圖6半導體器件A及恒溫平臺D位置示意圖。圖7半導體器件A的瞬態溫度冷卻響應曲線。圖8半導體器件A的微分式結構函數曲線。
具體實施例方式1、半導體器件A為功率型發光二極管；按圖1所示，自上至下，依次將半導體器件A、多層導熱材料C固定于恒溫平臺D上；
其中，半導體器件A，其所引出的PN結、肖特基結溫度系數約為-1 2mV/K，該數值在絕對溫度275 K至475 K之間誤差不超過7% ；
測量系統B包括:采集板BI，用于采集半導體器件A兩端的電壓；恒流源B2，用于提供半導體器件A的測試電流；恒流源B3，用于提供半導體器件A的加熱電流；計算機B4，用于控制采集板BI的開啟，以及恒流源B2、B3提供加熱電流和測試電流的通斷；
多層導熱材料C為兩層，分別為鋁片及銅片；2、計算機B4控制恒流源B2對A通入測試電流，調節恒溫平臺D的溫度，測量在不同溫度下半導體器件A兩端的電壓，擬合得到半導體器件A的電壓-溫度系數；
半導體器件A兩端的電壓隨時間變化的曲線由高速采集板BI采集。為保證測量精度，本實例中采用IM采樣頻率，12位，雙通道AC1050高速采集板，最短時間間隔為I微秒。本實例中采集的時間間隔為2ms，測量的數據由計算機存盤；3、計算機B4控制恒流源B3對半導體器件A通入加熱電流，待半導體器件A、多層導熱材料C、恒溫平臺D組成的系統溫度保持穩定，停止對半導體器件A施加加熱電流，系統開始冷卻；4、計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，通過采集板BI采集測試半導體器件A的電壓，直至半導體器件A溫度等于恒溫平臺D的溫度；通過采集板BI采集這一溫度變化過程的半導體器件A兩端電壓，采集到的測量數據保存在計算機中，即可得到半導體器件A、多層導熱材料C相對于恒溫平臺D的瞬態電壓冷卻響應曲線；5、利用
測得的半導體器件A的電壓-溫度系數，將得到的半導體器件A瞬態電壓響應曲線轉換為瞬態溫度響應曲線，如圖2所示；該曲線可以表述為半導體器件A、多層導熱材料C、恒溫平臺D組成的串聯熱阻、熱容共同作用的結果；該串聯熱阻、熱容用Foster串聯網絡模型表示,如圖3所示；6、由于Foster熱阻、熱容網絡模型中的節點對節點熱容沒有明確的物理意義，利用結構函數法，將Foster網絡轉換為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，如圖4所示，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻；7、按照其階數將Cauer網絡模型的熱阻、熱容進行累加，繪制積分式結構函數曲線，為了更加明確地讀出熱阻構成結果，對積分式結構函數曲線取微分，獲得微分式結構函數曲線，如圖5所示，半導體器件A、多層導熱材料C、的熱阻即可根據譜線上的峰位的間距從曲線橫坐標直接讀出。8、為了從中提取出多層導熱材料C的熱阻，需要有效剔除半導體器件A內部的熱阻，因此:如圖6所示，直接將半導體器件A固定至恒溫平臺D上；恒溫平臺D維持半導體器件A表面溫度恒定不變；9、計算機B4控制恒流源B3對半導體器件A通入加熱電流，待系統溫度保持穩定，停止對半導體器件A施加加熱電流，系統開始冷卻；10、計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，通過采集板BI采集測試器件A的電壓，直至半導體器件A溫度等于恒溫平臺D的溫度；通過采集板BI采集這一溫度變化過程的半導體器件A兩端電壓，采集到的測量數據保存在計算機中，即可得到半導體器件A相對于恒溫平臺D的瞬態電壓冷卻響應曲線；11、利用
測得的半導體器件A的電壓-溫度系數，將得到的半導體器件A瞬態電壓響應曲線轉換為瞬態溫度響應曲線，如圖7所示；該曲線可以表述為半導體器件A內部及恒溫平臺D組成的串聯熱阻、熱容共同作用的結果；該串聯熱阻、熱容可以用Foster串聯網絡模型表示； 12、由于Foster熱阻、熱容網絡模型中的節點對節點熱容沒有明確的物理意義，利用結構函數法，將Foster網絡轉換為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻；13、按其階數將Cauer網絡模型的熱阻、熱容進行累加，繪制積分式結構函數曲線，為了更加明確地讀出熱阻構成結果，對積分式結構函數曲線取微分，獲得微分式結構函數曲線，器件A的熱阻即可根據譜線上的峰位的間距從曲線橫坐標直接讀出。14、
得到的半導體器件A的熱阻微分式結構函數曲線如圖8，其意義為半導體器件A內部熱阻，半導體器件A的熱阻范圍為0-12.32°C/W。
得到的半導體器件A、多層導熱材料C的熱阻微分式結構函數曲線，如圖5，為得到多層導熱材料C的熱阻，從中剔除半導體器件A的內部熱阻，得到多層導熱材料C (即鋁片及銅片)的熱阻范圍12.32-20.29 °C/W，可以直接讀出多層導熱材料C熱阻為7.97 °C/W，同時可以依據曲線峰位得到多層導熱材料C中，鋁片的熱阻為4.48°C/W，銅片為3.49°C/W。
權利要求
1.一種多層導熱材料熱阻測量方法，其特征在于:應用的裝置包括以下部分: 半導體器件A ; 測量系統B包括:采集板BI，用于采集半導體器件A兩端的電壓；恒流源B2，用于提供A的測試電流；恒流源B3，用于提供半導體器件A的加熱電流；計算機B4，用于控制采集板BI的開啟，以及恒流源B2、B3提供加熱電流和測試電流的通斷； 多層導熱材料C ； 具體操作步驟為: (1)自上至下，依次將半導體器件A、多層導熱材料C固定于恒溫平臺D上； (2)計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，調節恒溫平臺D的溫度，測量在不同溫度下半導體器件A兩端的電壓，擬合得到器件A的電壓-溫度系數； (3)從O時刻開始，計算機B4控制恒流源B3對半導體器件A通入加熱電流，經時間t1;待半導體器件A、多層導熱材料C、恒溫平臺D組成的系統的溫度保持穩定后，停止對半導體器件A施加加熱電流，系統開始冷卻； (4)計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，通過采集板BI采集測試半導體器件A的電壓，直至半導體器件A溫度等于恒溫平臺D的溫度；通過采集板BI采集這一溫度變化過程的半導體器件A兩端電壓，采集到的測量數據保存在計算機中，即可得到半導體器件A相對于恒溫平臺D的瞬態電壓冷卻響應曲線； (5)利用(2)測得的半導體器件A的電壓-溫度系數，將得到的半導體器件A瞬態電壓響應曲線轉換為瞬態溫度冷卻響`應曲線；該曲線可以表述為半導體器件A、多層導熱材料C、恒溫平臺D組成的串聯熱阻、熱容共同作用的結果；該串聯熱阻、熱容用Foster串聯網絡模型表示； (6)由于Foster熱阻、熱容網絡模型中的節點對節點熱容沒有明確的物理意義，利用結構函數法，將Foster網絡轉換為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻； (7)按照其階數將Cauer網絡模型的熱阻、熱容進行累加，繪制積分式結構函數曲線，為了更加明確地讀出熱阻構成結果，對積分式結構函數曲線取微分，獲得微分式結構函數曲線，半導體器件A、多層導熱材料C的熱阻即可根據譜線上的峰位的間距從曲線橫坐標直接讀出； (8)為了從中提取出多層導熱材料C的熱阻，需要有效剔除半導體器件A的熱阻，因此: 直接將半導體器件A固定至恒溫平臺D上；恒溫平臺D維持半導體器件A表面溫度恒定不變； (9)計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，調節恒溫平臺D的溫度，測量在不同溫度下半導體器件A兩端的電壓，擬合得到半導體器件A的電壓-溫度系數； (10)從O時刻開始，計算機B4控制恒流源B3對半導體器件A通入加熱電流，經時間\，待系統溫度保持穩定后，停止對半導體器件A施加加熱電流，系統開始冷卻； (11)計算機B4控制恒流源B2對半導體器件A通入測試電流，通過采集板BI采集測試半導體器件A的電壓，直至半導體器件A溫度等于恒溫平臺D的溫度；通過采集板BI采集這一溫度變化過程的半導體器件A兩端電壓，采集到的測量數據保存在計算機中，即可得到半導體器件A相對于恒溫平臺D的瞬態電壓響應曲線； (12)利用(2)測得的半導體器件A的電壓-溫度系數，將得到的半導體器件A瞬態電壓響應曲線轉換為瞬態溫度響應曲線；該曲線可以表述為半導體器件A、多層導熱材料C、恒溫平臺D組成的串聯熱阻、熱容共同作用的結果；該串聯熱阻、熱容可以用Foster串聯網絡模型表示； (13)由于Foster熱阻、熱容網絡模型中的節點對節點熱容沒有明確的物理意義，利用結構函數法，將Foster網絡轉換為Cauer網絡模型，將節點至節點熱容轉變為節點至地熱容，其中的熱阻表示模型中真實的熱阻； (14)按其階數將Cauer網絡模型的熱阻、熱容進行累加，繪制積分式結構函數曲線，為了更加明確地讀出熱阻構成結果，對積分式結構函數曲線取微分，獲得微分式結構函數曲線，半導體器件A內部的熱阻即可根據譜線上的峰位的間距從曲線橫坐標直接讀出；(15)比較(7)得到的半導體器件A、多層導熱材料C的熱阻微分式結構函數曲線和(14)得到的半導體器件A的熱阻微分式結構函數曲線，剔除半導體器件A的熱阻，即可得到多層導熱材料C的熱阻，同時可`根據譜線上的峰位的間距分別得到不同種類材料的熱阻。
全文摘要
一種多層導熱材料熱阻測量方法涉及測試領域，能夠測量多層導熱材料中每一層材料的熱阻。測試系統中半導體器件起熱源作用及測試作用；將半導體器件固定在多層導熱材料上表面，多層導熱材料下表面固定在恒溫平臺上；在任一時刻對半導體器件施加一段時間的工作電流，達到穩態后撤除工作電流，并在測試電流下測量出半導體器件結溫隨時間的變化曲線；由于多層導熱材料中各層材料的熱阻、熱容以及熱量傳輸速率的不同，測量得到的半導體器件結溫隨時間的變化曲線反映了各層導熱材料的熱阻和熱容；通過結構函數法，計算出多層導熱材料中各層材料的熱阻構成；該方法為非破壞性測試。
文檔編號G01N25/00GK103105410SQ20131000108
公開日2013年5月15日 申請日期2013年1月2日 優先權日2013年1月2日
發明者郭春生, 萬寧, 馮士維, 張燕峰, 石磊, 史冬 申請人:北京工業大學