一種高精度的熱阻測試裝置及其測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種高精度的熱阻測試裝置及其測試方法，所述熱阻測試裝置包括機殼，所述機殼內設置有控制系統，在所述機殼上固定設置有垂直方向檢測平臺與水平方向檢測平臺，在所述機殼的一側面還設置有操作面板；所述垂直方向檢測平臺與水平方向檢測平臺以及操作面板均與所述控制系統電連接。本發明提供的熱阻測試裝置及測試方法，具有操作簡單，測試精度高等優點；而且通過引入水平方向的熱阻和導熱系數的測試，建立以水平方向與垂直方向測得的熱阻和導熱系數數據建立的導熱性能評估坐標系統，能更加有效地對PCB的導熱性能作出更加系統全面、準確的評估分析。
【專利說明】一種高精度的熱阻測試裝置及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及PCB (印制電路板)基板水平/垂直方向的熱阻值和導熱系數的測試，特別涉及一種適用于高亮度LED用PCB的導熱性能評估的測試裝置及測試方法。
【背景技術】
[0002]近些年來，隨著聯合國節能減排的號召，我國在綠色能源方面的倡導，LED發展勢頭迅猛。作為LED電路承載的PCB承擔著重要的熱通道作用，導熱性已經成為PCB可靠性的重要評估要素。特別是對有大功率要求的PCB，PCB導熱性評估更是必不可少。PCB實際上是多種材料經過一系列制程后的復合體，它的熱阻值和導熱系數并不是某一個材料的熱參量，而是一個等效值，不同材料組合和輔助處理對PCB的導熱性影響是不同的。
[0003]目前，現有的熱阻測試儀只能對PCB進行垂直方向的熱阻和導熱系數測試，而沒有對其水平方向的熱阻和導熱系數進行測試的功能，只對垂直方向測得的數據無法進行更加系統、有效的分析，其評估方式缺乏準確性與說服力。如何引入水平方向的熱阻和導熱系數的測試，更加有效地對PCB的導熱性能更加系統全面、準確地進行評估，是當前急需解決的問題。
【發明內容】
[0004]為了克服現有技術中的不足，本發明提供一種高精度、高效率以及操作方便的熱阻測試裝置，該熱阻測試裝置通過增加水平方向的熱阻和導熱系數的功能，使得對PCB的導熱性能的評估更加準確有效和評估方式也更加系統全面。
[0005]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0006]—種高精度的熱阻測試裝置，包括機殼，機殼內設置有控制系統，所述機殼的一側面設置有操作面板，機殼上設置有用于測試待測基板垂直方向的熱阻和導熱系數的垂直方向檢測平臺，所述垂直方向檢測平臺與操作面板均與所述控制系統電性連接，所述機殼上還設置有用于測試待測基板水平方向的熱阻和導熱系數的水平方向檢測平臺，該水平方向檢測平臺與所述控制系統電性連接，所述熱阻測試裝置還包括當測試時放置于垂直方向檢測平臺或水平方向檢測平臺上的，用于使待測基板處于密閉環境內進行測試的密封罩。
[0007]較佳地，所述水平方向檢測平臺包括一支撐架，所述支撐架包括底板、設置于底板上且與底板垂直的豎板、以及設置于所述豎板上的水平測試板，所述水平測試板上設置有用于與所述測試系統電性連接的導線以及用于固定待測基板的卡座，在與所述水平測試板同一側的支撐架上設置有用于獲取環境溫度并將環境溫度反饋至控制系統的溫度傳感器。
[0008]優選地，所述垂直方向檢測平臺包括水循環溫控系統、用于放置待測的待測基板的金屬塊，所述水循環溫控系統包括水箱，均與水箱連接的加熱裝置以及散熱裝置，所述水箱內頂部設置有測試水槽，水箱的側壁設置有用于測試所述測試水槽內水溫的溫度傳感器以及用于為測試水槽加水的加水口，所述金屬塊設置于所述水箱頂部，所述金屬塊部分伸進測試水槽內，且所述金屬塊置于測試水槽外的部分設置有溫度傳感器，該溫度傳感器將獲取的溫度反饋至所述控制系統；所述水箱內位于測試水槽的下方設置有備用水槽，測試水槽的側壁設置有與備用水槽連通的水位限高孔，且在水箱外所述測試水槽通過設置有水泵的管路與備用水槽連接。
[0009]優選地，所述待測基板包括基板，設置于基板上的TEG芯片，所述TEG芯片連接有導線且所述TEG芯片內置有電阻計算電路。
[0010]本發明提供的熱阻測試裝置，其測試方法步驟如下:
[0011]步驟一、選擇進行水平或垂直方向的導熱檢測；
[0012]步驟二、將焊接有TEG芯片的待測基板放置于相應的檢測平臺上，并連接好導線；
[0013]步驟三、控制系統初始化，獲取測試環境的初始溫度Ttl和TEG芯片的初始電阻R。，并計算TEG芯片的目標電阻Rt = R0+R0* (1+TCR*M)，其中，TCR為電阻溫度系數，M為TEG芯片的目標變化溫度，即M為可預定的常數溫度值；
[0014]步驟四、控制系統向TEG芯片提供功率P，獲取TEG芯片的實時電阻Rx，并計算TEG芯片的實時溫差ΔΤ = (Rx-2R0)/(R0^TCR)；[0015]步驟五、以TEG芯片的目標電阻Rt為參考值，對功率P進行調整，使TEG芯片的實時電阻Rx等于目標電阻Rt ；
[0016]步驟六、當TEG芯片的實時電阻Rx穩定地等于目標電阻Rt后，獲取此時的測試環境溫度T1，系統提供的功率Px，并計算TEG芯片溫度Tx = T1+ Λ T ;
[0017]步驟七、計算熱阻和導熱系數，熱阻R = (Tx-T0)/Px ;若為水平方向的導熱檢測，擇期導熱系數He = l/(R*Si)，若為垂直方向的導熱檢測，則其導熱系數Ke = t/(R*S2);其中，S1為待測基板面積，S2為TEG芯片面積，t為待測基板厚度；
[0018]步驟八，將焊有TEG芯片的待測基板的溫度冷卻至室溫后，對其進行另一個方向的導熱檢測，重復步驟二至步驟七。
[0019]優選地，在所述的步驟四中，控制系統向TEG芯片提供功率P時，功率P逐步增大，當TEG芯片的實時溫差Λ T = M時，則功率P不再增加；所述TEG芯片的目標變化溫度M優選為 M = 50°C。
[0020]在熱阻測試裝置的控制系統中，其建立有以水平方向與垂直方向測得的熱阻和導熱系數數據建立的導熱性能評估坐標系統。本熱發明提供的是既進行垂直方向測試又進行水平方向測試的導熱性能的“面”的評估方式，相對于現有熱阻測試儀只進行垂直方向測試的導熱性能的“點”的評估方式，可更加有效地對導熱性能更加系統、準確地進行評估，使得對導熱性能評估更加準確與可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]附圖1為本發明實施例中熱阻測試裝置的立體結構示意圖；
[0022]附圖2為本發明實施例中熱阻測試裝置的去掉玻璃罩并安裝有待測基板的結構示意圖；
[0023]附圖3為本發明實施例中熱阻測試裝置的主視結構示意圖；
[0024]附圖4為本發明實施例中熱阻測試裝置的俯視結構示意圖；
[0025]附圖5為附圖4中A-A的剖視圖；
[0026]附圖6為附圖4中B-B的剖視圖；[0027]附圖7為附圖4中C-C的剖視圖；
[0028]附圖8為本發明實施例中熱阻測試裝置工作的邏輯關系圖；
[0029]附圖9、10為本發明實施例中對水平方向檢測平臺相關部件的尺寸要求的示意圖；
[0030]附圖11為本發明實施例中垂直方向檢測平臺的立體結構示意圖；
[0031]附圖12為本發明實施例中垂直方向檢測平臺的水箱的剖視結構示意圖；
[0032]附圖13為本發明實施例中待測基板的結構示意圖；
[0033]其中:1_機殼，21-垂直方向檢測平臺，22-招塊,23-水箱,231-測試水槽，2311-水位限高孔，232備用水槽，24-加水口，25-風扇，26-散熱片，27-進水管，28抽水管，31-水平方向檢測平臺，32-底板，33-豎板，34-水平測試板，35-卡座，4-操作面板，41-操作按鈕，42-顯示面板，5-待測基板，51-基板，52-TEG芯片，53-導線，6-控制系統，7-溫度傳感器，81-出水管連接口，82-加熱棒連接口，83-排水口，9-玻璃罩。
【具體實施方式】
[0034]為了便于本領域技術人員的理解，下面結合附圖對本發明作進一步的描述。
[0035]如附圖1-7所示，一種高精度的熱阻測試裝置，包括機殼1，機殼上設置有用于測試待測基板垂直方向的熱阻和導熱系數的垂直方向檢測平臺21，機殼內設置有控制系統6，所述機殼的一側面設置有操作面板4 (包括操作按鈕41與顯示面板42)，所述垂直方向檢測平臺與操作面板均與所述控制系統電性連接，所述機殼上還設置有用于測試待測基板水平方向的熱阻和導熱系數的水平方向檢測平臺31，該水平方向檢測平臺與所述控制系統電性連接，所述熱阻測試裝置還包括當測試時放置于垂直方向檢測平臺或水平方向檢測平臺上的，用于使待測基板處于密閉環境內進行測試的密封罩。本發明實施例中，所述密封罩為透明的玻璃罩9。
[0036]該熱阻測試裝置的測試工作，通過操作面板4上的操作按鈕41觸發來實現，垂直方向檢測平臺21與水平方向檢測平臺31的測試工作，均通過控制系統6來控制實現，測試過程中的動態則通過顯示面板42來顯示，其邏輯關系圖如附圖8所示。
[0037]在熱阻測試裝置的控制系統中，其建立有以水平方向與垂直方向測得的熱阻和導熱系數數據建立的導熱性能評估坐標系統，同時，控制系統中還設置有數據自動分析功能模塊與穩態監控功能模塊。控制系統中的導熱性能評估坐標系統，是建立在既以垂直方向的熱阻和導熱系數又以水平方向熱阻和導熱系數的坐標系統，是一種“面”的評估方式，相對于現有熱阻測試儀只進行垂直方向測試的導熱性能的“點”的評估方式，可更加有效地對導熱性能更加系統、準確地進行評估，使得對導熱性能評估更加準確與可靠。另外，通過數據自動分析功能模塊，可簡化操作，將繁瑣的分析工作集成到控制系統中，使數據分析更加高效準確；通過穩態監控功能模塊，可在顯示面板上使整個檢測過程中的數據進行動態曲線顯示，使檢測過程數據化、圖表化、可視化，便于故障實時判斷。
[0038]以下對本熱阻測試裝置的水平方向檢測平臺作進一步的描述說明，如附圖2與附圖6所示，水平方向檢測平臺31包括一支撐架，該支撐架放置于機殼上設置的凹槽內。所述支撐架包括底板32、設置于底板上且與底板垂直的豎板33、以及設置于所述豎板上的水平測試板34，所述水平測試板上設置有用于與所述測試系統電性連接的導線(圖中未標示)以及用于固定待測基板的卡座35，在與所述水平測試板同一側的支撐架上設置有用于獲取環境溫度并將環境溫度反饋至控制系統的溫度傳感器7。
[0039]其中，在對水平方向測試時要求將待測基板置于一密閉的環境內進行(可用玻璃罩蓋合于水平方向檢測平臺上來實現)，并對測試要求的玻璃罩、支撐架、溫度傳感器的尺寸及相對位置也有明確要求，具體要求可參閱參閱附圖9、10，其中附圖9、10中的括號外標注的尺寸的單位為英寸，括號內的單位則為厘米。對于玻璃罩、支撐架、溫度傳感器的尺寸及相對位置的要求，為根據業內標準文件規定的，這里不再詳述。
[0040]對于本熱阻測試裝置的垂直方向檢測平臺，其可以采用現有技術中的垂直方向檢測平臺，但是基于現有的垂直方向檢測平臺占用空間大的缺點，本實施例提供一種占用空間小，集成度高的垂直方向檢測平臺。本實施例提供的垂直方向檢測平臺包括水循環溫控系統，用于放置待測的待測基板5的金屬塊(優選為鋁塊22)，所述水循環溫控系統包括水箱23，均與水箱連接的加熱裝置以及散熱裝置；所述水箱內的頂部設置有測試水槽231，水箱的側壁設置有用于測試所述測試水槽內水溫的溫度傳感器7以及用于為測試水槽加水的加水口 24，所述金屬塊設置于所述水箱頂部，所述金屬塊部分伸進測試水槽內，且所述金屬塊置于測試水槽外的部分設置有溫度傳感器7 ;所述水箱內位于測試水槽的下方設置有備用水槽232，測試水槽的側壁設置有與備用水槽連通的水位限高孔2311，且在水箱外所述測試水槽通過設置有水泵的管路與備用水槽連接。垂直方向檢測平臺中的溫度傳感器在獲取溫度后均將其反饋至控制系統。
[0041]如附圖11、12所示，圖11為本實施例中垂直方向檢測平臺的立體結構示意簡圖，圖12為水箱的剖視結構示意圖。該垂直方向檢測平臺包括一水箱23，該水箱連接有加熱裝置(本實施例中為加熱棒，圖中未標示)，散熱裝置(本實施例中包括散熱片26和風扇25),水泵(圖中未標示)等通過加熱裝置，散熱裝置以及水泵的作用可使水箱中的水溫升高或減低或使水溫穩定，構成一水循環溫控系統。水箱內的頂部設置有測試水槽231，測試水槽的下方則為備用水槽232，測試水槽的側壁設置有與備用水槽連通的水位限高孔2311，當測試水槽的水位高于水位限高孔時，水將流進備用水槽中。水箱的側壁設置有用于測試所述測試水槽內水溫的溫度傳感器7以及用于為測試水槽加水的加水口 24。水箱的一側壁設置有一與測試水槽連通的進水管27，且設置有與備用水槽連接的抽水管28，該進水管與抽水管之間連接有水泵(圖中未標示)，可使測試水槽與備用水槽之間進行水及熱交換。備用水槽一側壁的的下端還設置有出水管連接口 81排水口 83以及用于與加熱棒連接的加熱棒連接口 82。用于放置待測的待測基板(本實施例中，待測基板中的基板為PCB)的鋁塊22設置于水箱23頂部，且所述鋁塊部分伸進測試水槽內，用于與測試水槽中的水進行熱傳遞，且鋁塊置于測試水槽外的部分設置有用于檢測環境溫度的溫度傳感器7。
[0042]本實施例提供的垂直方向檢測平臺，是基于穩態法進行設計的，與現有技術相比，具有集成度聞，占用空間小等優點。
[0043]在利用本熱阻測試裝置進行測試前，先準備好待測試的待測基板5，該待測基板包括基板51，設置于基板上的TEG芯片52 (即測試元件組芯片)，TEG芯片上連接有導線53且TEG芯片內置有電阻計算電路。本實施例提供的待測基板的結構如附圖13所示。
[0044]以下將進一步說明利用本熱阻測試裝置進行熱阻和導熱系數測試的方法步驟:
[0045]步驟一、選擇進行水平或垂直方向的導熱檢測；[0046]步驟二、將焊接有TEG芯片的待測基板放置于相應的檢測平臺上，并連接好導線，使其與控制系統電性連接；
[0047]步驟三、控制系統初始化，獲取測試環境的初始溫度Ttl和TEG芯片的初始電阻R0，并計算TEG芯片的目標電阻Rt = R0+R0* (1+TCR*M)，其中，TCR為電阻溫度系數，M為TEG芯片的目標變化溫度，本實施例中，所述M = 50°C ;
[0048]步驟四、控制系統向TEG芯片提供功率P，獲取TEG芯片的實時電阻Rx，并計算TEG芯片的實時溫差ΔΤ = (Rx-2R0)/(R0^TCR)；
[0049]步驟五、以TEG芯片的目標電阻Rt為參考值，對功率P進行調整，使TEG芯片的實時電阻Rx等于目標電阻Rt ；
[0050]步驟六、當TEG芯片的實時電阻Rx穩定地等于目標電阻Rt后，獲取此時的測試環境溫度T1，控制系統提供的功率Px，并計算TEG芯片溫度Tx = T1+ Λ T ;
[0051]步驟七、計算熱阻和導熱系數，熱阻R = (Tx-T0)/Px ;若為水平方向的導熱檢測，擇期導熱系數He = l/(R*Si)，若為垂直方向的導熱檢測，則其導熱系數Ke = t/(R*S2);其中，S1為待測基板面積，S2為TEG芯片面積，t為待測基板厚度； [0052]步驟八，將焊有TEG芯片的待測基板的溫度冷卻至室溫后，對其進行另一個方向的導熱檢測，重復步驟二至步驟七；當進行水平方向的導熱檢測時，需要將玻璃罩罩合于水平方向檢測平臺上，使待測基板處于密閉的環境內進行測試。當然，在進行垂直方向的導熱檢測時，也可選擇使待測基板處于密閉環境內進行。
[0053]其中，測試環境的初始溫度T。，測試環境溫度T1均通過溫度傳感器獲取，由于TEG芯片內置有電阻計算電路，因此控制系統可直接獲TEG芯片的初始電阻IVTEG芯片的實時電阻Rx，而電阻溫度系數TCR、待測基板面積SpTEG芯片面積S2、待測基板厚度t均為可預知或預先測試所得的常數值。
[0054]由TEG芯片的實時溫差Λ T的計算公式AT= (Rx-2R0) / (R0^TCR)，結合TEG芯片的目標電阻Rt的計算公式Rt = R+IVKl+TCI^M)，可知當Rx = Rt時，TEG芯片的實時溫差Λ T等于TEG芯片的目標變化溫度M。因此，在測試過程中，在所述的步驟四中，控制系統向TEG芯片提供功率P時，功率P逐步增大，當TEG芯片的實時溫差AT = M = 50°C時，則功率P不再增加，此時Rx會接近等于Rt，在步驟五中只需對功率P進行微調，即可使Rx =Rt0
[0055]利用本發明提供的熱阻測試裝置及測試方法，具有操作簡單，測試精度高等優點；而且通過引入水平方向的熱阻和導熱系數的測試，建立以水平方向與垂直方向測得的熱阻和導熱系數數據建立的導熱性能評估坐標系統，能更加有效地對PCB的導熱性能作出更加系統全面、準確的評估分析。本發明特別適用于高亮度LED用PCB的導熱性能評估，當然也可用于其他類型的PCB進行導熱性能評估。
[0056]上述實施例中提到的內容為本發明較佳的實施方式，并非是對本發明的限定，在不脫離本發明構思的前提下，任何顯而易見的替換均在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種高精度的熱阻測試裝置，包括機殼，機殼內設置有控制系統，所述機殼的一側面設置有操作面板，機殼上設置有用于測試待測基板垂直方向的熱阻和導熱系數的垂直方向檢測平臺，所述垂直方向檢測平臺與操作面板均與所述控制系統電性連接，其特征在于:所述機殼上還設置有用于測試待測基板水平方向的熱阻和導熱系數的水平方向檢測平臺，該水平方向檢測平臺與所述控制系統電性連接，所述熱阻測試裝置還包括當測試時放置于垂直方向檢測平臺或水平方向檢測平臺上的、用于使待測基板處于密閉環境內進行測試的密封罩。
2.根據權利要求1所述的熱阻測試裝置，其特征在于:所述水平方向檢測平臺包括一支撐架，所述支撐架包括底板、設置于底板上且與底板垂直的豎板、以及設置于所述豎板上的水平測試板，所述水平測試板上設置有用于與所述測試系統電性連接的導線以及用于固定待測基板的卡座，在與所述水平測試板同一側的支撐架上設置有用于獲取環境溫度并將環境溫度反饋至控制系統的溫度傳感器。
3.根據權利要求1或2所述的熱阻測試裝置，其特征在于:所述垂直方向檢測平臺包括水循環溫控系統、用于放置待測的待測基板的金屬塊，所述水循環溫控系統包括水箱，均與水箱連接的加熱裝置以及散熱裝置，所述水箱內頂部設置有測試水槽，水箱的側壁設置有用于測試所述測試水槽內水溫的溫度傳感器以及用于為測試水槽加水的加水口，所述金屬塊設置于所述水箱頂部，所述金屬塊部分伸進測試水槽內，且所述金屬塊置于測試水槽外的部分設置有溫度傳感器。
4.根據權利要求3所述的熱阻測試裝置，其特征在于:所述水箱內位于測試水槽的下方設置有備用水槽，測試水槽的側壁設置有與備用水槽連通的水位限高孔，且在水箱外所述測試水槽通過設置有水泵的管路與備用水槽連接。
5.根據權利要求3所述的熱阻測試裝置，其特征在于:所述待測基板包括基板，設置于基板上的TEG芯片，所述TEG芯片連接有導線且所述TEG芯片內置有電阻計算電路。
6.一種如權利要求1-5中任一項所述的熱阻測試裝置的測試方法，所述測試方法步驟包括: 步驟一、選擇進行水平或垂直方向的導熱檢測； 步驟二、將焊接有TEG芯片的待測基板放置于相應的檢測平臺上，并連接好導線； 步驟三、控制系統初始化，獲取測試環境的初始溫度Ttl和TEG芯片的初始電阻Rtl,并計算TEG芯片的目標電阻Rt=RfRci* (1+TCR*M)，其中，TCR為電阻溫度系數，M為TEG芯片的目標變化溫度； 步驟四、控制系統向TEG芯片提供功率P，獲取TEG芯片的實時電阻Rx，并計算TEG芯片的實時溫差 Λ T= (Rx-2R0)/ (Rq*TCR); 步驟五、以TEG芯片的目標電阻Rt為參考值，對功率P進行調整，使TEG芯片的實時電阻Rx等于目標電阻Rt ； 步驟六、當TEG芯片的實時電阻Rx穩定地等于目標電阻Rt后，獲取此時的測試環境溫度T1，系統提供的功率Px，并計算TEG芯片溫度Tx=T1+ Δ T ； 步驟七、計算熱阻和導熱系數，熱阻R=(Tx-Ttl)/ Px ;若為水平方向的導熱檢測，則其導熱系數He=I/ (I^S1),若為垂直方向的導熱檢測，則其導熱系數Ke=t/ (R*S2);其中，S1為待測基板面積，S2為TEG芯片面積，t為待測基板厚度；步驟八，將焊有TEG芯片的待測基板的溫度冷卻至室溫后，對其進行另一個方向的導熱檢測，重復步驟二至步驟七；當進行水平方向的導熱檢測時，將所述的待測基板置于一密閉的環境內進行測試。
7.根據權利要求6所述的測試方法，其特征在于:在所述的步驟四中，控制系統向TEG芯片提供功率P時，逐步增大功率P，當TEG芯片的實時溫差Λ T=M時，則功率P不再增加。
8.根據權利要求6或7所述的測 試方法，其特征在于:所述TEG芯片的目標變化溫度M優選為M=50°C。
【文檔編號】G01N25/20GK103913483SQ201410166724
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月23日 優先權日:2014年4月23日
【發明者】王建平, 賀恪, 左召林, 梅領亮, 徐地華, 吳敏 申請人:廣東正業科技股份有限公司