液冷冷板熱阻的瞬態電學測試方法與流程

本發明屬于電子設備熱控領域的熱阻測試方法。

背景技術：

隨著科學技術的進步，電子設備的復雜程度不斷提高，工作容量同益增大，自身體積急劇縮小，隨著電子元器件體積功率的劇增，自然冷卻及強迫風冷的冷卻方式已難以滿足電子元器件熱設計的需要。冷板作為一種高效成熟的換熱設備，在電子設備冷卻中得到廣泛的應用。目前，電子器件的發展逐漸趨于微型化和集成化。微型化和集成化的電子器件不僅增大了加工和裝配難度，同時增大了電子器件的散熱難度。據統計，絕大部分的電子器件損壞是由于溫度過熱引起的。電子設備中的發熱源(芯片)的熱流密度越來越高，工程上的應用已達到300W/cm²的量級，預計很快將要達到1000W/cm²這一數量級。尤其是硅集成電路的出現，使得電路的集成度急劇升高。對于這些集成度較高的芯片來說，其產生的熱量急劇增加，導致熱流密度的升高，進而導致電子設備溫度升高，從而使電子設備失效。

隨著半導體器件功率、頻率、集成度的不斷提高，產生的高功耗會使器件芯片的工作溫升急劇增加。根據阿倫紐斯模型，器件壽命隨溫度呈指數下降。溫升不但會對半導體器件壽命產生影響，也會影響器件的特性并且引發其它的失效機理。因此，精確測量半導體器件的溫升和熱阻對提高器件性能有舉足輕重的意義。常見的熱特性熱量技術可分為物理接觸法、光學法、電學法三大類。物理接觸法是指把溫度傳感器與被測器件進行直接物理接觸來進行溫度測量。光學法是利用光的特性對半導體器件進行溫度測量的技術手段，通常測量其自然激發輻射、反射輻射和散射等特性。物理接觸法和光學方法的一個較大限制就是只能得到器件表面方向的溫度分布，卻無法獲得器件縱向的溫度分布和熱阻構成分布。電學法是測量半導體器件的溫升和熱阻等熱特性的有力工具。半導體器件的許多電學參數都有很強的溫度相關性，例如PN結正向導通電壓、閾值電壓、漏電流和增益等等。因此，通過對多電學溫敏參數的細致測量，可以得到半導體器件的工作溫度。

在現有的電子器件冷卻方式中，傳統強迫風冷技術即使在采用先進風扇和優化大面積熱沉時，冷卻能力也僅可達到20W/cm²，且這樣的散熱形式會占用很大的空間以及浪費大量的材料。而液冷冷板作為一種高效的換熱設備而被廣泛應用，在一些電子器件的冷卻當中，其傳熱效能高，傳熱功率為傳統風冷方式的20倍以上。液冷冷板不僅傳熱效能高，而且穩定可靠，正是由于它在電子元器件熱控中的眾多優勢，使其成為當前電子設備熱設計領域的一項研究熱點。冷板是一種單流體換熱器，由基板、翅片和擋板組成，翅片間通道中通以冷卻流體，電子器件(即冷板的熱源)則被固定在一側或兩側基板上，熱量由電子器件通過導熱傳給基板和翅片，然后由冷卻流體帶走。翅片主要用來擴大傳熱面積，減少流體的熱邊界層厚度來降低熱阻，進而提高傳熱效能。目前常用液冷的形式對發熱器件進行冷卻的具體方法是：器件的熱量傳導至冷板，通過對流與冷板中運行的工質交換熱量，再由工質把熱量帶走。

冷板熱阻是液冷設計中非常重要的參數，只有準確獲得了冷板熱阻，才能更好地進行優化設計。器件結至冷卻流體的總熱阻由三部分組成，即內部熱阻、外部熱阻和系統熱阻。內部熱阻是指器件發熱區到器件安裝面之間的熱阻；外部熱阻是指器件安裝面到基板的接觸熱阻；系統熱阻是指基板與冷卻流體之間的熱阻。液冷冷板熱阻可以反映芯片、焊接層和管殼的燒結或粘結等質量問題,熱阻特性對半導體器件的可靠性有著至關重要的影響。因此,熱阻測試的準確性十分重要,與之相關的測試方法研究也倍受重視。

傳統上，封裝的半導體器件可以看作由芯片、焊料、管殼等成份組成的串聯熱阻、熱容網絡，器件的結殼熱阻為熱傳導路徑上各成份熱阻之和，器件的瞬態加熱響應曲線是各成份熱阻、熱容共同作用的結果。現有技術一般通過測試冷板兩側的溫差來確定熱阻。其測試方法是：將熱源或熱源陣列安裝在冷板上，使熱源盡量穩定地發熱，計算出其熱流密度，此時使用一組熱電偶來測量熱源下方冷板兩側的溫差，用此溫差除以熱流密度就可得到冷板的熱阻值。但是，傳統方法存在以下問題：

a)由于冷板的一面安裝有熱源，因此該面豎直方向上在冷板的投影點處的溫度很難測量；

b)傳統測試熱阻的方法一般采用穩態的方式來測試，要使液冷冷板在常規條件下加熱達到穩態，一般需要1～2小時。而且一般需要定制專門的測試用熱源，例如電阻或專用半導體，必須要把冷板單獨拆卸下來測試，周期較長，測試效率低下；

c)誤差：1、熱電偶的固定位置如果不在理論固定點上，會由于距離產生較大誤差；2、傳統方法使用的熱源一般為電阻，若發熱不均勻，也直接影響到熱路傳輸距離的測算；3、由于冷板本身是三維的傳熱結構，因此一維方向上的熱流密度是很難估算的，這就會導致對熱流密度的計算誤差較大；4、由于標定或儀器誤差，會導致測試系統的累積誤差。

綜上，利用傳統方法來測量冷板熱阻存在測量難和誤差大的問題，而且由于冷板在多數情況下安裝在致密的電子設備中，不具有安裝常規熱源的條件，因此傳統方法要把冷板單獨拆卸下來進行測試，亟需引入新的方法來進行測量。

瞬態熱測試儀T3Ster是一種用來測量封裝半導體器件以及其他電子設備的瞬態熱特性的半導體熱阻測試設備，其基本功能是通過電學的測試方法和數學上的變換算出結構函數，直接測量熱阻曲線，分離出半導體的熱阻。T3Ster可以提供非破壞性的熱測試方法，其測試原理是：對于一般的半導體器件，其加載電壓總是隨著結溫的上升而呈現下降趨勢。而且，對于普通的二極管(由于三極管的PN結之間同樣具有二極管的特性，因此也可以是普通的三極管)，一般在(25～125)℃這一溫度區間內，加載電壓與結溫之間呈現如圖1所示的反比例線性關系,(圖1中，直線的電壓溫度系數稱為k系數)。得到k系數之后，首先通過改變電子器件的功率輸入；之后通過測試設備熱相關參數測試出電子器件的瞬態溫度變化曲線；對溫度變化曲線進行數值處理，通過數學變換得出結構函數；從結構函數中分離出熱阻和熱容等熱物性參數。

技術實現要素：

本發明的目的是針對現有技術存在的不足之處，提供一種方便靈活快捷，無需定制測試用熱源和拆卸冷板，熱阻測試效率高，能夠提高熱阻測試精度的瞬態電學測試液冷冷板熱阻的方法，以解決高熱流密度的電子設備液冷冷板的熱阻測量問題。

本發明實現上述目的一種電學測試液冷冷板瞬態熱阻的方法，其特征在于包括如下步驟：

瞬態熱測試儀T3Ster儀器電連接計算機，將半導體器件及其適配器連接到T3Ster測試主機的對應接口上；然后在計算機內置T3Ster的測試軟件中，根據半導體器件和冷板特性，設置加熱時間、冷卻時間、加熱電流、測試電流和電壓表量程主要參數；使用T3Ster開始瞬態電學測試，獲取被測半導體器的冷卻曲線并保存為測試文件；輸入之前測試出的被測半導體器的電壓溫度系數k的系數值，并保存文件；去掉測試曲線中的噪點；計算半導體器件的微分結構函數，從微分結構函數的多個極值點中分離出冷板熱阻、接觸熱阻、器件散熱器熱阻、封裝熱阻和半導體器件結熱阻的信息；最后根據被測半導體的微分結構函數曲線，以曲線中的極大值點為分離點，從右至左依次將曲線按R₁、R₂、R₃…R_n劃分為n個不同的區域，以最右側的區域R₁為代表整個傳熱路徑系統中緊鄰環境的最后一處熱阻值，將R₁作為液冷冷板熱阻。

本發明相比于現有技術測試方法，具有如下有益效果。

無需定制測試用熱源。本發明除使用T3Ster和普通的二極管或三極管之外，無需額外定制或采購器件，測試周期短。解決了傳統方法一般需要定制專門的測試用熱源(專用電阻或專用半導體，例如定制與冷板匹配的厚膜電阻等)，測試周期較長的問題。本發明采用瞬態熱測試儀T3Ster，除使用普通的二極管或三極管之外，無需額外定制或采購器件，實驗準備周期短。解決了傳統方法一般需要定制專門的測試用熱源，例如電阻或專用半導體，準備周期較長的問題。

熱阻測試效率高。本發明一般可在數分鐘內完成測試，并以極快的速度進行后處理，進而分離出冷板熱阻，加快了熱阻測試速度。且產品設計者可以相對較為簡便地進行多次迭代測試，直接縮短了電子設備產品的設計優化周期。避免了傳統方法中要使液冷冷板在常規條件下加熱達到穩態，一般需要1～2小時(根據MIL-STD-810D的規定，以受試品的溫度達到平衡為止，允許受試品按依其外形尺寸選擇達到溫度平衡所需要的保溫時間，受試品外形尺寸在100mm時，其保溫時間為1.5h)，測試時間較長的問題。

提高了熱阻測試精度。本發明利用結構函數曲線能夠非常準確的得到半導體器件縱向熱阻構成，為器件設計和熱特性測試提供非常好的條件。根據T3Ster的計算理論，測試誤差主要在于后期數學處理過程中的結構函數分離誤差，該誤差可控制到±2％以內(由于它能提供極其精確的溫度測量，使用二極管傳感器時能達到0.01℃的測試精度；假設50mV溫度引起步進電壓改變的前提下，其靈敏度能到2mV/℃)，遠低于傳統測試方法的測試誤差，直接提高了提高熱阻測試精度。因此，產品設計者可獲取到更為精確的液冷冷板熱阻數據，更好地控制關鍵發熱器件的溫度，無論對于提升電子設備的主要性能還是提升器壽命都有較為積極的影響。

無損測試。本發明基于電學法的半導體器件芯片溫升及熱阻縱向構成分析技術，能夠準確的測量半導體器件傳熱路徑中的分熱阻構成，可以無損地檢測出冷板熱路中分層失效的部位。該方法具有測試速度快，對冷板及器件結構無損害等優點。

附圖說明

圖1是本發明關于半導體器件加載電壓與結溫的關系曲線示意圖。

圖2是本發明關于測試時恒流源的輸出電流曲線示意圖。

圖3是本發明關于被測半導體器件加載電壓隨時間的變化曲線示意圖。

圖4是本發明關于被抽取出的半導體器件冷卻曲線示意圖。

圖5是本發明關于半導體器件的結溫變化曲線示意圖。

圖6是本發明關于半導體器件的熱阻曲線示意圖。

圖7是本發明關于半導體器件的微分結構函數曲線示意圖。

圖8是本發明關于半導體器件的電路連接圖。

圖9是本發明關于冷板測試半導體安裝圖。

具體實施方式

參閱圖1-圖9。根據本發明，瞬態熱測試儀T3Ster儀器相連計算機，將半導體器件及其適配器連接到T3Ster測試主機的對應接口上；然后在計算機內置T3Ster的測試軟件中，根據半導體器件和冷板特性，設置加熱時間、冷卻時間、加熱電流、測試電流和電壓表量程主要參數；使用T3Ster開始瞬態電學測試，獲取被測半導體器的冷卻曲線并保存為測試文件；輸入之前測試出的被測半導體器的電壓溫度系數(k系數)值，并保存文件；去掉測試曲線中的噪點；計算半導體器件的微分結構函數，從微分結構函數的多個極值點中分離出冷板熱阻、接觸熱阻、器件散熱器熱阻、封裝熱阻和半導體器件結熱阻的信息；最后根據被測半導體的微分結構函數曲線，以曲線中的極大值點為分離點，從右至左依次將曲線按R₁、R₂、R₃…R_n劃分為n個不同的區域，以最右側的區域R₁為代表整個傳熱路徑系統中緊鄰環境的最后一處熱阻值，將R₁作為液冷冷板熱阻。具體可以采用如下步驟：

首先使用T3Ster連接計算機，進行電壓溫度系數(k系數)的測試：在一定溫度區間內測試半導體加載電壓隨半導體安裝面溫度的關系，并保存文件。接下來，安裝好被測冷板與被測半導體器件，開始熱阻測試。通過內置恒流源，瞬態熱測試儀T3Ster對被測器件施以如圖2所示變化的輸出電流曲線值。圖中的大電流是發熱電流，目的是使半導體器件發熱；小電流是測試電流，目的是通過對其施加恒定電流來使其兩端加載電壓，該電流不會使得被測半導體器件出現熱效應。接著，T3Ster儀器將記錄下如圖3所示加載在半導體器件兩端的電壓隨時間變化的曲線。測試開始時，結溫為T₀，加載的小電流(測試電流)會在半導體器件兩端施加測試穩態電壓V_F,sense,0；一旦大電流(加熱電流)開啟，則半導體器件兩端電壓會突然上升至加熱初始電壓V_F,drive,1，隨著實驗進行，大電流會使得器件的結溫逐漸上升，經過加熱時間t后，熱流途徑上的各結構層達到熱平衡狀態，此時結溫升至T₁，加載在半導體器件兩端的電壓會逐漸略微下降，直至半導體器件結溫保持恒定，此時的加載電壓為加熱穩態電壓V_F,drive,0；當加熱完畢，T3Ster儀器會切斷加熱電流，再次施以測試電流對器件進行測試。剛切換至測試電流時，由于半導體器件溫度較高，因此此時的加載電壓略低于之前加載小電流時的電壓，此時的電壓為測試中間電壓V_F,sense,1。隨著半導體器件逐漸冷卻，加載電壓會逐漸回復到原先測試穩態電壓V_F,sense,0的水平，被測器件在測試電流下正向電壓V_F,sense(t)隨時間的變化曲線，稱為冷卻響應曲線(簡稱冷卻曲線)。瞬態熱測試儀T3Ster將抽出這一段冷卻曲線(有時也可以是加熱曲線)進行連續的數學變換，并得出測試結果，變換方式如下：

瞬態熱測試儀T3Ster根據抽取出如圖4所示的半導體器件的冷卻曲線，將取出的冷卻曲線的縱坐標，以k系數作為分母進行變換，得到如圖5所示的半導體器件的結溫變化曲線。瞬態熱測試儀T3Ster對圖5中的結溫變化曲線，以半導體器件功率作為分母再次進行變換，可得如圖6所示的半導體器件的熱阻曲線，圖中橫坐標為時間常數τ＝R·C，R是熱阻，C是熱容，縱坐標為熱阻。

瞬態熱測試儀T3Ster根據得到的熱阻曲線交換圖6中熱阻曲線的橫縱坐標，并再次進行數學變換，可得如圖7所示微分結構函數曲線，圖中，橫坐標是熱阻，縱坐標是熱容C對熱阻R的微分。從圖7中可以看到，半導體器件的微分結構函數曲線一般具有多個極大值點，在多個極大值點中，每兩個極大值點之間的距離為該半導體器件傳熱路徑中某一層的熱阻。

實施例1

由于SOT-93封裝的晶體管，比如三極管可以滿足T3Ster的測試封裝要求，因此可以使用一只SOT-93封裝的三極管作為被測半導體器件，并進行如下步驟：

參閱圖1。第一，測量三極管的k系數：將該三極管及其適配器連接到瞬態熱測試儀T3Ster測試主機的對應接口上；然后把該三極管置入T3Ster自帶恒溫槽中，并保持良好接觸；接著在計算機內置的T3Ster測試軟件中，根據該三極管特性，設置測試溫度區間；在給定溫度區間內進行k系數測試并保存測試結果；

參閱圖8。第二，根據如圖8所示的半導體器件電路連接圖，將該三極管及其適配器連接到T3Ster測試主機的對應接口上；

參閱圖9。第三，根據冷板測試半導體安裝圖，使用導電銀漿將三極管1粘接在液冷冷板2上，連接入口液冷接頭3和出口液冷接頭4。將冷板2連接到液冷系統中，將三極管1與瞬態熱測試儀T3Ster相連接，將T3Ster與計算機相連；

第四，用液冷管路連接冷板以及驅動泵，并對驅動泵加電，使液冷系統正常工作；

第五，根據三極管和冷板特性，設置加熱時間、冷卻時間、加熱電流、測試電流和電壓表量程等主要參數；

第六，開始測量，在測量三極管的熱阻時，使用加熱-冷卻的實驗方法得到該三極管的冷卻曲線，并保存結果；

第七，進行數據分析：a)使用T3Ster分析軟件內置平方根擬合的數學方式，去掉冷卻曲線的前端噪點，b)根據冷卻曲線，進行數學變換，計算該三極管傳熱路徑的微分結構函數，c)分離該微分結構函數曲線中不同的熱阻區間，分離方法如下：1)找到如圖7所示微分結構函數曲線中的極大值點，2)從右至左依次將微分結構函數依據極值點劃分為n個不同的區域，3)以所述區域最右側的區域R₁代表被測液冷冷板的熱阻值。