CN108387601B - 一种高导热片-金属热沉界面热阻测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高导热片‑金属热沉界面热阻测量装置及方法，属于封装测量技术领域。该装置包括可调直流电源、集热***、集热体、保温绝热材料和温度数据采集***，可调直流电源连接集热***，温度数据采集***对集热***的数据进行采集，集热体设置在集热***内，集热体周围包裹保温绝热材料。可调直流电源给集热体加热；集热体传热通道上等距分布三个测温点，布置高精度热电偶进行温度测量；将待测试样的高导热片表面与集热体工作面进行直接接触，在金属热沉面一侧布置另一个高精度热电偶，进行温度采集。温度稳定后，记录各点温度作为计算温度。该装置总体结构简单、可靠，搭建成本低，可用于指导高导热材料与金属热沉材料的低热阻连接设计。

Description

一种高导热片-金属热沉界面热阻测量装置及方法

技术领域

本发明涉及封装测量技术领域，特别是指一种高导热片-金属热沉界面热阻测量装置及方法。

背景技术

电子设备的小型化趋势和单芯片电子元件密度的增加使得现代电子设备对热管理材料的性能要求越来越高。金刚石具有极高的硬度、低热膨胀系数和高导热率(高达2200W·m^-1k^-1)，在高功率电子芯片热设计中的作用十分显著。CVD金刚石片用作大功率电子设备的热沉材料时，除与功率电子器件进行连接外，也需要与外部散热***(通常是金属热沉***)进行连接(采用胶结或焊接手段)，因此，金刚石片-金属热沉连接界面是决定整个体系导热能力的一个关键环节。目前，一方面对金刚石片-金属界面的热传导机制的理解仍然不足。另一方面，关于界面热阻的测试方法及测量装置也相对缺乏，目前还难以获得真实可信的测量数据，从而限制了诸如金刚石片等超高导热材料的进一步应用推广。此外，从界面设计方面考虑，如何对金刚石类高导热片和金属的连接方式进行优选，也需要建立在对界面热阻数据进行有效采集的基础上。因此，基于上述现状，需要一套有针对性且行之有效的测量方法及装置，来实现上述目标。

关于传热界面热阻测试方法，通常有稳态法和瞬态法。前者是通过在两接触样品上保持一定温度差，测量两样品纵向各点温度值，再根据傅里叶定律外推至接触界面从而得到界面温差。这种方法测试相对简单，仪器操作容易，但是测量时间较长，对小薄片状试样不太容易实现，适合尺寸较大的样品。中国发明专利(公开号CN104359942A)采用该稳态测量方式；后者则采用热成像、激光光热、激光闪烁等手段，通过红外高速摄像***对接触的两样品界面进行高速红外二维温度记录，再通过一维反向问题求解得出界面热阻数据。该方法非接触、响应快、分辨率高，但对测量装置及算法要求极高，测量精度也有待提升。中国专利(CN104849308A)采用的就是瞬态测量方法。以上***专利虽然都是界面测量方法，但是前者仅适用于大尺寸构件，无法用于薄片导热片的连接热阻测量；后者则主要针对界面结构进行研究，采用的是专用热阻测试平台。

就目前的技术而言，尚没有一种简单有效的测量高导热片封装界面热阻的测量方法及装置，对于如金刚石高导热片以及其它热沉片的应用研究造成了一定的障碍。因此，需要探索一套相对简单有效、精度满意的高导热片-金属热沉界面热阻测量方法及装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高导热片-金属热沉界面热阻测量装置及方法，主要用于高导热片材料，特别是指CVD金刚石材料，与金属热沉材料的封装界面进行热阻测试分析。

该装置包括可调直流电源、集热***、集热体、保温绝热材料和温度数据采集***，可调直流电源连接集热***，温度数据采集***对集热***的数据进行采集，集热体设置在集热***内，集热体周围包裹保温绝热材料。

集热体封闭在集热***壳体中，集热***壳体中间由保温绝热材料填充。

集热体上等距离分布三个测温点，每个测温点上分别布置一个高精度热电偶进行温度测量。

集热体包括加热体、传热材料、高导热片和连接层，加热体周围布置传热材料，传热材料和连接层之间设置高导热片。

加热体采用并联处理，并联后通过一根导线连接到电源输出端；加热体通过盖板密封，固定在集热体下表面凹槽里。

采用该测量装置进行测量的方法，具体如下：

集热体上表面为工作面，将待测高导热片-金属热沉试样的高导热片表面与集热体工作面进行直接接触，集热体上的三个测温点布置高精度热电偶进行温度测量(T1、T2、T3)，并通过温度数据采集***记录；在待测高导热片-金属热沉试样的金属热沉面一侧同样布置另一个高精度热电偶(T4)，进行温度采集；测试时首先保持室温稳定，使各测温点在加热前处于同一温度；加热后各点温度逐渐上升，当各温度点温度保持稳定后，此时记录各点温度作为计算温度。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

1、测试方法及测试装置非常简单，一般实验室就可以完成组装测试，无需非常昂贵专业的试验检测仪器；

2、输入功率无极调节，测试范围较宽，涵盖低热流密度(瓦级)至高热流密度(百瓦级)器件界面热阻的测量；

3、待测对象无严格要求，可涵盖低热阻材料至高热阻材料；此外，外形尺寸也可以根据试件的大小进行调节；

4、操作简单，仅需通过调节电流确定输入功率，然后通过无纸记录***获得温度值，即可通过公式简单计算出连接界面的热阻值；

5、除定量计算界面热阻R外，还可以对界面传热效果进行定性分析，既通过在测试过程中输入固定功率W，记录T4随时间变化值，将时间和温度分别以横坐标和纵坐标进行做图，即可获得不同温升曲线，从而定性分析不同连接界面的热阻高低。

附图说明

图1为本发明的高导热片-金属热沉界面热阻测量装置结构示意图；

图2为本发明的高导热片-金属热沉界面热阻测量装置中集热体结构示意图；

图3为本发明实施例中输入功率密度8W/cm²条件下，两个不同界面连接体系获得的温升曲线。

其中：1-可调直流电源；2-集热***；3-集热体；4-保温绝热材料；5-温度数据采集***；6-加热体；7-传热材料；8-高导热片；9-连接层；10-待测高导热片-金属热沉试样。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种高导热片-金属热沉界面热阻测量装置及方法。

如图1所示，该测量装置包括可调直流电源1、集热***2、集热体3、保温绝热材料4和温度数据采集***5，可调直流电源1连接集热***2，温度数据采集***5对集热***2的数据进行采集，集热体3设置在集热***2内，集热体3周围包裹保温绝热材料4。可调直流电源1通过调节输入电流值及电压值，可以确定输入功率W，该输入功率可近似为加热功率，及集热体上产生的热功率W；

其中，集热体3封闭在集热***2壳体中，集热***2壳体中间由保温绝热材料4填充，从而保证由加热体产生的热量全部由底部传导至上表面，即工作面。集热体3上等距离分布三个测温点(T1、T2、T3)，每个测温点上分别布置一个高精度热电偶进行温度测量。

如图2所示，集热体3包括加热体6、传热材料7、高导热片8和连接层9，加热体6周围布置传热材料7，传热材料7和连接层9之间设置高导热片8。

加热体6采用并联处理，并联后通过一根导线连接到电源输出端；加热体6通过盖板密封，固定在集热体3下表面凹槽里。

采用该测量装置进行测量的方法，大致为：集热体3上表面为工作面，其表面温度(T0)由T1、T2、T3的变化规律进行线性拟合获得；将待测高导热片-金属热沉试样10的高导热片表面与集热体3工作面进行直接接触，此时认为高导热片表面温度也为T0，集热体3上的三个测温点布置高精度热电偶进行温度测量，并通过温度数据采集***5记录；在待测高导热片-金属热沉试样10的金属热沉面一侧同样布置另一个高精度热电偶，进行温度采集(T4)；测试时首先保持室温稳定，使各测温点在加热前处于同一温度。加热后各点温度逐渐上升，加热时间足够长时，各温度点温度将保持稳定，此时记录各点温度作为计算温度。

高导热片-金属热沉试样上下表面温度差为：

ΔT＝T0-T4

根据对应的输入功率W，则焊件整体的热阻R为：

R＝W/ΔT(单位为W/℃)

为了确保每个加热体产生的热量相同，所有加热体均采用并联处理，在所有导线连接处用绝缘胶带粘贴包覆，并联后通过一根导线连接到电源输出端。加热体通过盖板密封，均匀有序地固定在集热体下表面凹槽里。热电偶从保温绝热材料中穿过最终***集热体的传热通道上；整个测试过程中，除待测试样的金属热沉面暴露在外面，其余集热体及高导热片等均由保温绝热材料进行包覆。

在具体实施过程中，可调直流电源1输入电压为220V交流，输出范围0-10A连续可调，输出功率最大值500W；集热***2为一个密闭容器，一般采用绝热能力较好的聚合物材料制作，外形尺寸200×200mm，高度150mm，侧面根据热电偶分布位置预先布置有三个小孔，以便热电偶引线，本发明选用热电偶为T型热电偶，精度高、响应快，探头直径约1mm；集热体3为底部面积大，往上迅速减小，并最终有一段长度约10mm长的传热通道。传热通道侧面等距离分布三个直径1mm，深2mm左右的小孔，以便热电偶T1、T2、T3的***及固定。保温绝热材料4一般选用硅酸铝石棉材料，具有使用温度高，绝热效果好的特点；温度数据采集***5选用四通道商用数据记录仪，可同时对四个通道的热电偶温度数据进行采集并可输出。

该装置的核心部件为集热体3，其结构示意图如图2所示。集热体的主要部件为传热材料7，此处一般选用导热率非常高的紫铜材料。紫铜导热体下部设计有一个凹槽，其目的在于将陶瓷加热片通过盖板密封在凹槽中。铜导热体的上表面设计成了四个斜面，其目的在于减少漏热，从而让热量更好的集中在顶端的导热通道上表面；集热体底部分布有多个加热体6，一般采用陶瓷加热片，根据所测试样的温区范围进行布置，此处布置8片加热片，单片电阻12.4Ω，额定电压12V，尺寸10×10×1.2mm；在实际测试过程中，高导热片8表面紧贴集热体传热通道的上表面，两者接触面温度近似相同，以T0表示；高导热片与金属热沉材料之间一般通过胶接或焊接方式连接，因此中间连接层9也是决定整个界面热阻的核心；在待测高导热片-金属热沉试样10背面，布置测温点，对测试过程中热沉面的温度T4进行采集。

采用该装置针对三种不同焊接方式的金刚石片-铝热沉体封装结构进行测试。待测样品金刚石尺寸为10×10×1mm，铝片尺寸为25×25×2mm，焊料分别是PbIn，AuSn，SnInAg。在输入功率为8W/cm²条件下，测得的热阻值分别为：PbIn界面为4.94℃/W，AuSn焊料界面热阻为6.39℃/W，SnInAg为7.25℃/W。可见，在本次测试过程中，PbIn焊料显示出最好的界面传热效果，AuSn次之，界面传热最差为SnInAg焊料。此外，通过对待测试样进行变温测试，即通过对不同试样施加相同功率密度，然后记录金属热沉表面温度T4随时间变化规律。通过比较两个不同体系的温升曲线，能够定性的对连接界面的热阻进行分析。图3为在输入功率密度8W/cm²条件下，两个不同界面连接体系获得的温升曲线，可见曲线b的温升显著快于曲线a，说明b的界面热阻低，传热效果更好。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种高导热片-金属热沉界面热阻测量装置，其特征在于：包括可调直流电源(1)、集热***(2)、集热体(3)、保温绝热材料(4)和温度数据采集***(5)，可调直流电源(1)连接集热***(2)，温度数据采集***(5)对集热***(2)的数据进行采集，集热体(3)设置在集热***(2)内，集热体(3)周围包裹保温绝热材料(4)；

所述集热体(3)上等距离分布三个测温点，每个测温点上分别布置一个高精度热电偶进行温度测量；

所述集热体(3)包括加热体(6)、传热材料(7)、高导热片(8)和连接层(9)，加热体(6)周围布置传热材料(7)，传热材料(7)和连接层(9)之间设置高导热片(8)，高导热片(8)表面紧贴集热体(3)的传热通道上表面，传热材料(7)的上表面为四个斜面；

所述加热体(6)采用并联处理，并联后通过一根导线连接到电源输出端；加热体(6)通过盖板密封，固定在集热体(3)下表面凹槽里；

采用该装置进行测量的方法，具体为：集热体(3)上表面为工作面，将待测高导热片-金属热沉试样的高导热片表面与集热体(3)工作面进行直接接触，集热体(3)上的三个测温点布置高精度热电偶进行温度测量，并通过温度数据采集***(5)记录；在待测高导热片-金属热沉试样的金属热沉面一侧同样布置另一个高精度热电偶，进行温度采集；测试时首先保持室温稳定，使各测温点在加热前处于同一温度；加热后各点温度逐渐上升，当各温度点温度保持稳定后，此时记录各点温度作为计算温度。

2.根据权利要求1所述的高导热片-金属热沉界面热阻测量装置，其特征在于：所述集热体(3)封闭在集热***(2)壳体中，集热***(2)壳体中间由保温绝热材料(4)填充。

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