CN109211963A - 一种导热材料热阻性能检测***及检测方法 - Google Patents

一种导热材料热阻性能检测***及检测方法 Download PDF

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CN109211963A CN201710527319.3A CN201710527319A CN109211963A CN 109211963 A CN109211963 A CN 109211963A CN 201710527319 A CN201710527319 A CN 201710527319A CN 109211963 A CN109211963 A CN 109211963A
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Abstract

本发明公开了一种导热材料热阻性能检测***及检测方法。该检测***包括：温控平台，用于放置待检测的导热材料以及调节温度；半导体发热器件，设置在所述温控平台上方，用于反馈测试回路中温度同电压的关系，将温度转化为电压进行量化，作为热阻检测依据；加热电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；散热检测电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；切换电路，设置在所述加热电路与所述半导体发热器件之间，以及所述散热检测电路和所述半导体发热器件之间，用于控制所述加热电路和所述散热检测电路之一与所述半导体发热器件导通。并提供了基于该性能检测***的一种导热材料的热阻性能检测方法，实现了对导热材料的热阻性能精确检测以及重复检测。

Description

一种导热材料热阻性能检测***及检测方法
技术领域
本发明实施例涉及导热材料性能检测技术，尤其涉及一种导热材料热阻性能检测***及检测方法。
背景技术
随着电力电子技术的发展，大功率、超大功率的器件越来越多的被应用，解决好器件的散热问题成为发展电力电子器件的关键。封装结构中的散热材料是电力电子器件的主要散热渠道，所以挑选具有优良导热性能的材料作为器件的封装体至关重要。
现有技术中大多数的对导热材料热阻的测量方法多通过如图1a所示结构实现，包括发热单元10，具有导热性能的导热材料20和工作台30，导热材料20被固定在发热单元10和工作台30之间；现有技术中对导热材料热阻的检测***多采用如图1b所示的结构，通过对发热单元10加热，热量通过导热材料20传递到工作台30，用测温仪40实时检测加热单元10的测温点A和工作台30的下测温点的温度，待上测温点A和下测温点B温度稳定后，记录上测温点A和下测温点B的温度数据，通过计算发热单元10的功耗和由测温仪40测量到的发热单元10和工作台30的温差来和计算导热材料20的导热性能。
现有技术中采用的热阻测量方法中，工作台30热量不能及时散走，温度容易聚集升高，造成加热单元10和工作台30温度稳定后进行温度测试和计算导热材料的导热性能不精确，导致测量结果出现误差。
发明内容
本发明提供一种导热材料性能检测***及检测方法，以实现对导热材料热阻性能的检测，且检测精度高，重复性好。
本发明实施例提出一种导热材料热阻性能检测***，通过提供由温控平台、半导体发热器件、加热电路、散热检测电路以及切换电路组成的导热材料热阻性能检测***，以及基于该性能检测***的检测方法，实现对导热材料的热阻性能精确检测以及重复检测。
第一方面，本发明实施例提供了一种导热材料热阻性能检测***，该检测***包括：
温控平台，用于放置待检测的导热材料以及调节温度；
半导体发热器件，设置在所述温控平台上方，用于反馈测试回路中温度同电压的关系，将温度转化为电压进行量化，作为热阻检测依据；
加热电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；
散热检测电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；
切换电路，设置在所述加热支路与所述半导体发热器件之间，以及所述散热检测电路和所述半导体发热器件之间，用于控制所述加热电路和所述散热检测电路之一与所述半导体发热器件导通。
第二方面，本发明实施例还提供了一种基于上述导热材料热阻性能检测***的导热材料热阻性能检测方法，该方法包括：
获取半导体发热器件的导热系数；
控制所述切换电路以使所述加热电路与所述半导体发热器件导通，调节所 述控温平台至设定第一温度，并实时检测所述半导体发热器件的沟道压降，直至所述沟道压降达到稳定，记录此时的第一沟道压降和电流源的第一电流；
控制所述切换电路以使所述散热检测电路与所述半导体发热器件导通，并实时跟踪发热器件的沟道压降，并根据导热系数、所述沟道压降与所述第一沟道压降计算发热器件的第一温度变化量；
根据所述沟道压降、所述第一沟道压降与所述第一电流计算所述发热器件的第一功耗值；
根据所述第一温度变化量与所述第一功耗值计算第一热阻值；
在所述温控平台与所述半导体发热器件之间加入待检测导热材料；
控制切换电路以使所述加热电路与所述半导体发热器件导通，调节所述控温平台至设定第二温度，所述第二温度与所述第一温度值相同，并实时检测所述半导体发热器件的沟道压降，直至所述沟道压降达到稳定，并记录此时的第二沟道压降和电流源的第二电流；
控制所述切换电路以使所述散热检测支路与所述半导体发热器件导通，并实时跟踪发热器件的沟道压降，并根据导热系数、所述沟道压降与所述第二沟道压降计算发热器件的第二温度变化量；
根据所述沟道压降、所述第二沟道压降与所述第二电流计算所述发热器件的第二功耗值；
根据所述第二温度变化量与所述第二功耗值计算第二热阻值；
根据所述第一热阻值与所述第二热阻值的差值，获取所述待检测导热材料的热阻。
本发明通过提供一种导热材料热阻性能检测***，该检测***包括：温控 平台，用于放置待检测的导热材料以及调节温度；半导体发热器件，设置在所述温控平台上方，用于反馈测试回路中温度同电压的关系，将温度转化为电压进行量化，作为热阻检测依据；加热电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；散热检测电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；切换电路，设置在所述加热支路与所述半导体发热器件之间，以及所述散热检测电路和所述半导体发热器件之间，用于控制所述加热电路和所述散热检测电路之一与所述半导体发热器件导通。并提供了基于该检测***的一种导热材料热阻性能检测方法，解决了现有技术对导热材料热阻性能检测结果不精确的问题，实现了精确检测导热材料热阻性能，并可对导热材料不同老化阶段的热阻性能进行检测的效果。
附图说明
图1a是现有技术中的对导热材料热阻性能检测***检测平台的结构示意图。
图1b是现有技术中的对导热材料热阻性能检测***的结构示意图。
图2是本发明实施例一中的一种导热材料热阻性能检测***的结构示意图。
图3是本发明实施例一中的一种导热材料热阻性能检测***的优选实施例的结构示意图。
图4是本发明实施例二中的一种导热材料热阻性能检测***的结构示意图。
图5a是本发明实施例三中的基于以上实施例的一种导热材料热阻性能检测方法的流程示意图。
图5b是本发明实施例三中的获取导热材料热阻性能检测***的热阻值的具体步骤的流程图。
图5c是本发明实施例三中的获取导热材料热阻性能测试***与待检测导热 材料的总热阻值具体步骤的流程图。
图5d是本发明实施例三中的获取待检测导热材料的热阻值具体步骤的流程图。
图6是本发明实施例四中的一种导热材料热阻性能检测方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图2所示为本发明实施例一提供的一种导热材料热阻性能检测***的结构示意图，本实施例可适用于挑选具有优良导热性能的导热材料等需要对导热材料热阻性能进行测试的情况，该导热材料热阻性能检测***的具体结构如下：
一种导热材料热阻性能检测***，包括：
温控平台210，用于放置待检测的导热材料260以及调节温度；
示例性的，将待检测导热材料260置于温控平台210之上，调节温控平台210至设定温度点T1，之后温控平台210实时显示平台初始温度为T1条件下的温度情况；调节温控平台210至设定不同于T1的设定温度点T2，之后温控平台210实时显示平台初始温度为T2条件下的温度情况。
半导体发热器件220，设置在温控平台210上方，用于反馈测试回路中温 度同电压的关系，将温度转化为电压进行量化，作为热阻检测依据；
示例性的，将半导体发热器件220置于温控平台210的上方，调节温控平台至设定的温度点，半导体发热器件220和温控平台210之间发生热量的传导，温控平台210实时显示平台的温度。
加热电路230，分别与半导体发热器件220的两端电连接；
具体地，将半导体发热器件220的两端与加热电路230电连接，加热电路230对半导体发热器件220进行加热，从而使半导体发热器件220发热，温度升高。
散热检测电路240，分别与半导体发热器件220的两端电连接；
具体地，将半导体发热器件220的两端与散热检测电路240电连接，半导体发热器件220的温度降低，实时检测半导体器件220的沟道压降。
切换电路250，设置在加热电路230与所述半导体发热器件220之间，以及所述散热检测电路240和所述半导体发热器件220之间，用于控制所述加热电路230和所述散热检测电路240之一与所述半导体发热器件220导通。
示例性的，控制切换电路250，使加热电路230与半导体发热器件220导通，半导体发热器件220发热，温度升高；控制切换电路250，使散热检测电路240与半导体发热器件220导通，半导体发热器件220散热，温度下降。
该导热材料热阻性能检测***的工作过程为：设置温控平台210至指定温度点，将半导体发热器件置于温控平台210之上，控制切换电路250，使加热电路230与半导体发热器件220导通；控制切换电路250，使散热检测电路240与半导体发热器件220导通，实时检测半导体发热器件220的沟道压降。
本实施例的技术方案，通过提供一种导热材料热阻性能检测***，该检测 ***包括：温控平台210，用于放置待检测的导热材料以及调节温度；半导体发热器件220，设置在温控平台210上方，用于反馈测试回路中温度同电压的关系，将温度转化为电压进行量化，作为热阻检测依据；加热电路230，分别与半导体发热器件220的两端电连接；散热检测电路240，分别与所述半导体发热器件220的两端电连接；切换电路250，设置在加热支路230与半导体发热器件220之间，以及散热检测电路240和半导体发热器件220之间，用于控制加热电路230和散热检测电路240之一与半导体发热器件220导通。解决了现有技术对导热材料热阻性能检测***由于工作台热量不能及时散走，温度容易聚集升高，导致测量结果不精确的问题，实现了精确检测导热材料热阻性能的效果。
在上述技术方案的基础上，优选地，该导热材料热阻性能测试***中的半导体发热器件的沟道压降同沟道温度具有线性关系，即该半导体发热器件的沟道温度变化量与沟道压降变化量的比值为一固定值。
优选地，如图3所示，该导热材料热阻性能测试***还包括导热硅脂270，并将其设置在半导体发热器件220邻近温控平台210的一侧，用于填充因物体表面间直接接触的空隙，增加导热效果。
优选地，如图3所示，该导热材料热阻性能测试***的加热电路可以包括第一电流源231和第一检测源232，散热检测电路包括第二电流源241和第二检测源242。示例性的，当控制切换电路250，使半导体发热器件220与加热电路230导通时，加热电路230的第一电流源231提供一个大电流，使半导体发热器件220发热，第一检测源232实时检测半导体发热器件220的沟道压降；当控制切换电路250，使半导体发热器件220与散热检测电路240导通时，散 热检测电路240中的第二电流源241提供一个小电流，该小电流几乎可以忽略不计，第二检测源实时检测半导体发热器件220的沟道压降。第一检测源231与第二检测源241具有高速采样能力，以1MHz的采样频率进行数据采集。
实施例二
图4所示为本发明实施例二提供的另一种导热材料热阻性能检测***的结构示意图，本实施例建立在上述实施例的基础上，优选地，在上述导热材料热阻性能测试***中添加时序控制模块280，该时序控制模块280与切换电路250的控制端电连接，用于控制切换电路250按照预设时间间隔依次使加热电路230和散热检测电路240之一与半导体发热器件220导通。
示例性的，设定时序控制模块280的时间间隔为t1,切换次数为n,人为设定初始状态：使加热电路230与半导体发热器件220导通，则在经过时间间隔t1之后，时序控制模块280控制切换电路250动作，使加热电路230与半导体发热器件220断开，散热检测电路240与半导体发热器件220导通，实时检测半导体发热器件220的沟道压降，经过时间间隔t1之后，时序控制模块280再次控制切换电路250动作，使散热检测电路240与半导体发热器件220断开，加热电路230与半导体发热器件220导通，并重复上述过程，直到时序控制模块270控制切换电路250的次数达到n次结束。
本实施例的技术方案，通过在实施例一提供的导热材料热阻性能测试***的基础上添加时序控制模块280，该时序控制模块280与切换电路250的控制端电连接，用于控制切换电路250按照预设时间间隔依次加热电路230和散热检测电路240之一与半导体发热器件220导通，解决了现有热阻性能检测*** 不能自动对导热材料热阻性能进行重复检测的问题，达到了在导热材料的不同老化阶段精确检测其热阻性能的效果。
上述产品可执行本发明任意实施例所提供的方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
实施例三
图5a为本发明实施例三提供的基于上述实施例所提供的一种导热材料热阻性能检测***对应的一种导热材料热阻性能检测方法的流程图，本实施例可适用于挑选具有优良导热性能的导热材料等需要对导热材料热阻性能进行测试的情况，该方法可以由上述任意实施例所提供的上述导热材料热阻性能检测***来执行，具体包括如下步骤：
步骤110、获取导热材料热阻性能检测***的热阻值，图5b为具体步骤流程图，包括：
步骤111、获取半导体发热器件的导热系数；
其中，半导体发热器件的导热系数可以为已知，也可以为未知，当导热系数未知时，因半导体发热器件沟道压降同沟道温度具有线性关系，通过设置所述控温平台至不同的多个指定温度点，待温度稳定后分别检测发热器件的沟道压降，绘制沟道温度与沟道压降的关系曲线，求取其斜率即为导热系数。
步骤112、控制切换电路以使加热电路与半导体发热器件导通，调节控温平台至设定第一温度，并实时检测半导体发热器件的沟道压降，直至沟道压降达到稳定，并记录此时的第一沟道压降和电流源的第一电流；
其中，控制切换电路以使加热电路与半导体发热器件导通后，第一电流源 将提供一个大电流，使半导体发热器件发热，第一检测源实时检测半导体发热器件的沟道压降，待检测该沟道压降稳定后，记录此时的第一沟道压降和电流源的电流值。
步骤113、控制切换电路以使散热检测电路与半导体发热器件导通，并实时跟踪发热器件的沟道压降，并根据导热系数、沟道压降与第一沟道压降计算发热器件的温度变化量；
其中，控制切换电路以使散热检测电路与半导体发热器件导通，第二电流源将提供一个几乎可以忽略不计的小电流，第二检测源实时检测半导体发热器件的沟道压降，根据该实时检测的沟道压降与第一沟道压降的差值，确定第一沟道压降变化量，由公式1确定沟道第一温度变化量。
K＝ΔT1/ΔV1 (1)
其中，K为半导体发热器件的导热系数，ΔT1为第一温度变化量，ΔV1为半导体发热器件的第一沟道压降变化量。
步骤114、根据沟道压降、第一沟道压降与第一电流计算发热器件的第一功耗值；
其中，沟道压降与第一沟道压降的差值为半导体发热器件的沟道压降变化量，发热器件的第一功耗值可以根据公式2得出：
ΔP1＝ΔV1*I1 (2)
其中，ΔP1为半导体发热器件的第一功耗值，ΔV1为半导体发热器件的第一沟道压降变化量，I1为第一电流。
步骤115、根据第一温度变化量与第一功耗值计算第一热阻值；
其中，第一热阻值可以根据公式3得出：
Rth1＝ΔT1/ΔP1 (3)
其中，Rth1为第一热阻值，ΔT1为温度变化量，ΔP1为半导体发热器件的第一功耗值。
步骤120、获取导热材料热阻性能测试***与待检测导热材料的总热阻值，图5c为具体步骤流程图，包括：
步骤121、在温控平台与半导体发热器件之间加入待检测导热材料；
步骤122、控制将电路以使关置于加热电路与半导体发热器件导通，调节控温平台至设定第二温度，第二温度与第一温度值相同，并实时检测半导体发热器件的沟道压降，直至沟道压降达到稳定，并记录此时的第二沟道压降和电流源的第二电流；
步骤123、控制切换电路以使散热检测电路与半导体发热器件导通，并实时跟踪发热器件的沟道压降，并根据导热系数、沟道压降与第二沟道压降计算发热器件的第二温度变化量；
其中，控制切换电路以使散热检测电路与半导体发热器件导通，第二电流源将提供一个几乎可以忽略不计的小电流，第二检测源实时检测半导体发热器件的沟道压降，根据该实时检测的沟道压降与第二沟道压降的差值，确定第二沟道压降变化量，由公式4确定沟道第二温度变化量。
K＝ΔT2/ΔV2 (4)
其中，K为半导体发热器件的导热系数，ΔT2为第二温度变化量，ΔV2为半导体发热器件的第二沟道压降变化量。
步骤124、根据沟道压降、第二沟道压降与第二电流计算发热器件的第二功耗值；
其中，沟道压降与第二沟道压降的差值为半导体发热器件的沟道压降变化量，发热器件的第二功耗值可以根据公式5得出：
ΔP2＝ΔV2*I2 (5)
其中，ΔP2为半导体发热器件的第二功耗值，ΔV2为半导体发热器件的第二沟道压降变化量，I2为第二电流。
步骤125、根据第二温度变化量与第二功耗值计算第二热阻值；
其中，第二热阻值可以根据公式6得出：
Rth2＝ΔT2/ΔP2 (6)
其中，Rth2为第二热阻值，ΔT2为第二温度变化量，ΔP2为半导体发热器件的第二功耗值。
步骤130、获取待检测导热材料的热阻值，图5d为具体步骤流程图，包括：
步骤131、根据第一热阻值与第二热阻值的差值，获取待检测导热材料的热阻。
其中，获取待检测导热材料的热阻，具体可以根据公式7得出：
Rth＝Rth2-Rth1 (7)
本实施例的技术方案，通过提供基于以上实施例的一种导热材料热阻性能检测方法，具体包括：获取导热材料热阻性能检测***的热阻值；获取导热材料热阻性能测试***与待检测导热材料的总热阻值；获取待检测导热材料的热阻值。解决了现有技术中对导热材料热阻性能检测不精确的问题，实现了精确检测导热材料热阻性能的效果。
在上述技术方案的基础上，优选地，在发热器件邻近温控平台的一侧设置导热硅脂，待检测导热材料置于导热硅脂与控温平台之间。导热硅脂可填充因 物体表面间直接接触的空隙，增加导热效果。
实施例四
图4为本发明实施例四提供的基于上述实施例三所提供的优选实施例的一种导热材料热阻性能检测方法的流程图，具体包括如下步骤：
步骤201、设置时序控制模块的时间间隔与切换次数，并认为设定检测***初始状态为加热电路与半导体发热器件导通；
步骤202、获取导热材料热阻性能检测***的热阻值，具体步骤与步骤110的具体步骤相同；
步骤203、判断是否达到设定的时间间隔，若是，进行下一个步骤，若否，保持原有状态；
步骤204、判断是否达到设定的切换次数，若是，时序控制模块断电，检测***停止工作；若否，进行下一个步骤；
步骤205、控制时序控制模块使散热检测电路与半导体发热器件导通；
步骤206、获取导热材料热阻性能测试***与待检测导热材料的总热阻值，具体步骤与步骤120的具体步骤相同；
步骤207、获取待检测导热材料的热阻值，具体步骤与步骤130的具体步骤相同；
步骤208、判断是否达到设定的时间间隔，若是，进行下一个步骤，若否，保持原有状态；
步骤209、判断是否达到设定的切换次数，若是，进行下一个步骤；若否，返回步骤202；
步骤210、时序控制模块断电，检测***停止工作。
本实施例的技术方案，通过在实施例三提供的导热材料热阻性能检测方法的基础上引入时序控制模块，以使导热材料热阻性能检测按照预设时间间隔控制切换电路依次加热电路和散热检测电路之一与半导体发热器件导通，解决了现有热阻性能检测***不能自动对导热材料热阻性能进行重复检测的问题，达到了在导热材料的不同老化阶段精确检测其热阻性能的效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种导热材料热阻性能检测***，其特征在于，包括：
温控平台，用于放置待检测的导热材料以及调节温度；
半导体发热器件，设置在所述温控平台上方，用于反馈测试回路中温度同电压的关系，将温度转化为电压进行量化，作为热阻检测依据；
加热电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；
散热检测电路，分别与所述半导体发热器件的两端电连接；
切换电路，设置在所述加热电路与所述半导体发热器件之间，以及所述散热检测电路和所述半导体发热器件之间，用于控制所述加热电路和所述散热检测电路之一与所述半导体发热器件导通。
2.根据权利要求1所述的导热材料性能检测***，其特征在于，还包括：
导热硅脂，设置在所述半导体发热器件邻近所述温控平台的一侧。
3.根据权利要求1所述的导热材料性能检测***，其特征在于，所述发热器件的沟道压降同沟道温度具有线性关系。
4.根据权利要求1所述的导热材料性能检测***，其特征在于，所述加热电路包括第一电流源和第一检测源，所述散热检测电路包括第二电流源和第二检测源，所述第一电流源提供的电流远大于第二电流源提供的电流。
5.根据权利要求1所述的导热材料性能检测***，其特征在于，还包括时序控制模块，与所述切换电路的控制端电连接，用于控制所述切换电路按照预设时间间隔依次使所述加热电路和所述散热检测电路之一与所述半导体发热器件导通。
6.一种基于权利要求1-3任一所述的检测***的导热材料热阻性能检测方法，其特征在于，包括：
获取半导体发热器件的导热系数；
控制所述切换电路以使所述加热电路与所述半导体发热器件导通，调节所述控温平台至设定第一温度，并实时检测所述半导体发热器件的沟道压降，直至所述沟道压降达到稳定，记录此时的第一沟道压降和电流源的第一电流；
控制所述切换电路以使所述散热检测电路与所述半导体发热器件导通，并实时跟踪发热器件的沟道压降，并根据导热系数、所述沟道压降与所述第一沟道压降计算发热器件的第一温度变化量；
根据所述沟道压降、所述第一沟道压降与所述第一电流计算所述发热器件的第一功耗值；
根据所述第一温度变化量与所述第一功耗值计算第一热阻值；
在所述温控平台与所述半导体发热器件之间加入待检测导热材料；
控制切换电路以使所述加热电路与所述半导体发热器件导通，调节所述精密控温平台至设定第二温度，所述第二温度与所述第一温度值相同，并实时检测所述半导体发热器件的沟道压降，直至所述沟道压降达到稳定，并记录此时的第二沟道压降和电流源的第二电流；
控制所述切换电路以使所述散热检测支路与所述半导体发热器件导通，并实时跟踪发热器件的沟道压降，并根据导热系数、所述沟道压降与第二沟道压降计算发热器件的第二温度变化量；
根据所述沟道压降、所述第二沟道压降与所述第二电流计算所述发热器件的第二功耗值；
根据所述第二温度变化量与所述第二功耗值计算第二热阻值；
根据所述第一热阻值与所述第二热阻值的差值，获取所述待检测导热材料的热阻。
7.根据权利要求6所述的导热材料热阻性能检测方法，其特征在于，所述获取半导体发热器件的导热系数，包括：
设置所述控温平台至不同指定温度点，待温度稳定后分别检测发热器件的沟道压降，绘制导热系数曲线，所述导热系数曲线的斜率即为导热系数。
8.根据权利要求6所述的导热材料热阻性能检测方法，其特征在于，在所述发热器件邻近所述温控平台的一侧设置导热硅脂，所述待检测导热材料置于所述导热硅脂与所述控温平台之间。
9.根据权利要求6所述的导热材料热阻性能测试方法，其特征在于，控制所述时序控制模块的开通关断时间，重复对发热器件进行加热与散热过程，检测受测导热材料在不同老化阶段的热阻。
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