液冷冷板热阻的瞬态电学测试方法技术

本发明专利技术提出的一种液冷冷板热阻的瞬态电学测试方法，旨在提供一种快速测量高热流密度电子设备液冷冷板热阻的方法。本发明专利技术通过下述技术方案予以实现：瞬态热测试仪T3Ster仪器相连计算机，将半导体器及其适配器连接到T3Ster测试主机的对应接口上；测试出的被测半导体器的电压温度系数(k系数)值，并保存文件；然后在计算机内置的T3Ster测试软件中，根据半导体器和冷板特性，设置加热时间、冷却时间、加热电流、测试电流和电压表量程主要参数；用T3Ster瞬态电学测试获取被测半导体器的冷却曲线；进行数据分析，去掉测试曲线中的噪点、对测试曲线进行数学变换；计算微分结构函数，根据微分结构函数分离出被测液冷冷板的热阻数值，得到冷板热阻值。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子设备热控领域的热阻测试方法。
技术介绍
随着科学技术的进步，电子设备的复杂程度不断提高，工作容量同益增大，自身体积急剧缩小，随着电子元器件体积功率的剧增，自然冷却及强迫风冷的冷却方式已难以满足电子元器件热设计的需要。冷板作为一种高效成熟的换热设备，在电子设备冷却中得到广泛的应用。目前，电子器件的发展逐渐趋于微型化和集成化。微型化和集成化的电子器件不仅增大了加工和装配难度，同时增大了电子器件的散热难度。据统计，绝大部分的电子器件损坏是由于温度过热引起的。电子设备中的发热源(芯片)的热流密度越来越高，工程上的应用已达到300W/cm2的量级，预计很快将要达到1000W/cm2这一数量级。尤其是硅集成电路的出现，使得电路的集成度急剧升高。对于这些集成度较高的芯片来说，其产生的热量急剧增加，导致热流密度的升高，进而导致电子设备温度升高，从而使电子设备失效。随着半导体器件功率、频率、集成度的不断提高，产生的高功耗会使器件芯片的工作温升急剧增加。根据阿伦纽斯模型，器件寿命随温度呈指数下降。温升不但会对半导体器件寿命产生影响，也会影响器件的特性并且引发其它的失效机理。因此，精确测量半导体器件的温升和热阻对提高器件性能有举足轻重的意义。常见的热特性热量技术可分为物理接触法、光学法、电学法三大类。物理接触法是指把温度传感器与被测器件进行直接物理接触来进行温度测量。光学法是利用光的特性对半导体器件进行温度测量的技术手段，通常测量其自然激发辐射、反射辐射和散射等特性。物理接触法和光学方法的一个较大限制就是只能得到器件表面方向的温度分布，却无法获得器件纵向的温度分布和热阻构成分布。电学法是测量半导体器件的温升和热阻等热特性的有力工具。半导体器件的许多电学参数都有很强的温度相关性，例如PN结正向导通电压、阈值电压、漏电流和增益等等。因此，通过对多电学温敏参数的细致测量，可以得到半导体器件的工作温度。在现有的电子器件冷却方式中，传统强迫风冷技术即使在采用先进风扇和优化大面积热沉时，冷却能力也仅可达到20W/cm2，且这样的散热形式会占用很大的空间以及浪费大量的材料。而液冷冷板作为一种高效的换热设备而被广泛应用，在一些电子器件的冷却当中，其传热效能高，传热功率为传统风冷方式的20倍以上。液冷冷板不仅传热效能高，而且稳定可靠，正是由于它在电子元器件热控中的众多优势，使其成为当前电子设备热设计领域的一项研究热点。冷板是一种单流体换热器，由基板、翅片和挡板组成，翅片间通道中通以冷却流体，电子器件(即冷板的热源)则被固定在一侧或两侧基板上，热量由电子器件通过导热传给基板和翅片，然后由冷却流体带走。翅片主要用来扩大传热面积，减少流体的热边界层厚度来降低热阻，进而提高传热效能。目前常用液冷的形式对发热器件进行冷却的具体方法是：器件的热量传导至冷板，通过对流与冷板中运行的工质交换热量，再由工质把热量带走。冷板热阻是液冷设计中非常重要的参数，只有准确获得了冷板热阻，才能更好地进行优化设计。器件结至冷却流体的总热阻由三部分组成，即内部热阻、外部热阻和系统热阻。内部热阻是指器件发热区到器件安装面之间的热阻；外部热阻是指器件安装面到基板的接触热阻；系统热阻是指基板与冷却流体之间的热阻。液冷冷板热阻可以反映芯片、焊接层和管壳的烧结或粘结等质量问题,热阻特性对半导体器件的可靠性有着至关重要的影响。因此,热阻测试的准确性十分重要,与之相关的测试方法研究也倍受重视。传统上，封装的半导体器件可以看作由芯片、焊料、管壳等成份组成的串联热阻、热容网络，器件的结壳热阻为热传导路径上各成份热阻之和，器件的瞬态加热响应曲线是各成份热阻、热容共同作用的结果。现有技术一般通过测试冷板两侧的温差来确定热阻。其测试方法是：将热源或热源阵列安装在冷板上，使热源尽量稳定地发热，计算出其热流密度，此时使用一组热电偶来测量热源下方冷板两侧的温差，用此温差除以热流密度就可得到冷板的热阻值。但是，传统方法存在以下问题：a)由于冷板的一面安装有热源，因此该面竖直方向上在冷板的投影点处的温度很难测量；b)传统测试热阻的方法一般采用稳态的方式来测试，要使液冷冷板在常规条件下加热达到稳态，一般需要1～2小时。而且一般需要定制专门的测试用热源，例如电阻或专用半导体，必须要把冷板单独拆卸下来测试，周期较长，测试效率低下；c)误差：1、热电偶的固定位置如果不在理论固定点上，会由于距离产生较大误差；2、传统方法使用的热源一般为电阻，若发热不均匀，也直接影响到热路传输距离的测算；3、由于冷板本身是三维的传热结构，因此一维方向上的热流密度是很难估算的，这就会导致对热流密度的计算误差较大；4、由于标定或仪器误差，会导致测试系统的累积误差。综上，利用传统方法来测量冷板热阻存在测量难和误差大的问题，而且由于冷板在多数情况下安装在致密的电子设备中，不具有安装常规热源的条件，因此传统方法要把冷板单独拆卸下来进行测试，亟需引入新的方法来进行测量。瞬态热测试仪T3Ster是一种用来测量封装半导体器件以及其他电子设备的瞬态热特性的半导体热阻测试设备，其基本功能是通过电学的测试方法和数学上的变换算出结构函数，直接测量热阻曲线，分离出半导体的热阻。T3Ster可以提供非破坏性的热测试方法，其测试原理是：对于一般的半导体器件，其加载电压总是随着结温的上升而呈现下降趋势。而且，对于普通的二极管(由于三极管的PN结之间同样具有二极管的特性，因此也可以是普通的三极管)，一般在(25～125)℃这一温度区间内，加载电压与结温之间呈现如图1所示的反比例线性关系,(图1中，直线的电压温度系数称为k系数)。得到k系数之后，首先通过改变电子器件的功率输入；之后通过测试设备热相关参数测试出电子器件的瞬态温度变化曲线；对温度变化曲线进行数值处理，通过数学变换得出结构函数；从结构函数中分离出热阻和热容等热物性参数。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种方便灵活快捷，无需定制测试用热源和拆卸冷板，热阻测试效率高，能够提高热阻测试精度的瞬态电学测试液冷冷板热阻的方法，以解决高热流密度的电子设备液冷冷板的热阻测量问题。本专利技术实现上述目的一种电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于包括如下步骤：瞬态热测试仪T3Ster仪器电连接计算机，将半导体器件及其适配器连接到T3Ster测试主机的对应接口上；然后在计算机内置T3Ster的测试软件中，根据半导体器件和冷板特性，设置加热时间、冷却时间、加热电流、测试电流和电压表量程主要参数；使用T3Ster开始瞬态电学测试，获取被测半导体器的冷却曲线并保存为测试文件；输入之前测试出的被测半导体器的电压温度系数k的系数值，并保存文件；去掉测试曲线中的噪点；计算半导体器件的微分结构函数，从微分结构函数的多个极值点中分离出冷板热阻、接触热阻、器件散热器热阻、封装热阻和半导体器件结热阻的信息；最后根据被测半导体的微分结构函数曲线，以曲线中的极大值点为分离点，从右至左依次将曲线按R1、R2、R3…Rn划分为n个不同的区域，以最右侧的区域R1为代表整个传热路径系统中紧邻环境的最后一处热阻值，将R1作为液冷冷板热阻。本专利技术相比于现有技术测试方法，具有如下有益效果。无需定制测试用热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于包括如下步骤：瞬态热测试仪T3Ster仪器电连接计算机，将半导体器件及其适配器连接到T3Ster测试主机的对应接口上；然后在计算机内置T3Ster的测试软件中，根据半导体器件和冷板特性，设置加热时间、冷却时间、加热电流、测试电流和电压表量程主要参数；使用T3Ster开始瞬态电学测试，获取被测半导体器的冷却曲线并保存为测试文件；输入之前测试出的被测半导体器的电压温度系数k的系数值，并保存文件；去掉测试曲线中的噪点，计算半导器件的微分结构函数，从微分结构函数的多个极值点中分离出冷板热阻、接触热阻、器件散热器热阻、封装热阻和半导体器件结热阻的信息；最后根据分离结果得到被测液冷冷板的热阻数值。

【技术特征摘要】
1.一种电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于包括如下步骤：瞬态热测试仪T3Ster仪器电连接计算机，将半导体器件及其适配器连接到T3Ster测试主机的对应接口上；然后在计算机内置T3Ster的测试软件中，根据半导体器件和冷板特性，设置加热时间、冷却时间、加热电流、测试电流和电压表量程主要参数；使用T3Ster开始瞬态电学测试，获取被测半导体器的冷却曲线并保存为测试文件；输入之前测试出的被测半导体器的电压温度系数k的系数值，并保存文件；去掉测试曲线中的噪点，计算半导器件的微分结构函数，从微分结构函数的多个极值点中分离出冷板热阻、接触热阻、器件散热器热阻、封装热阻和半导体器件结热阻的信息；最后根据分离结果得到被测液冷冷板的热阻数值。2.如权利要求1所述的电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于：在分离被测液冷冷板的热阻数值时，测试者根据半导体器件的微分结构函数曲线，以曲线中的极大值点为分离点，从右至左依次将曲线按R1、R2、…、Rn划分为n个不同的区域，以所述区域最右侧的区域R1为代表整个传热路径系统中紧邻环境的最后一处热阻值，将R1作为液冷冷板热阻。3.如权利要求2所述的电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于：测试时，瞬态热测试仪通过恒流源，对被测器件施以变化的输出电流曲线的电流值，然后记录加载在半导体器件两端的电压随时间变化的曲线。4.如权利要求3所述的电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于：测试开始时，通过半导体器件的测试电流在半导体器件两端施加测试稳态电压VF,sense,0；一旦加热电流开启，则半导体器件两端电压上升至加热初始电压VF,drive,1；随着实验进行，加热电流使得器件的结温逐渐上升，加载在半导体器件两端的电压逐渐下降，直至半导体器件结温保持恒定，此时的加载电压为加热稳态电压VF,drive,0；当加热完毕，瞬态热测试仪T3Ster仪器切断加热电流，再次施以测试电流对器件进行测试，此时的加载电压低于之前加载电流时的电压为测试中间电压VF,sense,1；之后，随着半导体器件逐渐冷却，加载电压逐渐回复到原先测试稳态电压VF,sense,0的水平，此段曲线称为该半导体器件的冷却响应曲线；瞬态热测试仪T3Ster将抽出这一段冷却曲线进行连续的数学变换，并得出测试结果，其中，加热电流远大于测试电流，且测试电流不会引发被测半导体器件的热效应。5.如权利要求4所述的电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于：瞬态热测试仪T3Ster根据抽取出的半导...

【专利技术属性】
技术研发人员：翁夏，严宏，吕倩，胡家渝，熊长武，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第十研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51