CN106124955B - 液冷冷板热阻的瞬态电学测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明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。

Description

液冷冷板热阻的瞬态电学测试方法

技术领域

本发明属于电子设备热控领域的热阻测试方法。

背景技术

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。

发明内容

本发明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。

本发明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…R_n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。

本发明相比于现有技术测试方法，具有如下有益效果。

无需定制测试用热源。本发明除使用T3Ster和普通的二极管或三极管之外，无需额外定制或采购器件，测试周期短。解决了传统方法一般需要定制专门的测试用热源(专用电阻或专用半导体，例如定制与冷板匹配的厚膜电阻等)，测试周期较长的问题。本发明采用瞬态热测试仪T3Ster，除使用普通的二极管或三极管之外，无需额外定制或采购器件，实验准备周期短。解决了传统方法一般需要定制专门的测试用热源，例如电阻或专用半导体，准备周期较长的问题。

热阻测试效率高。本发明一般可在数分钟内完成测试，并以极快的速度进行后处理，进而分离出冷板热阻，加快了热阻测试速度。且产品设计者可以相对较为简便地进行多次迭代测试，直接缩短了电子设备产品的设计优化周期。避免了传统方法中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(根据MIL-STD-810D的规定，以受试品的温度达到平衡为止，允许受试品按依其外形尺寸选择达到温度平衡所需要的保温时间，受试品外形尺寸在100mm时，其保温时间为1.5h)，测试时间较长的问题。

提高了热阻测试精度。本发明利用结构函数曲线能够非常准确的得到半导体器件纵向热阻构成，为器件设计和热特性测试提供非常好的条件。根据T3Ster的计算理论，测试误差主要在于后期数学处理过程中的结构函数分离误差，该误差可控制到±2％以内(由于它能提供极其精确的温度测量，使用二极管传感器时能达到0.01℃的测试精度；假设50mV温度引起步进电压改变的前提下，其灵敏度能到2mV/℃)，远低于传统测试方法的测试误差，直接提高了提高热阻测试精度。因此，产品设计者可获取到更为精确的液冷冷板热阻数据，更好地控制关键发热器件的温度，无论对于提升电子设备的主要性能还是提升器寿命都有较为积极的影响。

无损测试。本发明基于电学法的半导体器件芯片温升及热阻纵向构成分析技术，能够准确的测量半导体器件传热路径中的分热阻构成，可以无损地检测出冷板热路中分层失效的部位。该方法具有测试速度快，对冷板及器件结构无损害等优点。

附图说明

图1是本发明关于半导体器件加载电压与结温的关系曲线示意图。

图2是本发明关于测试时恒流源的输出电流曲线示意图。

图3是本发明关于被测半导体器件加载电压随时间的变化曲线示意图。

图4是本发明关于被抽取出的半导体器件冷却曲线示意图。

图5是本发明关于半导体器件的结温变化曲线示意图。

图6是本发明关于半导体器件的热阻曲线示意图。

图7是本发明关于半导体器件的微分结构函数曲线示意图。

图8是本发明关于半导体器件的电路连接图。

图9是本发明关于冷板测试半导体安装图。

具体实施方式

参阅图1-图9。根据本发明，瞬态热测试仪T3Ster仪器相连计算机，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…R_n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。具体可以采用如下步骤：

首先使用T3Ster连接计算机，进行电压温度系数(k系数)的测试：在一定温度区间内测试半导体加载电压随半导体安装面温度的关系，并保存文件。接下来，安装好被测冷板与被测半导体器件，开始热阻测试。通过内置恒流源，瞬态热测试仪T3Ster对被测器件施以如图2所示变化的输出电流曲线值。图中的大电流是发热电流，目的是使半导体器件发热；小电流是测试电流，目的是通过对其施加恒定电流来使其两端加载电压，该电流不会使得被测半导体器件出现热效应。接着，T3Ster仪器将记录下如图3所示加载在半导体器件两端的电压随时间变化的曲线。测试开始时，结温为T₀，加载的小电流(测试电流)会在半导体器件两端施加测试稳态电压V_F,sense,0；一旦大电流(加热电流)开启，则半导体器件两端电压会突然上升至加热初始电压V_F,drive,1，随着实验进行，大电流会使得器件的结温逐渐上升，经过加热时间t后，热流途径上的各结构层达到热平衡状态，此时结温升至T₁，加载在半导体器件两端的电压会逐渐略微下降，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V_F,drive,0；当加热完毕，T3Ster仪器会切断加热电流，再次施以测试电流对器件进行测试。刚切换至测试电流时，由于半导体器件温度较高，因此此时的加载电压略低于之前加载小电流时的电压，此时的电压为测试中间电压V_F,sense,1。随着半导体器件逐渐冷却，加载电压会逐渐回复到原先测试稳态电压V_F,sense,0的水平，被测器件在测试电流下正向电压V_F,sense(t)随时间的变化曲线，称为冷却响应曲线(简称冷却曲线)。瞬态热测试仪T3Ster将抽出这一段冷却曲线(有时也可以是加热曲线)进行连续的数学变换，并得出测试结果，变换方式如下：

瞬态热测试仪T3Ster根据抽取出如图4所示的半导体器件的冷却曲线，将取出的冷却曲线的纵坐标，以k系数作为分母进行变换，得到如图5所示的半导体器件的结温变化曲线。瞬态热测试仪T3Ster对图5中的结温变化曲线，以半导体器件功率作为分母再次进行变换，可得如图6所示的半导体器件的热阻曲线，图中横坐标为时间常数τ＝R·C，R是热阻，C是热容，纵坐标为热阻。

瞬态热测试仪T3Ster根据得到的热阻曲线交换图6中热阻曲线的横纵坐标，并再次进行数学变换，可得如图7所示微分结构函数曲线，图中，横坐标是热阻，纵坐标是热容C对热阻R的微分。从图7中可以看到，半导体器件的微分结构函数曲线一般具有多个极大值点，在多个极大值点中，每两个极大值点之间的距离为该半导体器件传热路径中某一层的热阻。

实施例1

由于SOT-93封装的晶体管，比如三极管可以满足T3Ster的测试封装要求，因此可以使用一只SOT-93封装的三极管作为被测半导体器件，并进行如下步骤：

参阅图1。第一，测量三极管的k系数：将该三极管及其适配器连接到瞬态热测试仪T3Ster测试主机的对应接口上；然后把该三极管置入T3Ster自带恒温槽中，并保持良好接触；接着在计算机内置的T3Ster测试软件中，根据该三极管特性，设置测试温度区间；在给定温度区间内进行k系数测试并保存测试结果；

参阅图8。第二，根据如图8所示的半导体器件电路连接图，将该三极管及其适配器连接到T3Ster测试主机的对应接口上；

参阅图9。第三，根据冷板测试半导体安装图，使用导电银浆将三极管1粘接在液冷冷板2上，连接入口液冷接头3和出口液冷接头4。将冷板2连接到液冷系统中，将三极管1与瞬态热测试仪T3Ster相连接，将T3Ster与计算机相连；

第四，用液冷管路连接冷板以及驱动泵，并对驱动泵加电，使液冷系统正常工作；

第五，根据三极管和冷板特性，设置加热时间、冷却时间、加热电流、测试电流和电压表量程等主要参数；

第六，开始测量，在测量三极管的热阻时，使用加热-冷却的实验方法得到该三极管的冷却曲线，并保存结果；

第七，进行数据分析：a)使用T3Ster分析软件内置平方根拟合的数学方式，去掉冷却曲线的前端噪点，b)根据冷却曲线，进行数学变换，计算该三极管传热路径的微分结构函数，c)分离该微分结构函数曲线中不同的热阻区间，分离方法如下：1)找到如图7所示微分结构函数曲线中的极大值点，2)从右至左依次将微分结构函数依据极值点划分为n个不同的区域，3)以所述区域最右侧的区域R₁代表被测液冷冷板的热阻值。

Claims (8)

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；瞬态热测试仪T3Ster根据抽取出的半导体器件的冷却曲线，将取出的冷却曲线的纵坐标，以k系数作为分母进行变换，得到半导体器件的结温变化曲线，并根据结温变化曲线，以半导体器件功率作为分母再次进行变换，获得横坐标为时间常数 ，纵坐标为热阻，R是热阻，C是热容的半导体器件的热阻曲线，然后根据得到的热阻曲线交换热阻曲线的横纵坐标，并再次进行数学变换，得微分结构函数曲线；在瞬态电学测试中，瞬态热测试仪T3Ster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、…、R_n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V_F,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V_F,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V_F,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V_F,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V_F,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：在测量被测半导体器时，先使用T3Ster连接收接机，测量晶体管的电压温度系数k，在测量晶体管的k系数中，将被测晶体管及其适配器连接到瞬态热测试仪T3Ster测试主机的对应接口上；然后把被测晶体管置入T3Ster自带恒温槽中，并保持良好接触；接着在计算机内置的T3Ster测试软件中，根据该被测晶体管的特性设置测试温度区间；在给定温度区间内进行k系数测试并保存测试结果；再根据所示的半导体器件电路连接图，将晶体管及其适配器连接到T3Ster测试主机的对应接口上。

6.如权利要求5所述的电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于：按照冷板测试半导体安装图，使用导电银浆将晶体管粘接在液冷冷板（2）上，连接入口液冷接头（3）和出口液冷接头（4）将冷板2连接到液冷系统中，将晶体管与瞬态热测试仪T3Ster相连接，电连接计算机、T3Ster冷板、驱动泵、以及液冷管路，并使液冷系统正常工作；根据晶体管和冷板特性，在计算机内置T3Ster的测试软件中设置加热时间、冷却时间、加热电流、测试电流和电压表量程参数，测出晶体管的电压温度系数k。

7.如权利要求6所述的电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于：在测量晶体管的热阻时，使用加热-冷却的实验方法得到所述晶体管的冷却曲线，并保存结果；然后采用下述步骤进行数据分析，a)使用T3Ster分析软件内置平方根拟合的数学方式，去掉冷却曲线的前端噪点，b)计算结构函数，c)分离结构函数曲线中不同的热阻区间。

8.如权利要求7所述的电学测试液冷冷板瞬态热阻的方法，其特征在于：根据分离结构函数曲线找到微分结构函数曲线中的极大值点，从所述曲线的右至左依次将微分结构函数依据极值点划分为n个不同的区域，以所述区域最右侧的区域R₁代表被测液冷冷板的热阻值。