熱阻測試傳感器系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于瞬態(tài)測試方法的結(jié)構(gòu)熱阻測試傳感器系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨電子技術(shù)的發(fā)展，在電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，越來越關(guān)注電子器件外部熱路的熱 阻，特別是在目前電子設(shè)備結(jié)構(gòu)封裝的層次越來越多，越來越復(fù)雜的情況下，熱阻是判斷一 個系統(tǒng)熱設(shè)計(jì)好壞的關(guān)鍵參數(shù)，也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。熱阻的測量主要涉及溫度測量 和熱功耗測量。溫度測量通常使用溫度傳感器測量溫度。溫度傳感器通常采用熱電偶、鉑電 阻、半導(dǎo)體PN節(jié)等。而熱功耗測量通常直接采用施加的電功耗散，通過測量電流計(jì)電壓來 間接推導(dǎo)獲得熱功率耗散，并沒有專門的測量儀器。為了測量芯片封裝熱結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有技術(shù)發(fā) 明了實(shí)際上是一種熱傳感器的熱測試芯片。熱測試芯片是利用半導(dǎo)體二極管PN節(jié)，采用芯 片Die上內(nèi)置電阻對芯片進(jìn)行加熱，通過加熱電阻電連接半導(dǎo)體二極管PN結(jié)，以PN結(jié)的順 向壓降與溫度的關(guān)系獲得芯片內(nèi)部某點(diǎn)位置溫度隨時間變化的曲線，通過測量輸入的加熱 功率、以及PN節(jié)位置的溫度變化，在穩(wěn)態(tài)狀況下，獲得單位功率變化下該溫度所關(guān)心位置 的溫差與加載發(fā)熱量之比來定義某兩點(diǎn)之間單位為K/W的熱阻數(shù)據(jù)，作為芯片的節(jié)熱阻。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)采用的熱測試芯片的不足之處在于： 通用性較差，通用性受封裝廠家提供熱芯片的制約。每個不同的芯片都必須采用對應(yīng) 封裝廠家提供的熱設(shè)計(jì)芯片，由于封裝廠家不可能提供所有芯片對應(yīng)的熱設(shè)計(jì)芯片，使得 通用性受到了很大制約。因此在測量芯片節(jié)溫方面，已經(jīng)很少采用熱測試芯片此類方法來 作為芯片的節(jié)熱阻。只是某些重要芯片如CPU還有熱設(shè)計(jì)芯片，但其價(jià)格比較貴，對于普通 設(shè)計(jì)單位，且難以采購到對應(yīng)的熱設(shè)計(jì)芯片。
[0004] 其次是熱測試芯片只能用于測試特定封裝的芯片的的各類熱阻，如芯片節(jié)到殼， 節(jié)到PCB板等的熱阻。
[0005] 近年來發(fā)展了一種新型的T3ster測量節(jié)熱阻方法，利用該方法不僅可通過穩(wěn)態(tài) 分析獲得芯片節(jié)溫，更為重要的是可根據(jù)節(jié)溫隨時間變化關(guān)系，通過后期信號處理獲得芯 片的傳熱結(jié)構(gòu)的信息，得到傳熱路徑上那些位置的熱阻大，那些位置的熱阻小，具體在芯片 封裝的那層位置上，或外部傳熱路徑的那個位置上。其基本的理論是： 在一維熱傳導(dǎo)路徑上，可將圖3其看成若干個RC網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)構(gòu)成的一個熱阻抗網(wǎng)絡(luò)。對 于一個階躍輸入，單個的RC網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)為：
多個RC網(wǎng)絡(luò)串聯(lián)后的響應(yīng)為：
如果已知R及時間常數(shù)τ就知道了整個系統(tǒng)。當(dāng)n趨于無窮大時，上式可看成是一個 積分：
在分布電路分析中將R(t)稱為時間常數(shù)譜。由于在連續(xù)坐標(biāo)下，響應(yīng)的開始部分無 法分辨，于是將相應(yīng)的時間軸換成對數(shù)坐標(biāo)系。令： z=In(t) 利用分步求導(dǎo)公式，并將上述變換帶入相應(yīng)的積分表達(dá)式有：
上式是一個卷積形式的積分表達(dá)式，令： αζ
通常在熱測試中，測量的往往是響應(yīng)a(ζ)，于是R(ζ)可通過反卷積運(yùn)算求得：
以上過程便是T3ster進(jìn)行測量的物理依據(jù)。T3ster測試儀是近年來采用最新的信號 處理技術(shù)與傳統(tǒng)電測方法結(jié)合的產(chǎn)物，由于目前沒有這方面的適合其使用的傳感器，導(dǎo)致 T3ster無法對大結(jié)構(gòu)熱阻測試等其他方面發(fā)揮出功用。
[0006]通過反卷積運(yùn)算得到的R(z)按圖2方式離散化，形成Foster網(wǎng)絡(luò)，再通過變換， 即可形成具有具體物理意義的Cauer網(wǎng)絡(luò)。形成所謂的結(jié)構(gòu)函數(shù)。
[0007]通過分析結(jié)構(gòu)函數(shù)上各峰值、分離點(diǎn)的位置、大小，根據(jù)其物理意義，即可得出對 應(yīng)的熱阻大小，熱阻產(chǎn)生位置的主要信息，成為分析熱點(diǎn)外熱路上傳熱路徑的有力工具。
[0008]該測試方法主要用于芯片封裝測試上、封裝檢測、LED效率測定等領(lǐng)域。已有商用 的儀器設(shè)備主要是美國Mentor的T3ster，并未在測量外部機(jī)械結(jié)構(gòu)熱阻中應(yīng)用，其主要存 在的問題主要有： 該方法的主要目的仍然是測量芯片封裝的各級熱阻，而非測量芯片外部安裝機(jī)械結(jié) 構(gòu)，散熱結(jié)構(gòu)的熱阻； 在外部熱路熱容及導(dǎo)熱系數(shù)低時，散熱不良時，容易造成PN節(jié)溫度過高，導(dǎo)致超過T3ster儀器電壓測量范圍超限， 對于外部散熱結(jié)構(gòu)大，散熱良好的結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)，容易出現(xiàn)的問題是熱點(diǎn)溫升不高，溫升 曲線易受外部測量噪音干擾，無法識別出外部熱阻網(wǎng)絡(luò)，或識別的精度太差，沒有應(yīng)用價(jià) 值。
[0009]目前，沒有專門為識別、分析外部熱路而設(shè)計(jì)的芯片，目前的芯片都是專門的功能 芯片，其加熱功率普遍較小，通常在低于10W，且需要復(fù)雜的外圍電路和外圍電路知識，才能 發(fā)揮出其最大功耗，并求出實(shí)際的工作熱耗，而這些知識與技能，往往是結(jié)構(gòu)熱阻測試人員 不具備的。
[0010] 鑒于以上三點(diǎn)原因，目前還沒有利用T3ster進(jìn)行外部結(jié)構(gòu)熱阻測試的應(yīng)用。
[0011]目前已有的專利文獻(xiàn)多在基本測試方法和測試夾具設(shè)計(jì)上，沒有關(guān)于專門為T3ster配置用于大尺度、可靈活變化的，用于結(jié)構(gòu)熱阻測量熱測試傳感器方面專利文獻(xiàn)。國 內(nèi)專利文獻(xiàn)主要分布在晶體管、LED封裝熱阻測試方法及對應(yīng)測試臺夾具方面，典型的測量 晶體管、LED封裝熱阻方法相關(guān)專利文獻(xiàn)主要有：
[1]北京時代民芯科技有限公司，北京微電子技術(shù)研究所公開的一種超大規(guī)模集成電 路結(jié)到殼熱阻測試的方法：中國專利公開號CN201410073691. 8[P]. 2014-6-4。
[0012] [2]閩南師范大學(xué)公開的一種功率型LED集成模塊熱阻測試新方法，中國專利公 開號CN201210484705. 6 [P]· 2014-5-28。
[0013] [3]北京大學(xué)公開的一種利用直流源測試不同材料間邊界熱阻的方法，中國專利[0014] [4]英業(yè)達(dá)股份有限公司公開的模擬熱測試芯片的熱阻值的方法：中國專利公開 號CN200710129034. 0[P]· 2008-12-31。
[0015] [5]聯(lián)合汽車電子有限公司公開的模塊化散熱源裝置、具有該裝置的熱阻測試系 統(tǒng)及測試方法：中國專利公開號CN201310520877. 9[P]. 2015-4-29.
[6]華為技術(shù)有限公司公開的一種導(dǎo)熱材料熱阻測試方法及測試夾具，中國專利公開 號CN200510101731. 6[P]· 2007-5-30。
[0016] [7]重慶大學(xué)公開的功率型LED熱阻的測試裝置及方法：中國專利公開號 CN201410171198.X[P]. 2014-7-16.
[8]中國空間技術(shù)研究院公開的用于半導(dǎo)體器件的熱阻測試方法，中國專利公開號CN201410022216. 8[P]. 2014-5-14。
[0017] [9]工業(yè)和信息化部電子第五研究所公開的結(jié)環(huán)熱阻的測試方法及系統(tǒng)，中國專 利公開號CN201310526782. 8 [P]· 2014-1-29。
[0018] [10]廈門大學(xué)公開的一種太陽能電池?zé)嶙铚y試裝置及其測試方法，中國專利公開 號CN201310031364. 1[P]· 2013-6-12。
[0019] [11]中國科學(xué)院電工研究所.結(jié)殼熱阻測試方法中國專利公開號 CN201310054317. 9[P]· 2013-6-26。
[0020] [12]北京工業(yè)大學(xué)公開的一種LED燈具熱阻構(gòu)成測試裝置和方法中國專利公開 號CN201310000861. 5[P]· 2013-5-1。
[0021] [13]東南大學(xué)公開的一種大功率碳化硅二極管熱阻測試方法中國專利公開號CN 201210234394. 8[P]. 2012-10-31。
[0022] [14]中國電力科學(xué)研究院，西安威特電器設(shè)備有限公司.一種新型的散熱器熱阻 流阻測試設(shè)備中國專利公開號CN201120120536. 9[P]. 2011-12-21。
[0023] [15]株洲時代散熱技術(shù)有限公司公開的一種電力半導(dǎo)體元件散熱器熱阻測試方 法及裝置中國專利公開號CN201110099548. 2[P]. 2011-11-16。
[0024] [16]樂金電子（天津）電器有限公司公開的散熱器的熱阻測試方法中國專利公開 號CN201010150355. 0[P]· 2011-11-9。
[0025] [17]鴻富錦精密工業(yè)（深圳）有限公司，鴻海精密工業(yè)股份有限公司.散熱器熱 阻系數(shù)測試儀及測試系統(tǒng)與方法中國專利公開號CN200610201128.X[P]. 2008-6-4。
[0026] 測量晶體管、LED封裝熱阻測試臺夾具相關(guān)：
[1]工業(yè)和信息化部電子第五研究所公開的金氧半場效晶體管熱阻測試裝置和測試板 中國專利公開號CN201420623733. 6 [P]· 2015-3-18。
[0027] [2]北京時代民芯科技有限公司公開的北京微電子技術(shù)研究所.一種玻封表貼二 極管穩(wěn)態(tài)熱阻測試夾具和測試方法中國專利公開號CN201410431067. 0[P]. 2014-12-24.
[3]華南師范大學(xué).一種用于測試LED芯片熱阻的裝置中國專利公開號CN201420786481. 9[P]. 2015-4-29。
[0028] [4]工業(yè)和信息化部電子第五研究所公開的電子元件熱阻測試夾具中國專利公開 號CN201410129084. 9[P]· 2014-6-25。
[0029] [5]中國空間技術(shù)研究院公開的用于熱阻測試的高精度溫控試驗(yàn)系統(tǒng)中國專利公 開號CN201410021593.X[P]· 2014-5-14.
[6]紹興旭昌科技企業(yè)有限公司公開的測試微型單相全波橋式整流器件穩(wěn)態(tài)熱阻及結(jié) 溫的裝置中國專利公開號CN200920198618. 8[P]. 2010-8-18。
[0030][7]柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院公開的CPU散熱器熱阻智能測試系統(tǒng)及其測試方法中國專 利公開號CN201410246065. 4 [P]· 2014-8-27。
[0031] [8]中國科學(xué)院微電子研究所公開的一種T0-3封裝功率半導(dǎo)體器件熱阻測試裝 置中國專利公開號CN201420107212. 5 [P]· 2014-9-10。
[0032] [9]杭州士蘭微電子股份有限公司公開的半導(dǎo)體功率器件熱阻測試裝置及方法中 國專利公開號CN201210592606.X[P]· 2013-4-17。
[0033] [10]中國科學(xué)院微電子研究所公開的一種SMD-0.5封裝功率半導(dǎo)體器件熱阻測 試裝置中國專利公開號CN201420107215. 9[P]·2014-8-13。
[0034] [11]中國科學(xué)院微電子研究所.一種T0-39封裝功率半導(dǎo)體器件熱阻測試裝置中 國專利公開號CN201420107234. 1[P]· 2014-8-13。
[0035] [12]聯(lián)合汽車電子有限公司公開的模塊化散熱源裝置及具有該裝置的熱阻測試