一种热阻分析方法
【专利摘要】本发明提供了一种热阻分析方法，通过建立被测对象的热传导数学模型，并基于热源的温度测量数据和热学模型参量双向求解和分析热传导数学模型，不仅可以有效地减少因温度测量误差而带来的分析误差，而且可以准确获取被测对象接触界面的热阻以及各热传导部件内部的热阻分布，实现被测对象热阻结构的准确量化分析，全面评价整个被测对象内部的热接触状况，为改进LED等各种器件的散热设计提供重要依据，具有分析方法简单、准确度高、速度快、适用范围广等特点。
【专利说明】一种热阻分析方法
【【技术领域】】
[0001]本发明涉及热特性测试领域，具体涉及一种热阻分析方法。
【【背景技术】】 [0002]目前热管理已经成为各类器件应用领域的热门话题，器件的散热特性直接影响其光学、电学、颜色以及寿命等特性；热阻是衡量器件散热性能的重要指标，准确的热阻结构是分析器件各部件之间热接触效果以及部件内部热传导缺陷的重要依据。
[0003]虽然目前也出现了一些热阻结构的分析方法，但现有方法的分析结果仅基于被测对象的温度数据而获得，受温度测量精度的影响较大，准确度不高，而且并不能准确获得器件各热传导部件的热阻，从而不能准确判断各热传导部件的散热特性及内部缺陷等问题。
[0004]更为重要的是，现有的热阻分析方法无法得到各热传导部件之间接触界面的热阻。当各热传导部件之间热接触不良，则接触界面的热阻将大幅增加，因此，接触界面的热阻是判断器件热接触状况的重要依据，同时也是进行器件散热设计和热管理改进的重要特征参数。然而在热阻结构测量和分析过程中，接触界面的热阻受各热传导部件的表面特性或者连接层本身的影响，如接触界面厚度难以确定、连接层形状不规则、热传导部件接触面材料的各相异性等，一般难以测量确定，从而无法准确、客观地判断器件各部件之间的热接触效果，给厂商以及设计者改进器件的散热特性造成障碍。
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【发明内容】
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[0005]为克服现有技术的不足，本发明提供了一种热阻分析方法，通过引入被测对象的热学模型参量，并将其与被测对象热传导数学模型以及热源的温度变化数据相结合，获得被测对象各热传导部件之间接触界面的热阻，具有分析方法可靠、准确度高、适用范围广等特点。
[0006]为解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案:
[0007]—种热阻分析方法，其特征在于，被测对象包括热源和各热传导部件，利用热源的温度变化数据和各热传导部件的热学模型参量，分析被测对象各热传导部件之间接触界面的热阻，包括以下步骤:
[0008](a)给热源输入功率后，测量热源的温度随时间的变化数据；；
[0009](b)建立被测对象的热传导数学模型，确定热源的温度与时间、热流路径上的热阻以及
[0010]热容之间的函数关系；并根据(a)步骤中热源的温度变化数据求解该函数关系，获得被
[0011]测对象热流路径上热容和热阻的分布数据；
[0012](C)根据热流方向、各热传导部件的尺寸及其固有的热特性参数计算得到各热传导部件
[0013]的热学模型参量，包括热容值和热阻值；[0014](d)将被测对象热流路径上热容和热阻的分布数据与各热传导部件的热学模型参量对比分析，获得各热传导部件之间接触界面的热阻。
[0015]本发明中，被测对象的热源可通过输入外部电功率而直接产热/发出热量、或者输入外部热功率而间接产热/发出热量。例如，被测对象为LED时，其内部的pn结为其热源，pn结输入一定的电功率可直接产热；或者如某器件，其本身内部无自身产热的部件，对其输入一定的热功率，可将直接输入外部热功率的指定部件或指定面视为该器件的热源。另外，热源与一个以上热传导部件的相对位置也可灵活设置，热源可内置于某一热传导部件中，或者热源和各热传导部件均是被测对象中的独立结构。例如，对于半导体器件LED，热源为其芯片中的一个或多个pn结。
[0016]在热源温度测量之前，给热源输入一定的功率，所述的功率可以为外部输入的电功率或者由外部供热源输入的热功率。外部输入电功率可以为恒定数值，或者为零；外部供热源可以为恒温输入源，或者外部供热源所输入的热功率为一恒定数值，或者外部供热源所输入的热功率为零。热源的温度变化数据可以在其升温过程中测得，例如，给热源施加一定的加热功率后，测量热源的瞬态温度，直至热源达到热平衡；热源的温度也可以在其降温过程中测得，例如，给热源输入外部热功率，达到一定温度且热平衡后，将外部热功率撤除，此时热源的输入热功率为零，热源开始降温，测量热源的瞬态温度，直至其达到新的热平衡。
[0017]在本发明中，热源上的热量以热源为热传导起点，沿各热传导部件以及各热传导部件之间的接触界面所组成的热流路径作热传导。在热传导过程中，被测对象逐渐趋向热平衡状态。在趋向热平衡的过程中，热源的温度与时间、热流路径上的热容和热阻呈一定的函数关系。据此，根据热源的升温或降温过程，建立相应的热传导数学模型，获得热源的温度与时间、热流路径上的热容和热阻的函数关系。
[0018]所述的时间均为热源开始升温或降温至其达到热平衡过程中的各时刻，热源温度随时间的变化数据均在该过程的各时刻测量得到。所述的函数关系则根据热源的温度变化数据求解，获得热流路径上的热容和热阻分布数据。作为优选，在热源温度变化较快的时间段，提高温度的测量频率，以获得热源准确的温度变化信息，从而准确求解上述函数关系，获得热流路径上精确的热容和热阻分布数据。
[0019]例如，对于图1所示的发光二极管，其pn结为热源，将其各热传导部件以及各热传导部件之间的接触界面所组成的导热结构视作为一维热流路径。给热源输入恒定电功率，则热源上产生的热量将以热源为起点，沿各热传导部件以及各热传导部件之间的接触界面所组成的一维热流路径作一维等效热传导。据此，建立如图3所示的CAUER模型，该模型利用η个有限的RC回路模拟被测对象一维热流路径上η个连续微元的热容和热阻特性，各RC回路的Cwi和Rwi对应被测对象一维热流路径上各微元的热容值和热阻值，且一维热流路径上的各微元依次对应于一维热流路径上的各热传导部件和接触界面。获得CAUER模型每个RC回路的Cwi和Rwi，就可以得到热流路径上热容和热阻的分布数据。CAUER模型可通过建立图4所示的FOSTER模型求解得到,如下式所示:
【权利要求】
1.一种热阻分析方法，其特征在于，被测对象包括热源和各热传导部件，利用热源的温度变化数据和各热传导部件的热学模型参量，分析被测对象各热传导部件之间接触界面的热阻，包括以下步骤: (a)给热源输入功率后，测量热源的温度随时间的变化数据； (b)建立被测对象的热传导数学模型，确定热源的温度与时间、热流路径上的热阻以及热容之间的函数关系，并根据(a)步骤中热源的温度变化数据求解该函数关系，获得被测对象热流路径上热容和热阻的分布数据； (C)根据热流方向、各热传导部件的尺寸及其固有的热特性参数计算得到各热传导部件的热学模型参量，包括热容值和热阻值； (d)将被测对象热流路径上热容和热阻的分布数据与各热传导部件的热学模型参量对比分析，获得各热传导部件之间接触界面的热阻。
2.如权利要求1所述的一种热阻分析方法，其特征在于，根据所述的热流路径上的热容和热阻的分布数据，获得热源至热流路径上各点处的累积热容随累积热阻的变化数据，即被测对象的热阻结构函数，包括积分结构函数和微分结构函数。
3.如权利要求2所述的一种热阻分析方法，其特征在于，在微分结构函数中，确定各热传导部件所对应的特征峰，根据其热阻值确定对应特征峰的峰宽以及峰边界，峰边界处的热阻值对应热源至热传导部件热流输入界面之间的累积热阻、或者热源至热传导部件热流输出界面之间的累积热阻。
4.如权利要求3所述的一种热阻分析方法，其特征在于，所述的特征峰的峰边界由峰宽和峰面积决定，指定峰宽内的峰面积与热传导部件热容值的差值位于设定的误差范围内，则确定峰边界的位置。
5.如权利要求2所述的一种热阻分析方法，其特征在于，在积分结构函数中，确定与各热传导部件相对应的特征热容值，并根据特征热容值以及各热传导部件的热容值确定其在积分结构函数中所对应的区间。
6.如权利要求1所述的一种热阻分析方法，其特征在于，在被测对象热源温度测量过程中，被测对象或被测对象的热传导末端置于自然对流环境或者可控恒温环境中。
7.如权利要求1所述的一种热阻分析方法，其特征在于，包括与被测对象为同类器件的标准器件，在相同的测试环境中分别测量标准器件和被测对象的微分结构函数，根据标准器件中热传导末端与测试环境之间的热阻值，校正被测对象微分结构函数中特征峰的峰值位置。
8.一种热阻分析方法，其特征在于，被测对象包括热源和一个以上热传导部件，建立被测对象的热传导数学模型，以各热传导部件的热学模型参量作为限制条件，结合热源的温度变化数据获得被测对象热流路径上的热容和热阻分布数据，从而直接获取各热传导部件之间接触界面的热阻，包括以下步骤: (a)给热源输入功率后，测量热源的温度随时间变化的数据； (b)根据热流方向、各热传导部件的尺寸及其固有的热特性参数计算得到各热传导部件的热学模型参量，包括热容值和热阻值； (C)建立被测对象的热传导数学模型，确定热源的温度与时间、各微元的热阻以及热容之间的函数关系；(d)将计算得到的各热传导部件的热学模型参量作为热传导数学模型的限制条件，结合热源随时间变化的温度数据，求解步骤(C)的函数关系，获得被测对象热流路径上的热容和热阻分布数据，并直接获取各热传导部件之间接触界面的热阻。
9.如权利要求8所述的一种热阻分析方法，其特征在于，在被测对象热源温度测量过程中，被测对象或被测对 象的热传导末端置于自然对流环境或者可控恒温环境中。
【文档编号】G01N25/20GK103472088SQ201310351643
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年8月13日 优先权日:2013年8月13日
【发明者】潘建根, 陈聪, 黄艳 申请人:杭州远方光电信息股份有限公司