测试LRM模块冷板热阻的方法与流程

本发明涉及电子设备热测试领域中，主要用于测量LRM(Line replacement module)模块冷板的热阻的测试夹具、及其使用该夹具进行测试方法。

背景技术：

随着微电子技术的飞速发展,机载电子设备也呈现出高性能、小型化的发展趋势。航空电子系统结构越来越复杂,综合化程度越来越高，所处环境更为恶劣,面临的挑战更为严峻。随着微电子技术的发展,电子器件的工作功率不断提高,器件产生的热量急剧增加,给电子器件的散热带来了极大挑战。由于对电子设备功能、性能要求的不断提高，从而导致机载电子设备内部元器件及功能模块的功耗不断增加，与此同时电子设备及功能模块的体积却在不断减小，从而导致热耗散功率密度迅速提高。随着电路集成度的提高,热流密度的增大,温度已经成为影响电子设备可靠性最为关键的因素。由于电子技术的飞速发展,芯片封装体积越来越小,而功耗越来越大。通常情况下，正是这些发热量较大的功能模块在机载电子没备中担当了重要的角色，这类模块上元器件的热失效将会导致整个电子设备工作可靠性得不到保证。由于传统的传导冷却、强迫风冷方式所能散失的热流密度有限，要将模块上大量的热量散失出去，采用液体冷却方式是一种行之有效的方法。根据冷却液与被冷却元器件接触与否，液体冷却方式可分为直接液冷与间接液冷两种。液冷模块的冷却方式为间接冷却方式。冷却液在模块框架夹层中间流动，两块印制板分别粘接在模块框架夹层的两侧面上。

一般认为,电子元件上高热量的聚集(结点高温)是造成设备可靠性降低的主要原因。电子设备往往包括若干个现场可更换的单元(LRU),例如天线单元、处理单元、接收单元和电源单元等。一个LRU往往包括若干个现场可更换的模块(LRM)，是在系统安装结构和功能上相对独立的通用单元，具有标准的尺寸和接口。无论是采用强迫风冷还是强迫液冷的形式,冷却介质往往只能与LRM模块的壳体进行接触。而且,为了安装和维护的方便,在雷达系统中,冷却介质(特别是液体介质)一般不直接与LRM模块接触,而是只在冷板内流动。冷板是指一种特殊的散热器，也是集热控、支撑和电路基板为一体的多功能部件,是结构功能模块设计的核心。其内部包含流道,工作时内部流道内的流体与冷板进行热交换,模块工作时产生的热量通过模块的壳体先传导给冷板的壳体,然后再通过对流换热的方式传给冷却介质,通过冷却介质的流动和循环将热量带走。组件与冷板之间的连接一般不采用焊接的方式,而是采用螺钉连接、锁紧机构压紧等形式。目前国内外多用一维稳态热传导进行分析和实验。

在以往实际应用中,由于航电设备功率密度并不高,通常采用简单的自然散热方式。这一方法具有一定的散热能力,也不会使冷却结构过于复杂,但是把模块的承载功率限定在了10W左右的低水平,限制了模块技术的发展。其它一些热管理方式,如传导冷却、气流冷却等,虽然大大提高了模块的承载功率,但也仅能达到30～100W的范围。表面安装技术SMT使封装密度有了巨大的技术进步,并把模块的承载功率提高到了100W乃至几百瓦的级别。在新一代飞机平台明确采用综合模块化的航空电子系统的情况下,如果不采用新的散热冷却方式,元件的结温将显著提高,从而导致各系统设备可靠性严重下降,在有些情况下,甚至会导致元件功能失效。LRM模块是航空电子设备中常用的一类模块封装形式，该封装形式可用于信号处理、射频电路、电源等主要功能单元的封装。随着模块单元的功能越来越多，单元模块中的器件的数量和功耗也在逐年增加，从而导致单个模块的热耗越来越高。

航空电子设备LRM模块通常使用边缘冷却的方式和机架上的冷板进行热交换，实现传热、冷却及热管理，另外一种LRM则是采用穿透式的液冷，即冷却液直接通过模块中的液冷冷板来实现冷却。在这两种冷却方式中，使用穿透式液冷冷板的冷却效果最佳，但是其结构工艺复杂，且由于有在线可更换快速自封闭连接器的存在，容易导致冷却液泄漏，从而使得其可靠性存在一定的隐患。因此目前在工程应用中最多的还是采用边缘传导冷却的LRM模块。

芯片热点到冷板到边缘的传热温差主要由两个主要热阻决定：热点到模块冷板边缘的扩散热阻、楔形锁紧条与机箱冷板的接触热阻。分别由模块冷板的材质、结构及锁紧条的共同决定，通常设计人员关心的是热点到机箱冷板的总热阻。总热阻的组成分为楔形锁紧机构的接触热阻和冷板的扩散热阻。对于接触热阻而言，由于导热体的接触表面不可能绝对平整和光滑,因此,两表面的接触仅发生在一些离散的接触面或点上。这样在导热体表面的接触面处将出现温差,这是由于在接触面处产生了一个附加的热阻,叫接触热阻。在离散的接触面或点之外,存在着一些离散的间隙空间,在这些间隙中,往往充满着静止的空气或油、导热脂、气体和其它液体等其它介质。由于这些介质的导热系数往往比金属材料的导热系数小,从而使得多层面的导热性能变坏。此外,金属表面的氧化层也有类似的影响。影响接触热阻的主要因素有:接触表面接触点的数量、形状、大小及分布规律；接触表面的几何形状(平面度和粗糙度)；非接触间隙的平均厚度；间隙中介质的真空、液体、气体等种类；接触表面的硬度；接触表面之间的压力大小,接触表面的氧化程度和清洁度；接触材料的导热系数等等。当表面相互接触时,实际上固体和固体的直接接触只能发生在一些离散点或微小的面积上,由于间隙介质的导热系数与固体导热系数一般相差很大,因而引起接触面附近热流改变,形成的热流附加阻力,即接触热阻。高马赫数下航天飞行器的服役环境是高温高压气流,飞行器上各部件之间接触热阻是影响传热的关键参数,该性能的测试及影响因素探索非常重要。而对于扩散热阻，通常认为当热源与底板的面积相差比较大时，热量从热源中心往边缘扩散所形成热阻叫扩散热阻。

总热阻数值直接关系到芯片的温升，是衡量冷板、模块结构体设计好坏的重要指标，目前没有相应的系统测试方法来测量模块结构体的热阻。只能采取分别计算或实验的方法来获得对应的模块热阻数值。

目前已经有用电学法来测量芯片热阻的或整个芯片外热路热阻的方法与测试仪器。一般电学法的基本原理是利用器件中已有的二极管或寄生二极管，将器件放在一个不断改变环境温度中，保持器件和环境温度一致，在此过程中持续给二极管通过小电流，使半导体PN结结温变化Tj与正向结电压变化Vf呈良好的线性关系，用温度校准系数K来表示，满足关系式T_j＝K V_f+T₀，从而获得K系数值；然后，将被测器件放置到常温环境，给整个器件施加功率P，等待器件达到热平衡。施加的功率引起结温变化，利用关系式Tj＝K Vf+T0，其中T0为施加功率前的初始结温，K系数在第一部分已经获得，因此可以计算出达到热平衡之后的节温Tj。同时在加热功率结束时可以通过热电偶直接测得管壳的温度，利用热阻的计算公式(1)，即可获得器件稳态热阻值。

或者另外一种方法是将器件通电加热到稳态，然后断电，并维持上述小电流，则可获得冷却过程中Tj的变化过程，即冷却曲线，通过对冷却曲线进行反卷积运算即可获得器件传热过程中的结构热阻。对第二种测量过程，目前所采用的测试仪器通常为Phase11或T3ster等半导体热阻专用测试仪。

随着单个模块热耗的增加，模块冷板也开始采用一些新的传导材料或结构用于进行增强传热。其中在模块中嵌入热管或使用平板热管是常用的两种办法。

在目前技术条件下，如何评价LRM模块冷板及模块系统的传热能力特别是嵌入了热管后的传热能力并没有现成的成套的测试手段与方法。已有的测试结构及构件热阻的方法主要有如下几种：

1)绝热材料稳态热阻及有关特性的测定GB/T 10295-2008

2)服装热阻测试方法暖体假人法GB/T 18398-2001

其他相关标准均为计算方法如：建筑构件和建筑单元热阻和传热系数计算方法GB/T 20311-2006，低密度矿物棉毯状绝热材料热阻评价方法GB/T 30708-2014。相关标准中完全没有可用于类似LRM模块冷板的热阻测试成套工具及测试方法。

经过检索，发现目前对应相关的发明专利较少，其中的发明一部分主要针对材料导热系数或热阻的测量，和本发明最为相关的发明专利如下：

[1]广东正业科技股份有限公司.一种高精度的热阻测试装置及其测试方法:中国专利公开号CN201410166724.3[P].2014-7-9。

[2]广东正业科技股份有限公司公开的一种高精度的热阻测试装置:中国专利公开号CN201420202112.0[P].2014-9-3。

[3]秦文隆公开的金属板热阻测试装置:中国专利公开号CN201120201284.2[P].2012-1-4。

[4]华东交通大学公开的测定金属泡沫多孔介质导热热阻的方法:专利公开号CN201510661288.1[P].2016-2-24。

[5]中国专利公开号CN201310001086.5[P].2013-5-15北京工业大学公开的一种多层导热材料热阻测量方法。

上述技术特征都是采用稳态测试方法，由于需要达到热平衡，针对对象是某种特定的材料如导热硅脂、泡沫金属等等，测试时间必然长。某些专利主要侧重于对结构、构件的综合热阻测量，但是多集中在建筑和电子散热的散热器上，比如：

[1]中国专利公开号CN201310000861.5[P].2013-5-1公开的北京工业大学.一种LED灯具热阻构成测试装置和方法。

[2]中国专利公开号CN201310100359.1[P].2013-7-17西安建筑科技大学公开的一种被服热阻测试装置:

[3]中国专利公开号CN201520333797.7[P].2015-8-26中国建筑科学研究院公开的建筑构件热阻的测试仪器。

[4]中国专利公开号CN201410849437.2[P].2015-5-6技嘉科技股份有限公司公开的.热传导性能测试装置及加压治具。

[5]中国专利公开号CN201210238732.5[P].2012-11-14.东华大学.一种围护结构热阻现场检测方法。

[6]中国专利公开号CN201120195546.9[P].2012-1-25金安国纪科技(珠海)有限公司公开的一种PCB基板热阻检测组件。

[7]中国专利公开号CN201310379311.9[P].2013-12-4，深圳市英威腾电气股份有限公司公开的一种散热测试平台。

[8]中国专利公开号CN200910246504.0[P].2011-6-1，英业达股份有限公司公开的计算散热模块的等效热阻值的方法。

[9]中国专利公开号CN200710200005.9[P].2008-7-，鸿富锦精密工业(深圳)有限公司,鸿海精密工业股份有限公司公开的散热装置热阻值测试仪。

以上专利申请多数是基于稳态方法，针对某一特定结构和装置的测试，且多采用的直接绝热材料隔热的方式。各发明专利主要是针对特定测试对象的，发展了相应易测试、易安装功能。上述各发明中，只有测量LED的专利才使用了瞬态测试方法。所采用的接触式和非接触式的温度场测试主要是利用热电偶或红外热像仪对热源进行温度测量。

对于目前已有的专利申请，均无法直接应用于LRM模块的热阻的测试中。现有技术采用稳态测试方法容易漏热，从而导致的测试误差的问题。需要从模块测试夹具的适应性和测试的精确性、便利性上发展新的测试流程方法与对应的测试夹具。虽然可采用与本发明相同的夹具机构，但是必须等到热平衡之后才能读取各温度点数据，并结合加热电流电压数据，计算等效的总热阻。热平衡所花时间远高于采用瞬态热测试方法的时间。另外一方面，采用稳态热阻测试方法，为了消除表面对流、辐射对测试结果的影响，必须在芯片和传热路径上提供有效的绝热屏蔽层。而要在全状态的模块是形成这些屏蔽层，必须依靠人工逐个进行，需要有大量的测试前准备时间，大大拖延的测试速度。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供了一种操作性好，测试成本低，测试精度高，测试速度快，检测LRM模块冷板热阻的测试方法。

本发明的上述目的可以通过以下措施来达到，一种测试LRM模块冷板热阻的方法，具有如下技术特征：采用一个装夹待测LRM模块2冷板的测试夹具机箱、真空泵，以及T3ster热阻测试仪组成的测试系统；将测试用芯片8粘结在LRM模块的冷板上作为热源传感器，将功率测试用芯片8的连接T3ster测试仪连接端驱动电流端子Ie+端用于驱动测试用芯片8产生热量并维持测试时所需的小电流；然后将上述待测LRM模块2冷板插入测试夹具机箱1，用楔形锁紧条装紧，通过前盖板3和后端盖5将测试夹具机箱封闭，将待测LRM模块2冷板密封在测试夹具机箱1中；对机箱上下水冷板6热沉通入定温的流体；通过机箱抽气口4采用真空泵对机箱内抽真空，形成真空隔热的测试条件，测试时，测试用芯片8做为测量的传感器同时也做为热源使用,T3ster测试仪的电压测量通道Uch1对芯片8的漏极D、源极S间正向结电压Vf变化进行监控，先用大电流驱动电流端子Ie+加热测试用芯片8，然后使用小电流端子Isense维持小电流，测量Vf变化，从而测得了结温变化，进而测得冷却曲线。通过T3ster软件自带的卷积反演功能，获得芯片结到热沉之间的总热阻；然后，通过分析总热阻曲线的分段情况，就可获得LRM模块冷板及LRM模块的锁紧机构的总热阻热阻。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果。

操作性好。本发明采用装夹待测LRM模块2冷板的测试夹具机箱,将测试用芯片直接使用导热胶粘结在冷板上，通过真空泵抽真空，测试过程中LRM模块中的冷板不用单独取出测试，操作性好。

测试成本低。本发明采用由一个测试夹具机箱、真空泵、待测模块以及T3ster热阻测试仪组成的测试系统测试成本低。待测LRM模块2冷板直接在测试夹具机箱上用楔形锁紧条装紧即可测试，具有操作简单，测试速度快的等优点。

测试精度高。本发明对热阻的测试采用电学法对冷却曲线进行测量记录，然后分析获得热阻。通过抽真空，由外部夹具提供绝热的边界，保证LRM模块冷板的传热过程中只有热传导发生，没有其它的传热途径。具体实现方法是将测试夹具机箱封闭，并将其内部抽为真空状态，杜绝了对流传热的影响；同时，将内部表面改为低发射率表面，有效降低了辐射传热的影响，保证了其测量结果只是结构导热热阻，没有其它影响因素。利用T3ster测试仪及外围机械结构构成的测试系统，以及使用其进行测试的流程，通过T3ster测试热路上热阻的变化情况，分析、判断出LRM模块冷板的总体等效热阻，可有效、迅速的对生产出的LRM模块及LRM模块冷板的传热特性做出准确的评估分析。将数据采集部分和控制部分都交给商用仪器来完成，其精度得到了保证。

测试速度快。本发明基于T3ster测试仪提供的数据采集平台及控制能力，将测试芯片8(功率MOS管)既作为热源又作为传感器使用。利用T3ster的测试特性，测量获得芯片的外围热路的热阻，同时也就测得了外围冷板扩散热阻和模块楔形锁紧条的安装热阻。利用T3ster提供的芯片及外热路热阻测试能力，一套采用真空氛围的测试夹具机箱，配合设计合理外部夹具，通过测试用芯片8提供不同冷板的LRM模块的热数据，直接对加工好的待测LRM模块2冷板，采用T3ster的全状态进行瞬态热阻测试，避免了采用现有技术采用稳态测试方法容易漏热，从而导致的测试误差的问题。使得可对LRM模块冷板的扩散热阻和楔形锁紧条的总热阻进行测试。可在很短的时间内，完成测试，测试时间短。同时由于采用真空隔热的方式，也有效避免了采用现有测试设备时，由于采用绝热材料隔热而带来的测试准备时间长的问题。

附图说明

图1是本发明检测LRM模块冷板热阻的测试系统的分解示意图。

图中：1机箱，2待LRM测模块(包括冷板)，3前端盖，4抽气口，5后端盖，6机箱上下冷板，7T3ster测试仪，8测试用芯片。

具体实施方式

参阅图1。根据本发明，采用一个装夹待测LRM模块2冷板的测试夹具机箱、真空泵，以及T3ster热阻测试仪组成的测试系统；测试用芯片8是功率MOS管。将测试用芯片8粘结在LRM模块的冷板上作为热源传感器，将测试用芯片8的Ie连接到漏极D，源极S接地，小电流端子Isense的正级也接漏极D，同时T3ster热阻测试仪电压测量通道1的Uch1测量通道的正向结电压Vf的跨接在漏极D-源极S之间。然后将上述待测LRM模块2冷板插入测试夹具机箱1，用楔形锁紧条装紧，通过前盖板3和后端盖5将测试夹具机箱封闭，将待测LRM模块2冷板密封在测试夹具机箱1中；对测试用芯片6上下水冷板热沉通入定温的流体；将机箱上下水冷板6通入定温的流体，保证上下冷板热沉的温度为定温；通过机箱抽气口4采用真空泵对机箱内抽真空，采用真空泵通过抽气口4对机箱内抽真空，排除机箱内部对流传热的影响,形成真空隔热的测试条件，抽气完毕后，开始进行测试；测试时，测试用芯片8提供不同冷板的LRM模块的热数据,T3ster测试仪的Uch1对测试用芯片8的漏极D、源极S间正向结电压变化Vf进行监控，先用大电流驱动电流端子Ie+加热测试用芯片8，然后使用小电流端子Isense维持小电流，测量正向结电压Vf的变化。

机箱内部及模块表面采用低发射率表面处理，例如本色导电氧化。

测试时，由T3ster测试仪的负责对用于测试的芯片进行电流变化监控与记录，在芯片D-S间通电加热一段时间后，关闭驱动电流端子Ie+，通过T3ster测试热路上热阻的变化情况，分析、判断出LRM模块冷板的总体等效热阻。由小电流端子Isense提供小电流，测试用芯片8做为测量的传感器同时也做为热源使用,T3ster测试仪的(电压测量通道1)Uch1对测试用芯片8的漏极D、源极S间正向结电压Vf变化进行监控，先用大电流驱动电流端子Ie+加热测试用芯片8，然后使用小电流端子Isense维持小电流，测量正向结电压Vf变化，如前所述正向结电压Vf与温度的关系事先可在不同温度下标定获得，从而测得了结温变化，进而测得冷却曲线，采用电学法对冷却曲线进行测量记录,分析获得热阻，根据漏源电流与温度成一定比例关系，即可获得温度与电流的对应关系，从而获得冷却曲线。使用T3ster自带的卷积反演分析软件，即可分析出冷板及锁紧机构的热阻。通过T3ster软件自带的卷积反演功能，获得芯片结到热沉之间的总热阻；然后，通过分析总热阻曲线的分段情况，就可获得LRM模块冷板及LRM模块的锁紧机构的总热阻热阻。