热阻测试传感器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种基于瞬态测试方法的结构热阻测试传感器系统。
【背景技术】
[0002] 随电子技术的发展，在电子设备结构设计中，越来越关注电子器件外部热路的热 阻，特别是在目前电子设备结构封装的层次越来越多，越来越复杂的情况下，热阻是判断一 个系统热设计好坏的关键参数，也是系统设计成败的关键。热阻的测量主要涉及温度测量 和热功耗测量。温度测量通常使用温度传感器测量温度。温度传感器通常采用热电偶、铂电 阻、半导体PN节等。而热功耗测量通常直接采用施加的电功耗散，通过测量电流计电压来 间接推导获得热功率耗散，并没有专门的测量仪器。为了测量芯片封装热结构，现有技术发 明了实际上是一种热传感器的热测试芯片。热测试芯片是利用半导体二极管PN节，采用芯 片Die上内置电阻对芯片进行加热，通过加热电阻电连接半导体二极管PN结，以PN结的顺 向压降与温度的关系获得芯片内部某点位置温度随时间变化的曲线，通过测量输入的加热 功率、以及PN节位置的温度变化，在稳态状况下，获得单位功率变化下该温度所关心位置 的温差与加载发热量之比来定义某两点之间单位为K/W的热阻数据，作为芯片的节热阻。
[0003] 现有技术采用的热测试芯片的不足之处在于： 通用性较差，通用性受封装厂家提供热芯片的制约。每个不同的芯片都必须采用对应 封装厂家提供的热设计芯片，由于封装厂家不可能提供所有芯片对应的热设计芯片，使得 通用性受到了很大制约。因此在测量芯片节温方面，已经很少采用热测试芯片此类方法来 作为芯片的节热阻。只是某些重要芯片如CPU还有热设计芯片，但其价格比较贵，对于普通 设计单位，且难以采购到对应的热设计芯片。
[0004] 其次是热测试芯片只能用于测试特定封装的芯片的的各类热阻，如芯片节到壳， 节到PCB板等的热阻。
[0005] 近年来发展了一种新型的T3ster测量节热阻方法，利用该方法不仅可通过稳态 分析获得芯片节温，更为重要的是可根据节温随时间变化关系，通过后期信号处理获得芯 片的传热结构的信息，得到传热路径上那些位置的热阻大，那些位置的热阻小，具体在芯片 封装的那层位置上，或外部传热路径的那个位置上。其基本的理论是： 在一维热传导路径上，可将图3其看成若干个RC网络串联构成的一个热阻抗网络。对 于一个阶跃输入，单个的RC网络的响应为：
多个RC网络串联后的响应为：
如果已知R及时间常数τ就知道了整个系统。当n趋于无穷大时，上式可看成是一个 积分：
在分布电路分析中将R(t)称为时间常数谱。由于在连续坐标下，响应的开始部分无 法分辨，于是将相应的时间轴换成对数坐标系。令： z=In(t) 利用分步求导公式，并将上述变换带入相应的积分表达式有：
上式是一个卷积形式的积分表达式，令： αζ
通常在热测试中，测量的往往是响应a(ζ)，于是R(ζ)可通过反卷积运算求得：
以上过程便是T3ster进行测量的物理依据。T3ster测试仪是近年来采用最新的信号 处理技术与传统电测方法结合的产物，由于目前没有这方面的适合其使用的传感器，导致 T3ster无法对大结构热阻测试等其他方面发挥出功用。
[0006]通过反卷积运算得到的R(z)按图2方式离散化，形成Foster网络，再通过变换， 即可形成具有具体物理意义的Cauer网络。形成所谓的结构函数。
[0007]通过分析结构函数上各峰值、分离点的位置、大小，根据其物理意义，即可得出对 应的热阻大小，热阻产生位置的主要信息，成为分析热点外热路上传热路径的有力工具。
[0008]该测试方法主要用于芯片封装测试上、封装检测、LED效率测定等领域。已有商用 的仪器设备主要是美国Mentor的T3ster，并未在测量外部机械结构热阻中应用，其主要存 在的问题主要有： 该方法的主要目的仍然是测量芯片封装的各级热阻，而非测量芯片外部安装机械结 构，散热结构的热阻； 在外部热路热容及导热系数低时，散热不良时，容易造成PN节温度过高，导致超过T3ster仪器电压测量范围超限， 对于外部散热结构大，散热良好的结构、系统，容易出现的问题是热点温升不高，温升 曲线易受外部测量噪音干扰，无法识别出外部热阻网络，或识别的精度太差，没有应用价 值。
[0009]目前，没有专门为识别、分析外部热路而设计的芯片，目前的芯片都是专门的功能 芯片，其加热功率普遍较小，通常在低于10W，且需要复杂的外围电路和外围电路知识，才能 发挥出其最大功耗，并求出实际的工作热耗，而这些知识与技能，往往是结构热阻测试人员 不具备的。
[0010] 鉴于以上三点原因，目前还没有利用T3ster进行外部结构热阻测试的应用。
[0011]目前已有的专利文献多在基本测试方法和测试夹具设计上，没有关于专门为T3ster配置用于大尺度、可灵活变化的，用于结构热阻测量热测试传感器方面专利文献。国 内专利文献主要分布在晶体管、LED封装热阻测试方法及对应测试台夹具方面，典型的测量 晶体管、LED封装热阻方法相关专利文献主要有：
[1]北京时代民芯科技有限公司，北京微电子技术研究所公开的一种超大规模集成电 路结到壳热阻测试的方法：中国专利公开号CN201410073691. 8[P]. 2014-6-4。
[0012] [2]闽南师范大学公开的一种功率型LED集成模块热阻测试新方法，中国专利公 开号CN201210484705. 6 [P]· 2014-5-28。
[0013] [3]北京大学公开的一种利用直流源测试不同材料间边界热阻的方法，中国专利[0014] [4]英业达股份有限公司公开的模拟热测试芯片的热阻值的方法：中国专利公开 号CN200710129034. 0[P]· 2008-12-31。
[0015] [5]联合汽车电子有限公司公开的模块化散热源装置、具有该装置的热阻测试系 统及测试方法：中国专利公开号CN201310520877. 9[P]. 2015-4-29.
[6]华为技术有限公司公开的一种导热材料热阻测试方法及测试夹具，中国专利公开 号CN200510101731. 6[P]· 2007-5-30。
[0016] [7]重庆大学公开的功率型LED热阻的测试装置及方法：中国专利公开号 CN201410171198.X[P]. 2014-7-16.
[8]中国空间技术研究院公开的用于半导体器件的热阻测试方法，中国专利公开号CN201410022216. 8[P]. 2014-5-14。
[0017] [9]工业和信息化部电子第五研究所公开的结环热阻的测试方法及系统，中国专 利公开号CN201310526782. 8 [P]· 2014-1-29。
[0018] [10]厦门大学公开的一种太阳能电池热阻测试装置及其测试方法，中国专利公开 号CN201310031364. 1[P]· 2013-6-12。
[0019] [11]中国科学院电工研究所.结壳热阻测试方法中国专利公开号 CN201310054317. 9[P]· 2013-6-26。
[0020] [12]北京工业大学公开的一种LED灯具热阻构成测试装置和方法中国专利公开 号CN201310000861. 5[P]· 2013-5-1。
[0021] [13]东南大学公开的一种大功率碳化硅二极管热阻测试方法中国专利公开号CN 201210234394. 8[P]. 2012-10-31。
[0022] [14]中国电力科学研究院，西安威特电器设备有限公司.一种新型的散热器热阻 流阻测试设备中国专利公开号CN201120120536. 9[P]. 2011-12-21。
[0023] [15]株洲时代散热技术有限公司公开的一种电力半导体元件散热器热阻测试方 法及装置中国专利公开号CN201110099548. 2[P]. 2011-11-16。
[0024] [16]乐金电子（天津）电器有限公司公开的散热器的热阻测试方法中国专利公开 号CN201010150355. 0[P]· 2011-11-9。
[0025] [17]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.散热器热 阻系数测试仪及测试系统与方法中国专利公开号CN200610201128.X[P]. 2008-6-4。
[0026] 测量晶体管、LED封装热阻测试台夹具相关：
[1]工业和信息化部电子第五研究所公开的金氧半场效晶体管热阻测试装置和测试板 中国专利公开号CN201420623733. 6 [P]· 2015-3-18。
[0027] [2]北京时代民芯科技有限公司公开的北京微电子技术研究所.一种玻封表贴二 极管稳态热阻测试夹具和测试方法中国专利公开号CN201410431067. 0[P]. 2014-12-24.
[3]华南师范大学.一种用于测试LED芯片热阻的装置中国专利公开号CN201420786481. 9[P]. 2015-4-29。
[0028] [4]工业和信息化部电子第五研究所公开的电子元件热阻测试夹具中国专利公开 号CN201410129084. 9[P]· 2014-6-25。
[0029] [5]中国空间技术研究院公开的用于热阻测试的高精度温控试验系统中国专利公 开号CN201410021593.X[P]· 2014-5-14.
[6]绍兴旭昌科技企业有限公司公开的测试微型单相全波桥式整流器件稳态热阻及结 温的装置中国专利公开号CN200920198618. 8[P]. 2010-8-18。
[0030][7]柳州职业技术学院公开的CPU散热器热阻智能测试系统及其测试方法中国专 利公开号CN201410246065. 4 [P]· 2014-8-27。
[0031] [8]中国科学院微电子研究所公开的一种T0-3封装功率半导体器件热阻测试装 置中国专利公开号CN201420107212. 5 [P]· 2014-9-10。
[0032] [9]杭州士兰微电子股份有限公司公开的半导体功率器件热阻测试装置及方法中 国专利公开号CN201210592606.X[P]· 2013-4-17。
[0033] [10]中国科学院微电子研究所公开的一种SMD-0.5封装功率半导体器件热阻测 试装置中国专利公开号CN201420107215. 9[P]·2014-8-13。
[0034] [11]中国科学院微电子研究所.一种T0-39封装功率半导体器件热阻测试装置中 国专利公开号CN201420107234. 1[P]· 2014-8-13。
[0035] [12]联合汽车电子有限公司公开的模块化散热源装置及具有该装置的热阻测试