热界面材料热性能检测系统及检测设备的制作方法

1.本实用新型涉及热界面材料技术领域，尤其涉及一种热界面材料热性能检测系统及检测设备。


背景技术：

2.热界面材料是应用在热端和冷端的接触界面间隙的填充，排出间隙间的空气，增大两固体间的实际接触面积，增加热量传递的通道，是热量传递的桥梁，其热性能是材料的关键特性。在热界面材料最大化填充热端和冷端的间隙时，热界面材料分别和热端、冷端形成新的接触间隙，不同种类的热界面材料界面的润湿性有较大的差异。因此，常规的检测方式(如瞬态平面热源法、稳态热流法和激光闪射法)得出的导热系数和热阻数据不能完整客观的体现整个热管理系统的热性能。


技术实现要素：

3.本实用新型的主要目的在于提供一种热界面材料热性能检测系统及检测设备，旨在解决现有技术中测量热界面材料热性能时，得出的数据不能完整客观的体现整个热管理系统的热性能的技术问题。
4.为实现上述目的，本实用新型提出一种热界面材料热性能检测系统包括：
5.发热平台，具有第一接触面；
6.第一控制单元，与所述发热平台连接，用于控制所述发热平台发热，并检测所述发热平台的工作温度；
7.散热器，具有第二接触面，所述第二接触面与所述第一接触面正对设置，所述第一接触面与所述第二接触面之间具有间隙，所述间隙用于放置热界面材料；
8.压力单元，用于为所述发热平台和所述散热器在贴合方向上施加压力。
9.可选的，所述压力单元包括：
10.位移单元，与所述发热平台连接，所述位移单元移动时，带动所述发热平台在与所述散热器的贴合方向上移动；
11.第二控制单元，与所述位移单元连接，用于调节所述位移单元的位移量。
12.可选的，所述位移单元包括：
13.驱动轴，固定设置于所述发热平台上；
14.伺服电机，分别与所述驱动轴和所述第二控制单元连接，用于带动所述驱动轴在所述发热平台和所述散热器的贴合方向移动。
15.可选的，所述压力单元还包括：
16.压力传感器，与所述第二控制单元连接，设置于所述间隙内，用于检测所述热界面材料的贴合压力。
17.可选的，所述发热平台包括：
18.基板，所述基板的底面作为第一接触面；
19.led灯组，设置于所述基板的上表面，与所述基板上的供电线路连接。
20.可选的，所述第一控制单元，包括：
21.电源单元，与所述供电线路连接，用于提供预设电压范围和预设电流范围的电源；
22.测温单元，与所述基板连接，用于测量所述基板的温度。
23.可选的，所述测温单元包括：
24.多个热电偶，设置于所述基板的上表面；
25.多通道温度测试仪，与所述热电偶连接，用于获取所述基板的温度。
26.可选的，所述热界面材料热性能检测系统还包括：
27.环境调节单元，用于调节所述发热平台、所述散热器、所述热界面材料及所述压力单元所处环境的温度和/或湿度。
28.可选的，所述环境调节单元包括：
29.箱体，用于容纳所述发热平台、所述散热器、所述热界面材料及所述压力单元；
30.第三控制单元，用于调节所述箱体内部的温度和/或湿度。
31.为实现上述目的，本实用新型还提出一种检测设备，所述检测设备包括如上述的热界面材料热性能检测系统。
32.本实用新型中，热界面材料热性能检测系统包括发热平台，具有第一接触面；第一控制单元，与所述发热平台连接，用于控制所述发热平台发热，并检测所述发热平台的工作温度；散热器，具有第二接触面，所述第二接触面与所述第一接触面正对设置，所述第一接触面与所述第二接触面之间具有间隙，所述间隙用于放置热界面材料；压力单元，用于为所述发热平台和所述散热器在贴合方向上施加压力；在热界面材料测试过程中，通过压力单元为发热平台和散热器在贴合方向上施加压力，从而使热界面材料的贴合状态模拟实际应用过程中的贴合状态，由此使得测量得出的导热系数和热阻数据更准确地体现整个系统的热性能。
附图说明
33.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
34.图1为本实用新型热界面材料热性能检测系统一实施方式的结构示意图；
35.图2为本实用新型热界面材料热性能检测系统另一实施方式的结构示意图；
36.图3为本实用新型热界面材料热性能检测系统又一实施方式的结构示意图。
37.附图标号说明：
38.标号名称标号名称10发热平台60热界面材料11基板70压力单元12led灯组71位移单元20第一接触面72第二控制单元30第一控制单元73驱动轴
31电源单元74伺服电机32测温单元75压力传感器40散热器80环境调节单元50第二接触面
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39.本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
40.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
41.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
42.需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后
……
)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
43.另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。
44.参照图1，图1为本实用新型热界面材料热性能检测系统一实施方式的结构示意图。本实用新型提出热界面材料热性能检测系统的一实施例。
45.如图1所示，在本实施例中，热界面材料热性能检测系统包括：发热平台10，具有第一接触面20；第一控制单元30，与发热平台10连接，用于控制发热平台10发热，并检测发热平台10的工作温度；散热器40，具有第二接触面50，第二接触面50与第一接触面20正对设置，第一接触面20与第二接触面50之间具有间隙，间隙用于放置热界面材料60；压力单元70，用于为发热平台10和散热器40在贴合方向上施加压力。
46.发热平台10用于模拟实际产品的产热，其具有可调节的发热能力。第一控制单元30驱动发热平台10，通过调节传输至发热平台的电压和/或电流调节发热平台的发热功率。第一接触面20和第二接触面50分别为发热平台10和散热器上相对的一面，为便于测试，第一接触面20和第二接触面50为平整面，表面上各处粗糙度相同。
47.发热平台的发热元件具有规律的温度和热阻曲线，其本身的理论温度和理论热阻可以根据第一控制单元30输入的电压和/或电流计算而得。此时，结合第一控制单元30采样的实际温度，通过计算既可以获得热界面材料的导热系数和/或热阻。
48.压力单元70可以根据需求在发热平台10和/或散热器40上施加预设的压力，使发热平台10和散热器40具有一定的组装压力。组装压力可以为5psi、10psi、15psi、20psi、25psi、30psi、35psi、40psi、45psi、50psi、55psi、60psi、65psi、70psi，其它压力根据实际
测试需求和产品特点可设定。热界面材料60在不同的组装压力下，与发热平台10和散热器40之间的贴合程度也不同，从而可以模拟热界面材料60在产品应用端的实际状态。
49.在本实施方式中，在热界面材料60测试过程中，通过设置压力单元70为发热平台10和散热器40在贴合方向上施加压力，从而使热界面材料60的贴合状态模拟实际应用过程中的贴合状态，由此使得测量得出的导热系数和热阻数据更准确地体现整个系统的热性能。
50.参照图2，图2为本实用新型热界面材料热性能检测系统另一实施方式的结构示意图。在一实施例中，压力单元70可以包括位移单元71，与发热平台10连接，位移单元70移动时，带动发热平台10在与散热器40的贴合方向上移动；第二控制单元72，与位移单元71连接，用于调节位移单元71的位移量。
51.位移单元71可以与发热平台10固定连接，当位移单元71向散热器40一侧移动时，发热平台10与散热器40之间的间隙缩小，两者之间的组装压力提高。位移单元71可以保持稳定的位移量，从而使发热平台10与散热器40之间的组装压力维持在固定的值。
52.参照图3，图3为本实用新型热界面材料热性能检测系统又一实施方式的结构示意图。在一实施例中，位移单元71可以包括：驱动轴73，固定设置于发热平台10上；伺服电机74，分别与驱动轴73和第二控制单元72连接，用于带动驱动轴73在发热平台10和散热器40的贴合方向移动。
53.驱动轴73垂直设置在发热平台10，当驱动轴产生轴向位移时，发热平台朝向散热器40移动。第二控制单元72包括伺服电机驱动单元和传动机构，传动机构一侧与伺服电机74连接，一侧与驱动轴73连接。传动机构可以将伺服电机74的旋转运动转换为直线运行，从而控制驱动轴73轴向位移。伺服电机驱动单元主要用于驱动伺服电机74运行，以及控制伺服电机74的位移量。
54.在一实施例中，压力单元70还可以包括压力传感器75，与第二控制单元72连接，设置于间隙内，用于检测热界面材料60的贴合压力。
55.在测试过程中，为保证热界面材料60的实际贴合压力达到测试所需的压力，通过压力传感器75检测热界面材料60的实际贴合压力。压力传感器75的检测值反馈至二控制单元72，第二控制单元72根据接收到的压力值驱动伺服电机。当压力传感器75检测所得压力和设定测试压力一致时，第二控制单元72驱动伺服电机74保持现有轴向位移，当压力传感器75检测所得压力低于或高于设定测试压力时，第二控制单元72驱动伺服电机74轴向位移实时调节。
56.在一实施例中，发热平台10可以包括基板11，基板11的底面作为第一接触面；led灯组12，设置于基板11的上表面，与基板11上的供电线路连接。
57.led灯组12作为测试热源，测试场景与功率产品的应用场景一致，均为从热源到散热系统再到环境的热传递模式。通过比较同等测试条件下不同热界面材料组装的led灯组的led结温差异评价热界面材料60的热性能优劣，led结温测试法和功率产品的实际应用场景有相似性，测试数据对产品的开发和热界面材料的选型有重大的指导意义。
58.正向电压vf是判定led性能的一个重要的参数，其大小取决于半导体的材料特性、晶片尺寸及器件的成结与电极的制作工艺。
59.当输入电流固定时，随着结温tj升高，led两端的正向电压δvf会下降，大多数led
热阻测试仪器基于此特性测试led的结温和热阻。
60.设定多个温度点在稳定条件下，分别以小电流im档下测试led的温度敏感系数k，获得对应的正向压降vf，由此建立结温tj和正向压降vf关系曲线；以恒定电流ih为加热电流加热led，从加热电流ih迅速切换到测试电流im档，记录瞬时电压vf(t),由数学方法通过结温tj和正向压降vf关系曲线得到瞬时结温tj(t)；加热电流ih档下测试热稳定状态下led此时的正向电压vhf，获得电功率pd；设定一个温度监测点tc，同步获得温度。进一步通过测试参数，可以计算获得应用热阻。
61.rtc＝(tj-tc)/pd
62.以固态照明为例，热阻一般的计算方法为：将led的全部功率当成是其耗散功率pd用于计算热阻。例如，1w的大功率led，其正向电压vf约为3.3v，输入电流if约为350ma，正向电压和输入电流的乘积为1.155w，即为led的输入功率pin，而不是其耗散功率，有一部分输入功率变成了有用的光发射到环境中。作为热来耗散的那部分功率，应当是输入功率减去以有用光的形式发射出去的那部分功率。一般来说，led的发光效率可以达到15～30％，即70～85％的输入功率转化为成热量有所不同，耗散功率也有所不同。如果上述1w的led的发光效率为20％，则其发热量约为：
63.ph＝1.155
×
(1-0.2)w＝0.924w。
64.热阻更精确的计算方法为：在测试过程中同时使用光谱仪积分球系统，获得用光的形式发射出去的那部分功率，输入功率减去以有用光的形式发射出去的那部分功率，所得结果为热耗散功率ph。公式如下：
65.rtc＝(tj-tc)/(pd-pr)＝(tj-tc)/ph
66.半导体材料的电导率具有热敏性，在输入电流恒定的情况下，led两端的正向电压δvf与结温tj的呈线性变化关系，即
67.δvf＝k
·
δtj
68.vf(t2)＝vf(t1)+k
·
δtj
69.式中，k为正向电压随结温变化的系数，即温度系数，或温度敏感系数。对于led，k值一般在-2.5～-1.5mv/k之间。vf(t1)和vf(t2)分别为结温为t1和t2是的正向电压。
70.led灯组12可以包括多个led灯，各led灯可以串联或者并联。led灯的具体功率可以根据实际测试需求设置，如选用10w～100w或其它功率，为了差异化评价不同种类热界面材料热性能，便于匹配不同发热功率的产品，可选不同功率梯度的led进行评测，如10w、20w、50w、80w和100w等不同功率组合。
71.继续参照图2，在一实施例中，第一控制单元30可以包括电源单元31，与供电线路连接，用于提供预设电压范围和预设电流范围的电源；测温单元32，与基板11连接，用于测量基板的温度。
72.电源单元31可以采用标准直流电源或其它交流转直流电源装置，其具有输出电压和电流的大范围调节，从而满足测试需求。可调节电源已有成熟的技术，本实施方式在此不在赘述。
73.测温单元32可以由多个温度传感器组成，各温度传感器分别设置在基板11上，以准确检测基板11上各位置的温度，有利于提高热界面材料60的检测结果。
74.在一实施例中，测温单元32可以包括多个热电偶，设置于基板的上表面；多通道温
度测试仪，与热电偶连接，用于获取基板11的温度。
75.热电偶(thermocouple)是温度测量仪表中常用的测温元件，它直接测量温度，并把温度信号转换成热电动势信号，通过电气仪表(二次仪表)转换成被测介质的温度。多通道温度测试仪用于接收热电偶传输的信号，并转化为温度值。从而多通道实时显示并记录基板上的温度参数。
76.参照图2，热界面材料热性能检测系统还可以包括环境调节单元80，用于调节发热平台10、散热器40、热界面材料60及压力单元70所处环境的温度和/或湿度。
77.环境因素也容易影响散热效率，如环境温度较低时，散热更快，环境温度较高时，散热更慢。因此为避免测试过程中环境中温度和/或湿度参数的变化引起测量误差，可以利用环境调节单元80对测试环境进行控制。其中，测试环境是指发热平台10、散热器40、热界面材料60及压力单元70所处环境。
78.在一实施例中，环境调节单元80可以包括箱体，用于容纳发热平台10、散热器40、热界面材料60及压力单元70；第三控制单元，用于调节箱体内部的温度和/或湿度。
79.利用箱体将发热平台10、散热器40、热界面材料60及压力单元70与外部环境隔离，通过调节箱体内的环境参数，既可调整测试过程中的环境参数，更便于控制。第三控制单元内部可以集成温湿度度调节系统(如热泵系统)，其可以根据需求控制箱体内部的温湿度。温湿度度调节系统已有成熟技术，本实施方法在此不再赘述。
80.此外，在测试过程中，还可以测量热界面材料60在不同温湿度环境下的性能，从而使测试更全面。第三控制单元可以将箱体内的环境调节为高温、高温高湿、高低温冲击和温度循环等，环境测试条件应在led可接受的温湿度范围内。
81.为实现上述目的，本实用新型还提出一种检测设备，检测设备包括如上述的热界面材料热性能检测系统。该热界面材料热性能检测系统的具体结构参照上述实施例，由于本检测设备可以采用上述所有实施例的技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的有益效果，在此不再一一赘述。
82.以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。