CN104950009B

CN104950009B - 一种热阻分析方法

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Publication number: CN104950009B
Application number: CN201410131338.0A
Authority: CN
Inventors: 潘建根; 陈聪; 李晟
Original assignee: Hangzhou Everfine Photo E Info Co Ltd
Current assignee: Hangzhou Everfine Photo E Info Co Ltd
Priority date: 2014-03-28
Filing date: 2014-03-28
Publication date: 2018-11-20
Anticipated expiration: 2034-03-28
Also published as: CN104950009A

Abstract

本发明公开了一种热阻分析方法，通过同步监测大功率器件的热源温度和参考点温度，并引入热源和参考点温度差稳定的准热平衡状态判定方法，在较短测试时间内即可实现大功率器件定制化区域热阻信息的准确分析，同时可实现参考点位置的准确定制和热阻结构分辨率的有效提升，可广泛应用于各种大功率器件的热特性测试的精确测量，具有高效、快速、适用范围广等特点。

Description

一种热阻分析方法

【技术领域】

本发明属于器件热特性测量领域，具体涉及一种热阻分析方法。

【背景技术】

器件的热特性测量一般在环境温度变化不明显的条件下进行，测试时要求器件达到热平衡状态且箱内环境温度变化不明显，如将被测器件设置在静态空气试验箱内进行。小功率器件较易实现上述测试条件，但对于大功率器件(如大功率LED等)，即使其能达到热平衡，由于其散热量大，测试中环境温度上升或者下降明显，静态空气试验箱内的空气无法视为无穷大热沉，该部分温度的变化将在热阻微分结构函数上的直观体现，就会出现若干无法分辨的峰谷结构，容易混淆或者错误分析参考点所对应的位置，导致不能准确分辨参考点，降低分析结果准确度。对于某些难以达到热平衡的大功率器件，不能满足热特性的测试要求，从而无法进行热特性分析。

对于大功率器件，现有标准中虽然提及了可以通过增大静态空气试验箱的体积，即增大试验空间的方式，使得环境温度变化不明显，以较快达到热平衡来进行大功率器件的热特性测试。但现有文献没有给出功率与试验箱体积的具体对应关系，实际操作难以实现；其次，受测试设备尺寸的限制，不可能无限增大静态空气试验箱的体积。例如，对于小于3W的器件，静态空气试验箱的体积一般为0.0283m³(边长为30.48cm的立方体)；当测量100W的COB时，即使按同比例增大，静态空气试验箱的体积也需要约27m³(边长为3m的立方体)甚至更大，一方面，如此大体积的箱体，空气对流严重，无法满足静态空气环境的要求；另一方面，静态空气试验箱再加上其它配套设备，整个测试系统的体积庞大，且热平衡时间也较长，用户一般难以接受。

【发明内容】

针对上述现有技术的不足，本发明旨在提供了一种热阻分析方法，该方法创新性地提出准热平衡的概念，在不改变静态空气试验箱的体积的前提下，即可实现大功率器件热阻信息的快速、准确分析，可广泛应用于各种大功率器件的热特性测试，具有高效、快速、适用范围广等特点。

本发明通过以下技术方案实现：

一种热阻分析方法，其特征在于，包括被测器件，选定被测器件的参考点，在初始热平衡状态下改变被测器件热源的输入功率，同步监测被测器件的热源温度和参考点温度，直至热源与参考点的温度差达到稳定，即达到准热平衡状态，测量达到准热平衡状态前的热源和参考点的温度以及相应的输入功率，根据测得的热源温度、参考点温度和输入功率数据，通过计算获得被测器件中各组成部分的热阻信息。

本发明中，初始热平衡状态，是指大功率器件改变输入功率前的热平衡状态；终态热平衡状态，是指大功率器件改变输入功率后达到的热平衡状态；准热平衡状态，是指大功率器件改变输入功率后、终态热平衡前，且其热源和参考点温差稳定的状态，因而大功率器件达到准热平衡状态的时间，在很多情况下，达到准热平衡状态的时间要大幅小于其达到终态热平衡的时间。

本申请人通过大量实验发现，在环境温度变化明显的情况下，例如大功率器件位于有限大小的静态空气试验箱内，虽然大功率器件的整个测试系统较难达到终态热平衡状态，但大功率器件的热源与某一指定的参考点的温度差仅需较短时间即可稳定，即达到准热平衡状态，准热平衡状态是指：从热源到参考点的温度变化趋势相同，即指定区域内的温度差稳定。相比于需要整个测量测试系统达到终态热平衡状态的传统分析方法来讲，由于准热平衡状态仅需要温度差稳定即可，大功率器件一般仅在较短的时间内即可达到准热平衡状态，再经过较长时间，才能达到终态热平衡状态。也就是说，准热平衡状态是达到终态热平衡状态的中间过程，大功率器件达到准热平衡的稳定时间小于其达到终态热平衡的稳定时间，因此，相比于传统分析方法，该技术方案可大幅缩短大功率器件的热阻分析时间，提高测试效率。

准热平衡状态包括两种状态，一种是热源温度和参考点温度的变化趋势相同且差值稳定的状态；另一种是所述的热源温度和参考点温度均达到稳定的状态。前者是大功率器件的典型状态，在实际测试中，绝大多数的大功率器件均处于该状态。在准热平衡状态下，热源和参考点的温度差达到稳定，从热源到参考点的热阻信息已基本稳定，该部分热阻信息对于被测器件整体的热阻信息的贡献已可忽略不计，即从热源到参考点的热阻信息主要取决于准热平衡状态前的热源温度、参考点温度以及输入功率数据上，在稳定时刻后的热传导时间内，热阻信息的变化主要由参考点至无穷大热沉的热阻信息所贡献。因此，采用准热平衡状态来分析从热阻到参考点的热阻信息，既大幅降低了测量时间，也确保了测量准确度。

本发明中的热源可以是器件实现自身功能必不可少的一部分，即为器件的内部组成，如LED的PN结，也可以是专门为测试而设置的外部加热部件。本发明中热源输入功率的改变可以是从某输入功率到另一恒定输入功率，例如从零输入功率到某一输入功率或者从某一较大功率改变到某一较小的输入功率（甚至为零输入功率）；此外，输入功率是随时间变化的，例如从零输入功率按照某预定规则（如斜率固定）持续增加的输入功率，或者按照某预订规则持续减小的输入功率。热源和参考点的温度可以是通过直接的温度传感器来测量，也可以是通过被测器件本身所固有的温度特性来测量，例如，被测器件为LED，可利用其PN结的结电压来测量PN结的温度。

综上，本发明公开的技术方案，适用于环境温度变化明显的热阻信息的准确分析，在不改变静态空气试验箱的尺寸以及不延长测试时间的前提下，实现大功率器件从热源到参考点热阻信息的准确分析，可广泛应用于各种大功率器件的热特性测试，具有准确、高效、快速、适用范围广等特点。

本发明可以通过以下技术方案进一步完善。

作为优选，建立被测器件从热源到无穷大热沉的热传导模型，根据获得被测器件各组成部分的热阻信息，进一步计算获得被测器件的热阻结构函数，所述的热阻结构函数包括微分结构函数和积分结构函数。目前，热阻结构函数是热阻分析结果的常用的表达方式，热阻结构函数是指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，积分结构函数为累积热容随累积热阻的变化关系，微分结构函数为积分结构函数对累积热阻的一阶导数。所述的累积热容为热源至热流路径各点的热容之和，所述的累积热阻为热源至热流路径各点的热阻之和。获得的被测器件各组成部分的热阻信息可为瞬态热阻，所述的瞬态热阻是指热源与参考点的温度差与输入功率之间的比值，如上文所述，可获得准热平衡状态前的瞬态热阻变化曲线，在达到准热平衡状态后，从热源到参考点的热阻结构对瞬态热阻变化曲线的贡献已可忽略不计，即从热源到参考点的热阻结构信息主要集中体现在准热平衡状态前的瞬态热阻变化曲线上，在稳定时刻后的热传导时间内，瞬态热阻变化曲线的变化主要由参考点至无穷大热沉的热阻结构信息所贡献；根据上述的瞬态热阻变化曲线，建立大功率器件从热源到无穷大热沉的热传导模型，计算出大功率器件的热阻结构函数。

如背景部分所述，环境温度的影响会造成热阻微分结构函数上出现以下无法分辨的峰谷结构，可通过以下技术方案准确分辨参考点在热阻结构函数上的位置。根据同步检测所得的热源和参考点的温度变化，获得热源和参考点之间的稳态热阻，基于该稳态热阻在上述热传导模型上划分出从热源到参考点的子热传导模型，所述的热传导模型包括n(n>1)个热传导单元，所述的子热传导模型包括m(1≤m<n)个热传导单元。该方法创新性地将稳态热阻引入热阻分析，利用“分压原理”将热传导模型“截断”，从而准确划分出从热源到参考点的热阻结构，便于准确定位参考点，提高热阻分析准确度；同时结合参考点的灵活选择，可实现定制化区域热阻结构的准确分析。例如，大功率器件为COB，包括PN结、金属基板、铝基板以及它们之间的接触界面，若需要分析PN结到金属基板的热阻结构，则可将参考点选在金属基板底端；若需要分析PN结到铝基板的热阻结构，则可将参考点选在铝基板底端。

根据具体的热阻分析方法，获得稳态热阻的时刻不同。在升温过程中，所述的稳态热阻是根据在热源和参考点的温差达到准热平衡状态对应的时刻获得的，即在升温过程中，给大功率器件输入一定的热功率后，热源和参考点温度持续上升，直至两者的温差达到稳定，计算此时从热源到参考点温差与热功率的比值，即为升温过程的稳态热阻；而在降温过程中，所述的稳态热阻是根据同步检测的热源和参考点处于初始热平衡状态下的温度获得的，撤去大功率器件的热功率，大功率器件向周围环境散热，计算初始时刻的热源和参考点的温差与撤去的热功率的比值，即为降温过程的稳态热阻。

需要指出的是，对于升温过程，根据传统的计算方法，稳态热阻需等到热源和参考点均达到终态热平衡状态，才能利用“分压原理”将热传导模型“截断”，但由于大功率器件终态热平衡时间非常长，甚至某些大功率器件无法达到终态热平衡。本发明创新性地引入准热平衡状态的概念，在大功率器件达到终态热平衡状态前的准热平衡状态下即将热传导模型“截断”，根据理论分析以及实际模拟结果(具体可见实施例1)来看，该技术方案不仅大幅缩短了热阻分析时间，且确保了热阻分析结果的准确度。

以上的技术方案中，由于子热传导模型由热传导模型“截断”形成，相比于热传导模型，子热传导模型具有较少的热传导单元，而热传导单元是热阻结构的基本单元，热传导单元数量越多，热传导路径上的热阻结构被划分的越细，获得的热阻结构函数更加准确；反之，热传导单元数量越少，获得的热阻结构相对粗糙。为解决上述问题，本申请人进一步将子热传导模型进行逆变换，以重构子瞬态热阻变化曲线，再根据子瞬态热阻变化曲线建立包括n(n>1)个热传导单元的热传导模型，获得从热源到参考点更加精确的热阻结构函数。即将具有较少热传导单元的子传导模型进行逆变换和重构，建立具有较多热传导单元的热传导模型，从而使得热阻结构函数更加准确。该技术方案将“截断”后的子热传导模型进行逆变换和重构，增加了从热源到参考点的热传导路径上热传导单元的数量，即增大了热阻结构分辨率，提高了热阻结构分析的准确性。

所述的热源与参考点的温度差达到稳定，是指两者的差值/变化率/差值变化率小于对应的给定值。即通过事先给定稳定条件，实时监测热源和参考点的温度变化过程，当两者的温度差值/变化率/差值变化率满足给定的稳定条件，即可判断达到稳定，获得稳定时间前的瞬态热阻变化曲线，再根据瞬态热阻变化曲线计算得出大功率器件的热阻结构函数。

本发明中，可根据具体案例选择对应的参考点，所述的参考点位于大功率器件的外壳上、或者位于周围空气中或者其它指定点。例如，对于COB器件，可将参考点选在其器件外壳上，以考察从PN结到外壳的热阻结构；对于加装有散热器的COB器件，可将参考点选在散热器上，以考察从PN结到散热器的热阻结构；又或者将参考点选在静态空气试验箱的空气内，且该参考点应尽适当远离大功率器件，以考察从PN结到试验箱内空气的热阻结构。总之，可根据具体案例和需求来灵活确定参考点的位置，以分析对应的热阻结构范围。

作为优选，所述的被测器件的输入功率曲线为用于产热的热功率曲线。被测器件的类型多种多样，有些器件在输入电功率后，电功率全部用于产热，即当所述的被测器件为纯热功率器件，所述的输入功率曲线与输入电功率曲线相同；有些器件在输入电功率后，电功率一部分用于产热，一部分用于发光，例如发光二极管，即所述的被测器件为光发光功率器件，此时，所述的输入功率曲线为输入电功率曲线与耗散热功率曲线的差值。

综上所述，本发明公开了一种适用于大功率器件的热阻分析方法，引入热源和参考点温度差稳定的准热平衡状态判定方法，在较短测试时间内即可实现大功率器件定制化区域热阻结构的准确分析，且无需增大静态空气试验箱的体积，可适用于各种大功率器件的热阻信息分析，具有高效、快速、适用范围广等特点；同时还可根据不同时刻下的稳态热阻，准确定位热阻结构函数上参考点的位置；此外，结合逆变换和重构瞬态热阻曲线等方案，可有效增大热阻结构分辨率，进一步提高热阻结构分析的准确性。

【附图说明】

附图1是实施例1的大功率器件的结构示意图；

附图2是实施例1的热源、参考点、热源和参考点差值的升温曲线对比图；

附图3是传统分析方法和实施例1的热阻微分结构函数比较示意图；

附图4是实施例2的子热传导模型的“截断”示意图；

附图5是实施例2中四层结构物体的热阻微分结构函数；

附图6是实施例2中六层结构物体的热阻微分结构函数；

附图7是传统分析方法和实施例1的热阻微分结构函数比较示意图。

【具体实施方式】

实施例1

本实施例公开了一种的热阻分析方法，该实施例的测试对象为包括六层结构的大功率器件1，分别记为第一层1-1、第二层1-2、第三层1-3、第四层1-4、第五层1-5和第六层1-6，如图1所示，其材料参数见表1。

表1实施例1中大功率器件六层结构的参数

A=1mm²	λ[W/m.k]	ρ[g/cm³]	c[J/gK]	d[mm]	R[K/W]	C[J/K]
							1-1	148	2.33	0.7	0.2	1.351	3.262×10^-4

1-2	1.6	3.8	0.48	0.05	31.25	9.12×10^-5
							1-3	350	8.89	0.385	1	2.85714	3.423×10^-3
1-4	0.73	2.8	1	0.03	41.0959	8.4×10^-5
							1-5	180	27	0.963	1	5.5556	0.026
1-6	0.18	1.18	1.424	0.05	277.78	8.4016×10^-5

该大功率器件1的热源2位于第一层1-1，参考点3选在第四层1-4底部。测试时，给大功率器件1输入热功率△P_H，大功率器件1开始升温，确保热源2温度的采样时序与参考点3温度的采样时序严格保持同步，以同步监测大功率器件1的热源温度T_j(t)和参考点温度T_C(t)，直至热源2与参考点3的温度差达到稳定，即达到准热平衡状态，记录热源2的升温曲线，根据升温曲线获得稳定时刻前的瞬态热阻变化曲线；根据瞬态热阻变化曲线，建立大功率器件1从热源2到无穷大热沉的热传导模型，如图所述的热传导模型包括n(n>1)个子热传导单元；根据上述热传导模型准确获得器件的热阻结构函数，热阻结构函数包括微分结构函数和积分结构函数。

该技术方案的技术效果显著，如图2所示，本申请人在相同限制条件下，分别比较了监测热源温度、参考点温度以及热源和参考点温差的稳定时间，结果如表2所示。

表2不同判定条件下的稳定时间

项目	稳定时间(s)
		热源温度T_j(t)	137.4806
参考点温度T_C(t)	142.5200
		热源与参考点温差T_j(t)-T_C(t)	97.6590

从表中可看出，T_j(t)-T_C(t)比T_j(t)达到稳定要快40s左右，接近总稳定时间的三分之一。将T_j(t)在97.6590s处截断，得到的热阻微分结构函数图与原来未截断时的对比如图3所示。从图中可看出，在97.6590s处截断对最终结果的影响较小，但却节省了三分之一的时间。因此，该技术方案可在不降低热阻分析准确性的前提下，大幅降低测试时间，提高测试效率。

实施例2

本实施例公开了一种热源和参考点温度均稳定的热阻分析方法，与实施例1类似，该实施例的测试对象也为包括六层结构的大功率器件1，分别记为第一层1-1、第二层1-2、第三层1-3、第四层1-4、第五层1-5和第六层1-6，与实施例1不同，本实施例的第六层的材料参数与实施例1不同，其材料参数见表3。

表3实施例2中大功率器件六层结构的参数

A=1mm²	λ[W/m.k]	ρ[g/cm³]	c[J/gK]	d[mm]	R[K/W]	C[J/K]
							1	148	2.33	0.7	0.2	1.351	3.262×10^-4
2	1.6	3.8	0.48	0.05	31.25	9.12×10^-5
							3	350	8.89	0.385	1	2.85714	3.423×10^-3
4	0.73	2.8	1	0.03	41.0959	8.4×10^-5
							5	180	27	0.963	1	5.5556	0.026
6	0.18	1.18	1.424	0.05	277.78	8.4016×10^-5

与实施例1类似，该大功率器件1的热源2位于第一层1-1，参考点3选在第四层1-4底部。测试时，给大功率器件1输入热功率△P_H，大功率器件1开始升温，确保热源2温度的采样时序与参考点3温度的采样时序严格保持同步，以同步监测大功率器件1的热源温度T_j(t)和参考点温度T_C(t)，直至热源2与参考点3的温度均达到稳定，两者温度差为零，即达到准热平衡。该技术方案通过结合准热平衡时大功率器件的热源温度和参考点温度，获得大功率器件准热平衡状态的稳态热阻，利用“分压原理”将热传导模型“截断”，即在热传导模型上划分出从热源到参考点的子热传导模型，该子热传导模型包括m(1≤m<n)个热传导单元，如图4所示，从而准确划分从热源到参考点的热阻结构，便于准确定位参考点，提高热阻分析准确度；同时结合参考点的灵活选择，可实现定制化区域热阻结构的准确分析。

本申请人分别模拟了具有四层结构的大功率器件、六层结构的大功率器件、以及利用本技术方案从六层结构上“截断”出来的四层结构的热阻结构函数，论证了该技术方案具有良好的技术效果。需要指出的是，本实施例模拟的具有四层结构大功率器件的材料参数与六层结构大功率器件的前四层材料参数完全相同。

理论上，由于两个大功率器件的前四层结构完全一致，则两者的热阻结构函数也应一致，两者的差别应在六层结构的最后两层体现。对具有四层结构和六层结构的大功率器件进行实际热阻分析，两者的微分结构函数分别如图5和图6所示，对比两图可看出，两图中，前两个峰的热阻阻值大小基本一致，六层结构较四层结构的微分结构函数多出一个峰，这与理论分析结果相一致，图5和图6的前两个峰谷对应的热阻结构应是前四层结构所贡献，而图6中的第三个峰谷对应的热阻结构应是六层结构的后两层所贡献。

本发明对六层结构的大功率器件进行热阻分析，根据准热平衡时的热源温度和参考点温度将具有n个热传导单元的热传导模型，划分为具有m(m<n)个热传导单元的子热传导模型，即将热传导模型“截断”，仅保留从热源到参考点的热阻结构信息；根据该子传导模型获得从热源到参考点的热阻结构函数。

如图7所示，比较四层结构大功率器件、六层结构大功率器件以及从六层结构上“截断”出来的四层结构的微分结构函数，可看出，采用“截断”方法获得的四层结构的微分结构函数与理想的四层结构的微分结构函数几乎一致，即该技术方案可准确获得从热源到参考点的热阻结构函数。

Claims

1.一种热阻分析方法，其特征在于，包括被测器件，选定被测器件的参考点，在初始热平衡状态下改变被测器件热源的输入功率，同步监测被测器件的热源温度和参考点温度，直至热源与参考点的温度差达到稳定，即达到准热平衡状态，测量达到准热平衡状态前的热源和参考点的温度以及相应的输入功率，根据测得的热源温度、参考点温度和输入功率数据，通过计算获得被测器件中各组成部分的热阻信息。

2.如权利要求1所述的热阻分析方法，建立被测器件从热源到无穷大热沉的热传导模型，根据获得被测器件各组成部分的热阻信息，进一步计算获得被测器件的热阻结构函数，所述的热阻结构函数包括微分结构函数和积分结构函数。

3.如权利要求2所述的热阻分析方法，其特征在于，根据同步检测所得的热源和参考点的温度变化，获得热源和参考点之间的稳态热阻，基于该稳态热阻在上述热传导模型上划分出从热源到参考点的子热传导模型，所述的热传导模型包括n个热传导单元，所述的子热传导模型包括m个热传导单元，其中，n>1，1≤m<n。

4.如权利要求3所述的热阻分析方法，其特征在于，在升温过程中，所述的稳态热阻是根据在热源和参考点的温差达到准热平衡状态时获得的；在降温过程中，所述的稳态热阻是根据同步检测的热源和参考点处于初始热平衡状态下的温度获得的。

5.如权利要求3所述的热阻分析方法，其特征在于，将子热传导模型进行逆变换，以重构子瞬态热阻变化曲线，再根据子瞬态热阻变化曲线建立包括n个热传导单元的热传导模型，获得从热源到参考点的热阻结构函数，其中，n>1。

6.如权利要求1所述的热阻分析方法，其特征在于，所述的准热平衡状态包括热源温度和参考点温度的变化趋势相同且差值稳定的状态，或者热源温度和参考点温度均达到稳定的状态。

7.如权利要求1所述的热阻分析方法，其特征在于，所述的被测器件达到准热平衡状态的时间，小于其达到终态热平衡的时间。

8.如权利要求1或6或7所述的热阻分析方法，其特征在于，所述的热源与参考点的温度差达到稳定，是指两者的差值或变化率或差值变化率小于对应的给定值。

9.如权利要求1所述的热阻分析方法，其特征在于，所述的参考点位于被测器件的外壳上、或者位于周围空气中或者其它指定点。

10.如权利要求1所述的热阻分析方法，其特征在于，所述的被测器件的输入功率为用于产热的热功率曲线。