阅读说明：本技术 一种逐层推移测量多层材料热阻的方法 (A kind of method of layer-by-layer passage measurement multilayer material thermal resistance ) 是由 冯士维 何鑫 白昆 郑翔 胡朝旭 李轩 张亚民 于 2019-07-26 设计创作，主要内容包括：一种逐层推移测量多层材料热阻的方法属于电子器件电学和热学测量技术领域。装置包括被测材料,热源,温度采集设备和计算机。所述方法测量了热源温度随时间变化的曲线,即瞬态热响应曲线；然后,根据传统结构函数方法得到的热阻信息,进一步构造薄层材料前各层材料的热响应曲线,并将其从总的曲线中剔除,从而提取出薄层的热阻信息。本发明区分出了两个热时间常数相近的材料,提高了特殊情况下薄层热阻测量精度。(It is a kind of it is layer-by-layer passage measurement multilayer material thermal resistance method belong to electronic device electricity and heat field of measuring technique.Device includes measured material, heat source, temperature acquisition equipment and computer.The method measures the curve that heat source temperature changes over time, i.e. transient thermal response curve；Then, the thermal resistance information obtained according to traditional structure functional based method, further constructs the thermal response curve of layers of material before layer material, and it is rejected from total curve, to extract the thermal resistance information of thin layer.The present invention has distinguished material similar in two thermal time constants, improves thin layer thermal resistance measurement precision in special circumstances.)

一种逐层推移测量多层材料热阻的方法

技术领域：

本发明公开了一种测量多层材料热阻的方法，属于电子器件电学和热学测量技术领域。

背景技术：

基于反卷积运算的结构函数法是公认的电子器件及系统热特性测量的重要方法。它是基于测量得到的瞬态温度响应曲线，进行一系列数值变换以提取出器件内部各结构层热阻热容的方法。但是，在实际测量过程中，对于复杂的多层材料，特别是当一个高热阻(低热容)薄层材料位于两个高热容材料之间时，薄层材料热阻信息会淹没在临近材料层中，无法用结构函数方法直接获得该薄层的成分热阻。

本发明针对传统结构函数法无法处理的情况提出了一种新方法，通过采集包含全部数据点的原始瞬态响应曲线，对其进行多次迭代、推移处理，逐层提取出各层材料的热阻信息。

发明内容

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针对现有技术存在的局限，本发明的主要发明点是：提出一种逐层推移测量多层材料热阻的方法，较现有方法有着明显的先进性。

本方法采用的技术方案如下：

首先测量被测器件的瞬态响应曲线，利用传统的结构函数方法对该曲线进行处理，得到粗略的每层材料热阻和热容。对于可能存在的薄层热阻被淹没的情况，根据已知的热阻热容信息构造高热容材料的瞬态响应曲线。然后将高热容材料的影响从总体瞬态响应曲线中消除，从而实现对多层材料热阻的逐层测量。

本方法的特征在于，包括了被测材料1，热源2，温度采集设备3和计算机4。被测材料1为多层结构；热源2用于对材料加热；温度采集设备3用于测量热源处温度随时间的变化；计算机用于数据处理。

本方法的特征在于，具体步骤如下：

1.通过温度采集设备1采集热源2处温度随时间的变化，采样率不低于1Mhz，处理得到瞬态响应曲线a(t)。

2.由于直接处理瞬态响应曲线a(t)的数据量过大，对其时间轴取对数，利用基于反卷积运算的结构函数法对瞬态响应曲线a(t)进行初步处理，得多组热阻和热容：R₁、C₁，R₂、C₂…R_n、C_n，当出现C_i>C_i+1时，则判断第i层可能包含了第一层高热容材料i₁和第二层低热容材料i₂。

3.设热时间常数τ_i＝R_i*C_i，τ_i在瞬态响应曲线a(t)上对应的热阻为R_τi，Δτ是时间常数偏移量，初始设定Δτ＝0，i表示材料层数，R_n、τi表示第i层的时间常数，t表示时间，当i＝1时，则R_n、τ_n不存在。构造函数：

4.将瞬态响应曲线a(t)减去构造函数y(t)，得到新的瞬态响应曲线b(t)，该曲线消除了i₁层及其之前各层对瞬态响应曲线a(t)的影响，然后将时间轴向右平移τ_i/100，重新对b(t)的时间轴取对数。

5.用结构函数方法对b(t)进行处理，并结合步骤2中已知的Ri、Ci，将R_i、C_i拆分成两组结果：R_i1、C_i1和R_i2和C_i2，分别对应了第i₁层材料(高热容)和第i₂层材料(低热容)的热阻。

6.设τ₁₁＝R_i1*C_i1，τ₁₂＝R_i2*C_i2，构造瞬态响应曲线(其中R_m、τ_m为第i层之后各层的热阻和时间常数)：

6.求瞬态响应曲线a(t)和z(t)的拟合优度：

其中，tmax表示总的时间长度，t表示时间，即瞬态响应曲线中的横坐标，Y_t表示a(t)中对应时间的热阻值，y_t表示z(t)中对应时间的热阻值，表示Y_t的平均值。

7.设定R2的最小值，判断R²是否符合要求，若符合，则确定将第i层热阻值拆分为R_i1和R_i2；若不符合，则调整时间常数偏移Δτ，重复步骤3-6直到达到符合要求R²值。

对于复杂的多层材料，对于每一层均采取步骤2中的判断方法，以实现逐层推移测量的目的。

附图说明:

图1为本发明涉及的测试装置的示意图，图中，1-被测材料，2-热源，3-温度采集设备，4-计算机；

图2为本方法中被测材料的示意图；

图3为瞬态响应曲线a(t)；

图4为处理得到瞬态响应曲线b(t)的示意图；

图5为拆分时间常数示意图。

具体实施方式

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下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的的说明。

本方法的测试装置如图1所示。包括了被测材料1，热源2，温度采集设备3和计算机4。被测材料1为三层材料，满足两层高热容材料之间夹杂一层低热容材料；热源2对材料上表面加热；温度采集设备3用于测量材料上表面处温度随时间的变化；计算机用于数据处理。

本方法的流程图如图3所示，包括以下步骤：

1.通过温度采集设备1采集热源2处温度随时间的变化，采样率1MHz，并保存全部数据点，即瞬态响应曲线a(t)。

2.对瞬态响应曲线的时间轴取对数，利用结构函数法对瞬态响应曲线a(t)进行初步处理，得两组热阻和热容：R₁、C₁，R₂、C₂，其中R₁＝2K/W,C₁＝0.006J/℃；R₂＝1K/W,C₂＝0.907J/℃。

3.设热时间常数τ₁＝R₁*C₁＝12000μs，τ₁在瞬态响曲线a(t)上对应的热阻为R_τ1，Δτ是时间常数偏移量，暂定Δτ＝0。构造函数：

4.将瞬态响应曲线a(t)减去构造函数y(t)，得到消除第一层材料的影响后的瞬态响应曲线b(t)，然后将时间轴零点取为120μs，重新对b(t)的时间轴取对数。

5.用结构函数方法对b(t)进行处理，并结合步骤2中R₁＝2K/W,C₁＝0.006J/℃，将R₁、C₁拆分成两组结果：R₁₁＝1.156K/W、C₁₁＝0.010J/℃和R₁₂＝0.844K/W和C₁₂＝0.030J/℃，分别对应了第i1层和第i2层材料的热阻和热容。

5.设τ₁₁＝R₁₁*C₁₁＝11560μs，τ₁₂＝R₁₂*C₁₂＝25320μs，τ₂＝R₂*C₂＝907000μs，构造瞬态响应曲线：

6.求瞬态响应曲线a(t)和z(t)的拟合优度：

其中，tmax表示总的时间长度，t表示时间，即瞬态响应曲线中的横坐标，Y_t表示a(t)中对应时间的热阻值，y_t表示z(t)中对应时间的热阻值，表示Y_t的平均值。

7.判断R²是否符合要求，要求R²不低于0.9995，因此，调整时间常数偏移Δτ，重复步骤3-6。多次迭代计算后，当Δτ＝-2000时，R²＝0.9998,达到要求的R²值。此时，计算得到3层热阻如下：R1＝1.031K/W；R2＝0.969K/W；R3＝1K/W；

相对初步处理的结果，该结果区分出了两个热时间常数相近的材料，提高了特殊情况下薄层热阻测量精度。